第十章光的偏振2ppt课件

1、本章教学要求：本章教学要求： 了解自然光和线偏振光。了解线偏振光的获得方法了解自然光和线偏振光。了解线偏振光的获得方法和检验方法。了解布儒斯特定律及马吕斯定律。和检验方法。了解布儒斯特定律及马吕斯定律。 本章重点：本章重点： 线偏振光线偏振光,马吕斯定律马吕斯定律,布儒斯特定律。布儒斯特定律。本章难点：本章难点：偏振光的获得方法和检验方法偏振光的获得方法和检验方法,布儒斯特定律布儒斯特定律12.1 自然光与偏振光12.3 反射和折射时的偏振 布儒斯特定律12.2 偏振片 起偏和检偏前往总目录前往总目录一、偏振是横波的特性波的传播方向；横波：振动方向垂直于播方向的不对称性。偏振：振动方向对于传对

2、纵波而言，包含传播方向与振动方向所构成的平面，对纵波而言，包含传播方向与振动方向所构成的平面，哪一个都一样，没有一个显示出与另一个有什么区别或哪一个都一样，没有一个显示出与另一个有什么区别或不同。称之为：波的振动方向对传播方向具有对称性。不同。称之为：波的振动方向对传播方向具有对称性。但对横波而言，由传播方向与振动方向所构成的平但对横波而言，由传播方向与振动方向所构成的平面，与包含传播方向而不包含振动方向的其它平面面，与包含传播方向而不包含振动方向的其它平面有区别。这种区别与不同称之为：波的振动方向对有区别。这种区别与不同称之为：波的振动方向对传播方向不具有对称性。这种不对称性称之为偏振。传播

3、方向不具有对称性。这种不对称性称之为偏振。12-1 自然光和偏振光 光的动摇性光的动摇性 光的干涉、衍射光的干涉、衍射 .光波是横波光波是横波 光的偏振光的偏振 .机械横波与纵波的区别机械横波与纵波的区别机械波穿过狭缝机械波穿过狭缝二线偏振光、自然光、部分偏振光二线偏振光、自然光、部分偏振光光波是电磁波，实验阐明：引起人的视觉或引光波是电磁波，实验阐明：引起人的视觉或引起感光资料的光化学效应主要是光波中的电矢起感光资料的光化学效应主要是光波中的电矢量量 所致，因此，电矢量所致，因此，电矢量 也称为光矢量。也称为光矢量。EE播方向垂直。的振动方向与传、电磁波是横波，HEvHEXYZo1线偏振光线

4、偏振光 ：光矢量：光矢量E只限于垂直于传播方向的某只限于垂直于传播方向的某一确定平面内的光又称为平面偏振光。一确定平面内的光又称为平面偏振光。ZXYuEEuZXY表示：表示：或或表示：表示：平行于纸面振动平行于纸面振动垂直于纸面振动垂直于纸面振动振动面振动面光矢量光矢量(振动方向振动方向)与传播方向所构成的平面与传播方向所构成的平面 自然光自然光 ：普通光源发出的光中，包含着各个方：普通光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量在一切能够的方向上的振幅都相等轴向的光矢量在一切能够的方向上的振幅都相等轴对称这样的光叫自然光对称这样的光叫自然光 . 自然光以两相互垂直的不相关的无确定的相位自然光以两相

5、互垂直的不相关的无确定的相位关系、振幅相等的光振动表示关系、振幅相等的光振动表示 , 并各具有一半的振动并各具有一半的振动能量能量 .留意留意 各光矢量间无固定的相位关系各光矢量间无固定的相位关系 . 二相互垂直方向是任选的二相互垂直方向是任选的 .XY自然光自然光-在垂直于传播方向的平面内，光矢量在垂直于传播方向的平面内，光矢量对称，光矢量振动沿各个方向的概率相等。对称，光矢量振动沿各个方向的概率相等。E表示：表示：在垂直于传播方向的任在垂直于传播方向的任意两正交方向光矢量的意两正交方向光矢量的平均值相等。平均值相等。结论：自然光的横波性被发光的随机结论：自然光的横波性被发光的随机 性所破坏

6、或掩盖。性所破坏或掩盖。3部分偏振光部分偏振光光矢量的平均值在某一方向上最强，与之垂直光矢量的平均值在某一方向上最强，与之垂直的方向上最弱的偏振光。的方向上最弱的偏振光。表示：表示：3部分偏振光部分偏振光光矢量的平均值在某一方向上最强，与之垂直的方光矢量的平均值在某一方向上最强，与之垂直的方向上最弱的偏振光。向上最弱的偏振光。/于纸面的光振动的平均值于纸面的光振动的平均值垂直于纸面的光振动的平垂直于纸面的光振动的平均值。均值。 于纸面的光振动的平均值于纸面的光振动的平均值平行于纸面的光振动的平平行于纸面的光振动的平均值。均值。XYE一起偏与检偏一起偏与检偏起偏起偏-从自然光获得偏振光从自然光获

7、得偏振光检偏检偏-检查某束光能否是偏振光；检查某束光能否是偏振光；起偏振器起偏振器-从自然光获得偏振光的安装；从自然光获得偏振光的安装；检偏振器检偏振器-检查某束光能否是偏振光的安装。检查某束光能否是偏振光的安装。二偏振片及其起偏检偏二偏振片及其起偏检偏1何谓偏振片何谓偏振片透明玻璃片透明玻璃片涂有金鸡纳霜或碧硒电涂有金鸡纳霜或碧硒电气石等资料的簿膜气石等资料的簿膜Polarizer and polarization analyzer、Malus law12-2 偏振片偏振片 马吕斯定律马吕斯定律 二偏振片及其起偏检偏二偏振片及其起偏检偏1 1何谓偏振片何谓偏振片透明玻璃片透明玻璃片涂有金鸡纳

8、霜或碧硒电涂有金鸡纳霜或碧硒电气石等资料的簿膜气石等资料的簿膜自然光自然光偏振光偏振光偏振化方向偏振化方向具有竖直偏振方向具有竖直偏振方向的偏振膜。吸收了的偏振膜。吸收了程度方向的光振动程度方向的光振动2 2偏振片的用途偏振片的用途A作起偏振器作起偏振器IsIs/2B作检偏振器作检偏振器偏振光偏振光变暗变暗自然光自然光不变暗不变暗IsIs/2Is/2Is自然光自然光Is/2I0/23)3)马吕斯定律马吕斯定律P1 假设假设P1 P2的偏振化方向间的夹角不为的偏振化方向间的夹角不为0，也不，也不为为90度，那么出射的光强为多少？度，那么出射的光强为多少？200EI sin0EE 垂直方向的分量被

9、偏振片吸收，故出射的光强：垂直方向的分量被偏振片吸收，故出射的光强：202202/coscosIEEI20cosII或：或：Is自然光自然光Is/2= I0变暗变暗EE/0EIs/2P2cos0/EE 设自然光经过设自然光经过P1后的振幅为后的振幅为E0，那么光强，那么光强 振动分解有：振动分解有：马吕斯定律：强度为马吕斯定律：强度为I0的线偏振光透过偏振片的线偏振光透过偏振片 后强度变为后强度变为I=I0cos2。 为入射的偏振光的振动方向与偏振片偏振化方为入射的偏振光的振动方向与偏振片偏振化方向间的夹角。向间的夹角。EE/0EI=I0cos2线偏振光通线偏振光通过偏振片后过偏振片后I01.

10、光强改动光强改动2.依然为线偏振光依然为线偏振光,但振动方向但振动方向改动改动 角度角度.200EI P1P245cos21cos)21(2020III例：一束自然光，光强度为例：一束自然光，光强度为I0，让其出射两个偏振片，让其出射两个偏振片， 两个偏振片之间的夹角为两个偏振片之间的夹角为450，求从第二个偏振片出射，求从第二个偏振片出射的偏振光强度。的偏振光强度。02041)22(21II解：解：041II0自然光自然光I0/2。为偏振片后的透射光强度角）相等，则通过三个向的夹角（取锐与前后两片的偏振化方偏振片，其偏振化方向一片，若在两片之间再插入是向间的夹角（取锐角）化方，则此两偏振片的

11、偏振光强为若通过两个偏振片后的，的自然光垂直入射其上在一起，强度为例：两个偏振片叠加放_ _ 8/ 00II，变成偏振光。后，）自然光通过一偏振片解：（2101II 马吕斯定律有再通过另偏振片后，由20012cos4128IIII60)2(329)30(cos)30(cos210220III30角为两片的偏振化方向的夹后片，其偏振化方向与前根据题意，插入的偏振【例【例12-2】 如例如例12-2图图(a)所示，在两块偏振化方向相互所示，在两块偏振化方向相互垂直的正交偏振片垂直的正交偏振片P1和和P3之间插入另一块偏振片之间插入另一块偏振片P2，光，光强为强为I0的自然光垂直入射于偏振片的自然光

12、垂直入射于偏振片P1，求转动，求转动P2时，透时，透过过P3的光强与转角之间的关系。的光强与转角之间的关系。0I1I2II2P1P3P2A2P1P3P1A3A2132cos ,cos()2AAAA31111coscos()cossinsin222AAAA2311sin 24II1012II201sin 28II一反射和折射光中的偏振景象一反射和折射光中的偏振景象1、反射光中垂直振动、反射光中垂直振动 强于平行的振动；强于平行的振动；2、折射光中平行的振、折射光中平行的振 动强于垂直振动；动强于垂直振动；3、反射光折射光偏振、反射光折射光偏振 化的程度随入射角化的程度随入射角 的不同而不同。它的

13、不同而不同。它 们都是部分偏振光们都是部分偏振光.in2n1irPolarization of reflection and refraction.Brewsters law12-3 反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振 布儒斯特定律布儒斯特定律 二布儒斯特定律二布儒斯特定律18121812年年0i当入射角当入射角 等于一特定角等于一特定角 时，使之满足：时，使之满足：i20211tanninn 时，反射光只需垂直于时，反射光只需垂直于入射面的振动入射面的振动,变为线偏振光变为线偏振光.这个特定的角称为这个特定的角称为 布儒斯特角；布儒斯特角；此时折射光仍为此时折射光仍为 部分偏振光；部分偏振

14、光；入射角为起偏振角入射角为起偏振角 时，反射光与折射时，反射光与折射 光相互垂直。光相互垂直。n2n10i0r留意：留意：00cossinir ) 1 (sinsin1200nnri0202101sintan(2)cosininin入射角为起偏振角入射角为起偏振角 时，反射光与折射时，反射光与折射 光相互垂直。光相互垂直。证明：证明：由折射定律：由折射定律：9000ri式式12对照：对照：证毕！证毕！n2n1留意：留意：由布儒斯特定律：由布儒斯特定律：0i0r处理方法：多次反射处理方法：多次反射 和折射。和折射。玻璃堆：玻璃堆：0i问题：问题：1反射光强普通较小；反射光强普通较小；2折射光仍

15、为部分偏折射光仍为部分偏振光。振光。n2n1经过反射与折射获得偏振光经过反射与折射获得偏振光0i0rn1n2n1n200012tantan(90)t/rico inn入射角为布儒斯特角时：入射角为布儒斯特角时：由布儒斯特定律：由布儒斯特定律：即：即：当光从折射率为当光从折射率为n2的介质的介质(玻璃玻璃)入射到折射入射到折射率为率为n1(空气空气)的介质时，反射光仍为偏振光。的介质时，反射光仍为偏振光。证明证明,玻璃下外表的反射光仍为偏振光：玻璃下外表的反射光仍为偏振光：0r0r0i例例12-3 一束自然光入射到折射率分别为一束自然光入射到折射率分别为n1和和n2的两种介质的交界面上，发生反射

16、和折射。知反的两种介质的交界面上，发生反射和折射。知反射光是完全偏振光，求折射角射光是完全偏振光，求折射角r的值。的值。 201arctannin02ir21arctan2nrn解：二双折射景象二双折射景象自然光自然光O光光e光光双折射双折射双折射双折射双折射双折射方解石方解石双折射景象双折射景象-同一束光线在晶体的界面同一束光线在晶体的界面上产生折射，晶体内的折射光分为两束。上产生折射，晶体内的折射光分为两束。二寻常光和非寻常光二寻常光和非寻常光16871687年惠更斯研讨年惠更斯研讨1两束光均是线偏振光，一束叫寻常光两束光均是线偏振光，一束叫寻常光O光光 一束叫非寻常光一束叫非寻常光e光光

17、 2O光遵守折射定律，而光遵守折射定律，而e光不遵守所知的折射光不遵守所知的折射 定律。定律。11.4 双折射景象constnrio0sinsinO光光e光光二寻常光和非寻常光二寻常光和非寻常光16871687年惠更斯研讨年惠更斯研讨constriesinsin与入射角与入射角i有关有关,随随i 而而变，折射光线不一定变，折射光线不一定在入射面内。在入射面内。对对O光：光：对对e光：光：与入射角无关与入射角无关 且为定值且为定值e光在晶体中传播光在晶体中传播光速是一变化值。光速是一变化值。nvCrisinsin缘由缘由自然光自然光方解石方解石光随之旋转。入射光旋转时，不沿原方向，当晶体绕光光但

18、光射时，光的特殊现象：垂直入eereroee. 0, 00三晶体的光轴、主截面、主平面三晶体的光轴、主截面、主平面7878681021光轴光轴-当光在晶体中传播时，不发生双折射当光在晶体中传播时，不发生双折射 的方向。的方向。光轴光轴对方解石而言：光轴是从对方解石而言：光轴是从102 纯角引直线，使之和它各边纯角引直线，使之和它各边 成等角成等角68的直线的直线OO留意：留意：光轴仅代表一个方向，光轴仅代表一个方向， 与与OO平行的线都是光轴。平行的线都是光轴。有两个光轴的晶体称双晶体云母、硫磺等有两个光轴的晶体称双晶体云母、硫磺等仅有一个光轴的晶体称单晶体如方解石、石英仅有一个光轴的晶体称单

19、晶体如方解石、石英OO2 2o o光光e e与光在晶体中的光速与折射率与光在晶体中的光速与折射率01vo度相同；均为光沿晶体各方向传播速）（2在垂直于光轴方向，o,e两光传播速度差别最大设该方向e光速度为ve,e光在该方向的折射率为eevcn O光在晶体中的折射率都为：oovcn 我们称no、ne为主折射率。2e光在晶体中的传播速度介于vo与ve之间；e光在晶体中的折射率介于no和ne之间.1o光在晶体中的传播速度为vo；o光的折射率为no.结论：结论：光轴光轴3 3主截面主截面-晶面法线与光轴组成的平面晶面法线与光轴组成的平面主截面是由许多平行平面构成。主截面是由许多平行平面构成。4主平面主

20、平面-光轴和晶体内任光轴和晶体内任一条折射光线组成的平面。一条折射光线组成的平面。O光与光与e光都有各自的主光都有各自的主平面，入射面在主截面平面，入射面在主截面内时，内时，O光光e光的主平面光的主平面重合并同在主截面内。重合并同在主截面内。留意：留意： 入射面在主截面内时入射面在主截面内时,o光光e光的振动方向相互垂直光的振动方向相互垂直且且o光为振动方向垂直于主截面的偏振光即与光光为振动方向垂直于主截面的偏振光即与光轴垂直；轴垂直；e光为振动面平行于主截面的偏振光。光为振动面平行于主截面的偏振光。n 102787878光轴光轴入射面在主截面内时，入射面在主截面内时，o光光e光的振动方向相互

21、光的振动方向相互垂直，且垂直，且o光为振动方向垂直于主截面的偏振光；光为振动方向垂直于主截面的偏振光；e光为振动方向在主截面的偏振光；光为振动方向在主截面的偏振光；n 78O光光e光光定。方向与主截面的夹角而两光的振幅大小视偏振、则偏振光入射时光振幅相等、自然光入射oeoe,;,)2(两束偏振光而言的，出射后的仅是针对晶体内部光的区别光、eo ) 1 (规律传播。介质中，仍按通常质区别，即在其它并无本阐明：阐明：78n evv 0不同的晶体，不同的晶体，e光折射率：光折射率：让光垂直于光轴入射，对让光垂直于光轴入射，对n e可以可以也可也可也可也可v0正晶体正晶体-负晶体负晶体-evv 0在晶

22、体内一个点波在晶体内一个点波源发光的波阵面：源发光的波阵面：78光轴光轴正晶体正晶体负晶体负晶体o光光e光光光轴光轴5 5负晶体与正晶体负晶体与正晶体光轴光轴四用惠更斯原了解释双折射景象四用惠更斯原了解释双折射景象先明确一个概念：在各向同性的介质中，先明确一个概念：在各向同性的介质中，波面法线与光线的方向一致，即光线与波面垂直波面法线与光线的方向一致，即光线与波面垂直光线是能量传播的方向。光线是能量传播的方向。但在各向异性介质中，但在各向异性介质中，光线只是能量传播的方向。波面法线并不一定是光线只是能量传播的方向。波面法线并不一定是光传播的方向了。如晶体中光传播的方向了。如晶体中e光传播的方向

23、就不光传播的方向就不一定与波阵面垂直，光传播的方向要看能量传播一定与波阵面垂直，光传播的方向要看能量传播的方向。的方向。o光光e光光晶体晶体光轴光轴光轴光轴负晶体负晶体1入射面与主截面平行的情况入射面与主截面平行的情况A光轴与晶体外表有一夹角斜入射光轴与晶体外表有一夹角斜入射负晶体负晶体1入射面与主截面平行的情况入射面与主截面平行的情况B光轴与晶体外表有一夹角正入射光轴与晶体外表有一夹角正入射自然光自然光光轴光轴负晶体负晶体C光轴与晶体外表平行正入射光轴与晶体外表平行正入射自自然然光光o光光e光光光轴光轴O e二光经过厚度二光经过厚度d的光程差：的光程差：dnnoe)(4/2/四分之一波片四分之一波片二分之一波片半波片二分之一波片半波片结论：结论：evv 0enn 0有双折射。有双折射。自自然然光光o光光e光光光轴光轴负晶体负晶体D光轴与晶体外表垂直正入射光轴与晶体外表垂直正入射A A光轴与晶体外表平行斜入射光轴与晶体外表平行斜入射负晶体负晶体2 2入射面与主截面垂直的情况入射面与主截面垂直的情况o光光e光光光轴光轴自然光自然光负晶体负晶体o光光e光光光轴光轴朝左看朝左看看到了！看到了！光轴光轴A光轴与晶体外表平行斜入射光轴与晶体外表平行斜入射负晶体负晶体2入射面与主截面垂直的情况入射面与主截面