波动光学-偏振1

1、1 第五章第五章 光的偏振光的偏振(1)(1)(polarization of light)(polarization of light)25.1 5.1 自然光和偏振光自然光和偏振光一、偏振光一、偏振光( (完全偏振光完全偏振光) ) 光矢量光矢量)cos()cos(00yyyxxxyxkztEEkztEEyExEE 设光矢量沿设光矢量沿 z方向传播方向传播.1.线偏振光线偏振光3zxy0线偏振光及其表示法线偏振光及其表示法光振动垂直于纸面光振动垂直于纸面振动面振动面面对光的传播方向看面对光的传播方向看 光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面光矢量（光矢量（ ）只在一个固定

2、）只在一个固定平面内沿单一方向振动的光平面内沿单一方向振动的光叫线偏振光（也称平面偏振叫线偏振光（也称平面偏振光）。光）。E光振动方向与传播方向决定光振动方向与传播方向决定的平面称为振动面的平面称为振动面. 线偏振光的表示法：线偏振光的表示法：4线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解: : sincosEEEEyx依赖于依赖于x, yx, y方向的选取方向的选取对线偏振光对线偏振光 , 0 xyEEyEx yx 光的偏振性说明了光的偏振性说明了: : 光是横波光是横波52.2.圆偏振光圆偏振光3.3.椭圆偏振光椭圆偏振光光矢量在垂直传播方向的平面内，光矢量在垂直传

3、播方向的平面内，按一定频率旋转（左旋或右旋）、按一定频率旋转（左旋或右旋）、光矢量的矢端轨迹是个圆（或椭圆）光矢量的矢端轨迹是个圆（或椭圆）的光称圆（或椭圆）偏振光。的光称圆（或椭圆）偏振光。6规定规定：迎着光线看，：迎着光线看， 光矢量顺时针转的称光矢量顺时针转的称右旋右旋圆偏振光圆偏振光 （或椭圆偏振光）；（或椭圆偏振光）；右旋圆右旋圆偏振光偏振光右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光光矢量逆时针转的称光矢量逆时针转的称左旋左旋圆偏振光圆偏振光 （或椭圆偏振光）。（或椭圆偏振光）。7某一时刻某一时刻右旋右旋圆偏振光圆偏振光 E随随 z的变化的变化传播方向传播方向zyxy /28 圆偏振光圆偏振光:0

4、0,2yxxyEE 且 22 Ey领先领先-右旋右旋Ex领先领先-左旋左旋两束振动方向相互垂直、位相差两束振动方向相互垂直、位相差 、传播方向一致、且振幅相等的线偏振光叠加，传播方向一致、且振幅相等的线偏振光叠加，就是圆偏振光。就是圆偏振光。2 反过来，一束圆偏振光也可以分解为反过来，一束圆偏振光也可以分解为这样两束线偏振光。这样两束线偏振光。9 椭圆偏振光椭圆偏振光:0022, 0yxxyxyEE ，但，但或或 椭圆偏振光的强度是这两束线偏振光强度椭圆偏振光的强度是这两束线偏振光强度的非相干叠加。的非相干叠加。椭圆偏振光是两束振动方向相互垂直、椭圆偏振光是两束振动方向相互垂直、 传播方向一致

5、、位相差恒定的传播方向一致、位相差恒定的 线偏振光叠加而成的。线偏振光叠加而成的。10二、自然光（非偏振光二、自然光（非偏振光） 光源上一个原子一次发出的是一个线偏光源上一个原子一次发出的是一个线偏振光波列，持续时间约振光波列，持续时间约10-8秒。秒。在在10-8秒的时间内大量波列合成的光波秒的时间内大量波列合成的光波 可以可以是偏振的，但是它以完全无规的方式是偏振的，但是它以完全无规的方式 迅速变迅速变化着。化着。各原子是独立地、随机地发光的。光矢各原子是独立地、随机地发光的。光矢量的大小、方向、初位相等等也是随机的。量的大小、方向、初位相等等也是随机的。在我们观察的时间在我们观察的时间

6、t内内,在哪个方向都在哪个方向都不占优势了，它们对其传播方向形成不占优势了，它们对其传播方向形成轴对称分布。轴对称分布。11没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解平均说来这种大量的振幅相同、振动方向平均说来这种大量的振幅相同、振动方向任意、彼此没有固定相位关系的光振动的任意、彼此没有固定相位关系的光振动的组合叫自然光。组合叫自然光。zxy自然光及其表示法自然光及其表示法zxy自然光及其表示法自然光及其表示法12Ex Ex 和和 EyEy无固定关系无固定关系: :它们是彼此独立的振动它们是彼此独立的振动, ,yxEE 方方向向选选择择无无关关与与yx,总光强总光强 yxyxIIIII2

7、2 非相干叠加非相干叠加没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解13三三. .部分偏振光部分偏振光彼此无固定相位关系、振动方向任意、不同方向上彼此无固定相位关系、振动方向任意、不同方向上振幅不同的大量振幅不同的大量光振动的组合光振动的组合, ,称部分偏振光，称部分偏振光，它它介于自然光介于自然光与线偏振光之间。与线偏振光之间。xyz部分偏振光及其表示法部分偏振光及其表示法垂直纸面的光振动较强垂直纸面的光振动较强在纸面内的光振动较强在纸面内的光振动较强部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光14偏振度偏振度 minmaxminmaxIIIIP 描写部分偏振光的偏振程度的物理量

8、是偏振度描写部分偏振光的偏振程度的物理量是偏振度:自然光也称为（完全）自然光也称为（完全）非偏振光（非偏振光（P=0P=0）部分偏振光部分偏振光可看作是自然光和完全偏振光的可看作是自然光和完全偏振光的叠加叠加（0 0P P1 1）. .完全偏振光（完全偏振光（P=1）以上就是以上就是三种偏振光三种偏振光, , 五种偏振态五种偏振态. .155.2 5.2 起偏和检偏起偏和检偏一、起偏一、起偏从自然光获得偏振光叫从自然光获得偏振光叫“起偏起偏”，相应的，相应的光学器件叫光学器件叫“起偏器起偏器”。起偏的原理起偏的原理: :都是利用某种形式的不对称性都是利用某种形式的不对称性, ,如如 物质的二向

9、色性，物质的二向色性， 反射和折射，散射，双折射反射和折射，散射，双折射. .偏振片偏振片（PolaroidPolaroid）是由自然光获得线偏振光的平面片状器件，是由自然光获得线偏振光的平面片状器件，用用P P表示。表示。16偏振片偏振片x yzz线栅起偏器线栅起偏器 入射入射电磁波电磁波非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光光轴光轴电气石晶片电气石晶片偏振片偏振片是以是以利用晶体的二向色性利用晶体的二向色性（对某一方向（对某一方向的光振动有强烈吸收）的光振动有强烈吸收）起偏起偏. .（如把硫酸碘奎（如把硫酸碘奎宁的针状粉末定向排在宁的针状粉末定向排在 透明的基片上），透明的基片上），也可以也可以

10、利用类似于利用类似于导电线栅导电线栅的作用原理起偏的作用原理起偏（如（如把富含自由电子的碘附在拉伸的塑料薄膜上）。把富含自由电子的碘附在拉伸的塑料薄膜上）。17用偏振片起偏用偏振片起偏, ,在忽略偏振片的吸收的情况下在忽略偏振片的吸收的情况下出射光强出射光强021II 18二、马吕斯定律（二、马吕斯定律（MalusMalus law law）线偏振光通过偏振片线偏振光通过偏振片P P前后的光强关系：前后的光强关系： 2202200cosEEIEI ， 20cosII 0max0III ， 02 I， 消光消光改变改变 ，I 随之改变。随之改变。 I0IPP E0 E=E0cos 19三三. .

11、检偏检偏用偏振器件分析、检验光束的偏振状态用偏振器件分析、检验光束的偏振状态 称称“检偏检偏”。偏振片既可偏振片既可“起偏起偏”又可又可“检偏检偏”。设入射光可能是自然光、线偏振光设入射光可能是自然光、线偏振光或部分偏振光，如何用偏振片来区分它们？或部分偏振光，如何用偏振片来区分它们？以光线为轴转动以光线为轴转动P:P: I I不变不变？I I变有消光变有消光？I I变无消光变无消光？上述办法能区分出自然光和圆偏振光吗？上述办法能区分出自然光和圆偏振光吗？ 能区分出部分偏振光和椭圆偏振光吗？能区分出部分偏振光和椭圆偏振光吗？自然光自然光线偏振光线偏振光部分偏振光部分偏振光I?P待检光待检光20

12、 散射光的偏振简介散射光的偏振简介在入射光的激励下，在入射光的激励下，媒质分子中的电子媒质分子中的电子作受迫振动。作受迫振动。它们可视为振动电偶极子，它们可视为振动电偶极子， 向周围发射子波向周围发射子波. .振荡电偶极子电磁振荡电偶极子电磁辐射的强度是不均匀的辐射的强度是不均匀的它它 有一个角分布有一个角分布. 演示演示 : 1.: 1.起偏和检偏起偏和检偏. . 2. 2.两块相互垂直的偏振片两块相互垂直的偏振片P P1 1,P,P2 2阻挡了阻挡了 全部光强全部光强, ,若在若在P P1 1,P,P2 2之间再加一块偏振片之间再加一块偏振片 P P3 3后又怎么样后又怎么样? ? (演示

13、演示) pI( ) 振荡电偶极子电磁振荡电偶极子电磁辐射强度的角分布辐射强度的角分布21例如沿例如沿PBPB方向方向观察到的只是观察到的只是部分偏振光，部分偏振光，它的偏振度会它的偏振度会随角随角 改变而变改变而变. .天空大气分子天空大气分子散射的日光就是散射的日光就是部分偏振光部分偏振光。在自然光沿在自然光沿Z Z方向入射方向入射的情况下，的情况下，P P处发出的处发出的偶极辐射在不同方向偶极辐射在不同方向可观察到不同的偏振情况。可观察到不同的偏振情况。zx py入射自然光入射自然光 B 散射光散射光(部分偏振光部分偏振光) 散射光散射光 (线偏振光线偏振光) 散射光散射光 (自然光自然光

14、)22多次散射多次散射，可把方向的不对称抵消，可把方向的不对称抵消，从而从而可消除偏振可消除偏振。演示演示 ：光透不过两互相垂直的偏振片：光透不过两互相垂直的偏振片, ,但在其间夹一蜡纸（形成多次散射）但在其间夹一蜡纸（形成多次散射）, ,光又可以透过了。光又可以透过了。235.3 5.3 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振实验表明实验表明: :自然光在介质表面反射、折射时，自然光在介质表面反射、折射时，反射光中垂直入射面的分量比例大，反射光中垂直入射面的分量比例大，折射光中平行入射面的分量比例大。折射光中平行入射面的分量比例大。n1n2i ir自然光反射和折射自然光反射和折射后产生部分

15、偏振光后产生部分偏振光n1n2i0i0r0线偏振光线偏振光S起偏振角起偏振角24入射角入射角 i 变变反射、折射光的偏振度也变，反射、折射光的偏振度也变，当当 i=i0 时时, ,反射光只有垂直入射面的分量。反射光只有垂直入射面的分量。i0 布儒斯特角布儒斯特角, , 也叫起偏角也叫起偏角. .此时，有此时，有 i0+ro =90=90O O. .由折射定律有由折射定律有020201cossinsininrnin 21120nnntgi 布儒斯特定律布儒斯特定律25 若若 n n1 1=1.00(=1.00(空气空气) )， n n2 2=1.50(=1.50(玻璃玻璃) )。互余互余空气空气玻璃玻