第十三章波动光学

1、光学发展史几何光学：几何光学：17-1817-18世纪，牛顿的微粒学说世纪，牛顿的微粒学说波动光学：波动光学：1919世纪，惠更斯的波动学说世纪，惠更斯的波动学说 （干涉、衍射、偏振）（干涉、衍射、偏振）量子光学：量子光学：2020世纪初，光的波粒二象性世纪初，光的波粒二象性现代光学：现代光学：2020世纪世纪6060年代，信息光学年代，信息光学 1678 1678年向法国科学院提交了著作年向法国科学院提交了著作光论光论, ,在书中，他把光假设为在书中，他把光假设为波波( (是纵波是纵波) )，并由此推导和解释了，并由此推导和解释了光的直线传播、反射和折射定律，光的直线传播、反射和折射定律，但

2、书中未提到关于白色光可以分解但书中未提到关于白色光可以分解为各种颜色的问题。为各种颜色的问题。荷兰物理学家惠更斯荷兰物理学家惠更斯(Hugeness, (Hugeness, 1629.4.14-1695.6.81629.4.14-1695.6.8） 与惠更斯同时代的人，认为与惠更斯同时代的人，认为光是粒子。牛顿的声望很高，人们光是粒子。牛顿的声望很高，人们认为他就是科学界的主宰，甚至被认为他就是科学界的主宰，甚至被当作偶像崇拜，为此惠更斯后半生当作偶像崇拜，为此惠更斯后半生几乎不能发表言论。几乎不能发表言论。光的波动理论也因此停止发展。光的波动理论也因此停止发展。牛顿牛顿设计了光的衍射实验并进

3、行了设计了光的衍射实验并进行了大量的数学运算，成为大量的数学运算，成为“波动波动光学的缔造者光学的缔造者”。法国物理学家菲涅耳法国物理学家菲涅耳（Augustan Jean Fresnel, Augustan Jean Fresnel, 1788.5.10-1827.7.141788.5.10-1827.7.14）100100年后，年后，英国物理学家托马斯英国物理学家托马斯杨杨（Thomas Thomas Young,1773.6.13- 1829.5.10Young,1773.6.13- 1829.5.10）于）于18011801年提出年提出了双缝干涉理论了双缝干涉理论, , 并第一次测量了

4、光波的波长，并第一次测量了光波的波长，使光的波动学说开始复兴，使光的波动学说开始复兴， 惠更斯的理论重新得以承认。惠更斯的理论重新得以承认。1 1、光是什么？、光是什么？可见光是波长在可见光是波长在400400760nm760nm间的电磁波，是横波。间的电磁波，是横波。2 2、光的本性？、光的本性？光具有波粒二象性光具有波粒二象性3 3、波动光学研究内容？、波动光学研究内容？波动光学讨论的是光学的微观现象，如光的波长、波动光学讨论的是光学的微观现象，如光的波长、频率、相位差、振动方向、振幅等。频率、相位差、振动方向、振幅等。4 4、波动光学基本现象、波动光学基本现象波动光学的三个基本现象是：干

5、涉、衍射、偏振波动光学的三个基本现象是：干涉、衍射、偏振 。第一节第一节 光的干涉光的干涉1、产生光干涉现象的条件（、产生光干涉现象的条件（相干波的条件）相干波的条件）.频率相同、振动方向相同、位相差恒定频率相同、振动方向相同、位相差恒定;满足此三个条件满足此三个条件的光称为相干光，能够产生相干光的光源称为相干光源的光称为相干光，能够产生相干光的光源称为相干光源.普通光源普通光源 都不是相干光源，不能产生相干光。都不是相干光源，不能产生相干光。原因：原子发光是随机的，间歇性的，两原因：原子发光是随机的，间歇性的，两列光波的频率、振动方向不可能一致，相列光波的频率、振动方向不可能一致，相差不可能

6、恒定差不可能恒定较简单的方式是电子跃迁发光较简单的方式是电子跃迁发光：光的产生处于激发状态的电处于激发状态的电子会发生跃迁，把子会发生跃迁，把多余的能量以光的多余的能量以光的形式辐射，产生一形式辐射，产生一个光波列个光波列或称为光或称为光子。子。使电子激发辐射光子的原因很多，如：光照、加热、使电子激发辐射光子的原因很多，如：光照、加热、碰撞等。碰撞等。h h = = ( (E E2 2-E-E1 1) )1)1)光子能量光子能量波列长波列长 L = L = c c ：1010-8-8s s2)2)光波列光波列跃迁是随机的跃迁是随机的,产生光波的产生光波的频率、振动方向不可能一频率、振动方向不可

7、能一致，相差不可能恒定致，相差不可能恒定太阳光大量光波列形成大量光波列形成了光。太阳光即了光。太阳光即由大量的不同波由大量的不同波长、振动方向各长、振动方向各异的波列组成。异的波列组成。分波阵面方法分波阵面方法分振幅的方法分振幅的方法2. 2. 获得相干光的途径（方法）获得相干光的途径（方法）pS * *分波面法分波面法分振幅法分振幅法p薄膜薄膜S S * *从同一波阵面上的不同部分产生次级波相干从同一波阵面上的不同部分产生次级波相干 利用光的反射和折射将同一光束分割成振幅利用光的反射和折射将同一光束分割成振幅较小的两束相干光较小的两束相干光3 3、相干长度、相干长度( (产生干涉的另一个条件

8、产生干涉的另一个条件) )能够产生干涉现象的最大光程差称为相干长度能够产生干涉现象的最大光程差称为相干长度,相干长度等于一个波列的长度相干长度等于一个波列的长度光程差大于相干长度就没有干涉现象光程差大于相干长度就没有干涉现象1 1、实验：光在不同媒质中传播，相同时间内走过的路、实验：光在不同媒质中传播，相同时间内走过的路程不同程不同, ,但相位的改变相同，故从相位的角度来看但相位的改变相同，故从相位的角度来看L L和和S S是等效的。是等效的。 二、光程二、光程(optical path)(optical path)和光程差和光程差蚌埠医学院蚌埠医学院魏魏杰制作杰制作光在真空中传播几何路程为光

9、在真空中传播几何路程为S S时，相位变化：时，相位变化：光在折射率为光在折射率为n n的介质中，传播几何路程为的介质中，传播几何路程为L L，则，则相位变化：相位变化：?LLn2n2L2?S2 两式相等得：两式相等得： S=nL2 2、光程、光程(optical path)(optical path) ： 折射率折射率n n与与L L的乘积的乘积称为光程。称为光程。 注意：引入光程的作用是：把光在媒质中的路程等注意：引入光程的作用是：把光在媒质中的路程等效成真空中的路程，光程常用效成真空中的路程，光程常用表示，表示，=n=nL L二、光程二、光程(optical path)(optical p

10、ath)和光程差和光程差2 2重点重点内容内容几点说明：1.1.光在不同折射率光在不同折射率n n1 1、n n2 2、 的媒质中走过的路的媒质中走过的路程若为程若为L L1 1、L L2 2、，则：，则：总光程为：总光程为： =n=n1 1L L1 1+ n+ n2 2L L2 2+ + nL L1 1L L2 2ab2.2.光程差光程差：即两光程之差，通常也用：即两光程之差，通常也用表示表示光程差与相位差的关系光程差与相位差的关系 蚌埠医学院蚌埠医学院魏魏杰制作杰制作S1S2r1r2dnp解：解：12LL 12rnddr dnrr112例例 如图，在如图，在S S2 2P P 间插入折射率

11、为间插入折射率为n n、厚度为、厚度为d d 的媒质。的媒质。求：光由求：光由S S1 1、S S2 2 到到 P P 的光程差的光程差 。 三、三、 杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验 1. 实验装置实验装置k=+1k=-2k=+2k= 0k=-1S1S2S*Ip1s2ssxo实实 验验 装装 置置d1r2rdD DDxtansinBDxd21sinrrd光程差光程差(propagation difference)(21)2k 减弱减弱kxdD加强加强,2, 1 ,0k(21)2Dkd暗纹暗纹2. 明暗纹的位置明暗纹的位置xdDk明纹明纹,2, 1 ,0k 1.p1s2ssxoo实实 验验 装

12、装 置置d1r2rxdD,DB(1)(1)一系列平行的明暗相一系列平行的明暗相间的条纹；间的条纹； (2)(2)条纹等间距条纹等间距dDx 3 3、条纹特点：、条纹特点：杨氏双缝实验第一次测定了波长这个重要的物理量杨氏双缝实验第一次测定了波长这个重要的物理量x（1 1）若改变入射光波的波长，干涉条纹间距如何变化？）若改变入射光波的波长，干涉条纹间距如何变化？思考思考) 1(k条纹间距条纹间距 dDx（2 2）若改变）若改变S S1 1、S S2 2两条缝两条缝的缝间间距，干涉条纹间距如的缝间间距，干涉条纹间距如何变化？何变化？ 一定时，若一定时，若 变化，则变化，则 将怎样变化？将怎样变化？D

13、d、x1）dDx白光照射时，出现什么样的条纹？白光照射时，出现什么样的条纹？2） 条纹间距条纹间距 与与 的关系如何？的关系如何？xd 一定时，一定时，D、dDx例例1 1 以单色光照射到相距为以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上的双缝上, ,双缝与屏幕双缝与屏幕的垂直距离为的垂直距离为1m。(1) (1) 从第一级明纹到同侧的第四级明从第一级明纹到同侧的第四级明纹的距离纹的距离7.5mm，求单色光的波长；，求单色光的波长； (2) (2) 若入射光的波若入射光的波长为长为600nm, ,求相邻两明纹间的距离。求相邻两明纹间的距离。解（解（1 1）,0, 1,2,kDxkkd14414 1D

14、xxxd14500nm3xdDndDdDxn实验装置放入水中后条纹间距变小。实验装置放入水中后条纹间距变小。例例1 1 将双缝干涉装置由空气中放入水中时，将双缝干涉装置由空气中放入水中时， 屏上的干涉条纹有何变化？屏上的干涉条纹有何变化？空气水xx用折射率用折射率 n =1.58 的很薄的云母片覆盖在双缝实验中的一条的很薄的云母片覆盖在双缝实验中的一条缝上，这时屏上的第七级亮条纹移到原来的零级亮条纹的缝上，这时屏上的第七级亮条纹移到原来的零级亮条纹的位置上。如果入射光波长为位置上。如果入射光波长为 550 nm解解 设云母片厚度为设云母片厚度为 d 。无云母片时，零级亮纹在屏上。无云母片时，零

15、级亮纹在屏上 P 点，点，则到达则到达 P 点的两束光的光程差为零。加上云母片后，到达点的两束光的光程差为零。加上云母片后，到达P点的两光束的光程差为点的两光束的光程差为dn) 1( 当当 P P 点为第七级明纹位置时点为第七级明纹位置时 7mm106615811055071736.nd例例2求求 此云母片的厚度是多少？此云母片的厚度是多少？dP1sPM2sd dPL四、劳埃德镜四、劳埃德镜(Lloyd mirror)实验实验四、劳埃德镜四、劳埃德镜(Lloyd mirror)实验实验反射光发生了相位为反射光发生了相位为的突变，相当于光波多走的突变，相当于光波多走了（或少走了）半个波长的距离，

16、此现象称为半了（或少走了）半个波长的距离，此现象称为半波损失（波损失（half-wavelength loss）。）。思考：思考：光屏移到光屏移到紧贴住反紧贴住反射镜的端射镜的端面处，该面处，该处会出现处会出现眀纹还是眀纹还是暗纹？暗纹？四、四、劳埃劳埃德镜德镜(Lloyd mirror)实验实验半波损失完整表述：光从光疏介质射向光密媒质半波损失完整表述：光从光疏介质射向光密媒质在表面发生反射时在表面发生反射时,反射光会多走（或少走）半反射光会多走（或少走）半个波长，此现象称为半波损失。个波长，此现象称为半波损失。五、薄膜干涉（五、薄膜干涉（分振幅干涉分振幅干涉） 光照射到透明薄膜上，在膜的前

17、后表面都会反射，反射光光照射到透明薄膜上，在膜的前后表面都会反射，反射光1 1和和2 2相遇后会叠加，相遇后会叠加，产生干涉，这种现象称为产生干涉，这种现象称为薄膜干涉薄膜干涉。美洲大闪蝶美洲大闪蝶反射光反射光1 1和和2 2干涉加强、减弱的条件干涉加强、减弱的条件. .p薄膜薄膜S S * *补充：薄透镜的等光程性补充：薄透镜的等光程性 A、B光线光线 在在F点点会聚，互相加强会聚，互相加强AF的光程与的光程与BF的光程相等，的光程相等， AF比比BF经过的几经过的几何路程长，但何路程长，但BF在透镜中经过的路程比在透镜中经过的路程比AF长，长，透镜折射率大于透镜折射率大于1，因此光程相等。

18、，因此光程相等。解解释释FAB结论：与光束正交的波面上各点到透镜焦平面结论：与光束正交的波面上各点到透镜焦平面 上像点的光程相同。上像点的光程相同。 削弱的条件是削弱的条件是： 2ne +/2 =2ne +/2 =(2k+1)/2(2k+1)/2 加强的条件是：加强的条件是： 2121=2ne+/2=k=2ne+/2=k 光近似垂直入射到薄膜上，光近似垂直入射到薄膜上，光线光线1 1、2 2间的光程差间的光程差2121是多少？是多少？ 21= 2ne +/2 （光线垂直入射）e2 21 1n n判断以下几种情况有无附加光程差判断以下几种情况有无附加光程差: 1.n1n2n3 2.n1n2n3

19、3.n1n3 4.n1n2 n )a 六、劈尖的干涉六、劈尖的干涉 牛顿环牛顿环一、等厚干涉一、等厚干涉膜上厚度相同的位置膜上厚度相同的位置有相同的光程差对应有相同的光程差对应同一级条纹，固称为同一级条纹，固称为薄膜等厚干涉薄膜等厚干涉。 二二. . 劈尖劈尖干涉干涉（劈形膜）（劈形膜）夹角很小的两个平面所构成的薄膜夹角很小的两个平面所构成的薄膜rad 101054 ： 空气劈尖空气劈尖 1n2n1n实心劈尖实心劈尖棱边棱边楔角楔角平行单色光垂直照射实心劈尖上，上、下表面的平行单色光垂直照射实心劈尖上，上、下表面的反射光将产生干涉，厚度为反射光将产生干涉，厚度为e 处，两相干光的光处，两相干光

20、的光程差为程差为实心劈尖：实心劈尖：n1=1,垂直入射垂直入射i=022ne干涉条件干涉条件暗条纹明条纹3 , 2 , 12) 12(3 , 2 , 122kkkkne劈尖上厚度相同的地方，两相干光的光程差相同，对劈尖上厚度相同的地方，两相干光的光程差相同，对应一定应一定k值的明或暗条纹。值的明或暗条纹。棱边处，棱边处，e=0,=/2，出现暗条纹，出现暗条纹有有“半波损失半波损失”实心劈尖任意相邻明条纹对应的实心劈尖任意相邻明条纹对应的厚度差：厚度差：)2/(1neekksin2sin1neelkkhlke1 ke任意相邻明条纹任意相邻明条纹(或暗条纹或暗条纹)之间之间的距离的距离 l 为：为

21、：在入射单色光一定时，劈尖的楔角在入射单色光一定时，劈尖的楔角愈小，则愈小，则l愈大，愈大，干涉条纹愈疏；干涉条纹愈疏； 愈大，则愈大，则l愈小，干涉条纹愈密。愈小，干涉条纹愈密。当用白光照射时，将看到由劈尖边缘逐渐分开的当用白光照射时，将看到由劈尖边缘逐渐分开的彩色直条纹。彩色直条纹。劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用1 检测工件是否平整检测工件是否平整等厚条纹等厚条纹待测工件待测工件平晶平晶劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用2 测定样品的热膨胀系数测定样品的热膨胀系数样品样品平板玻平板玻璃璃石英圆石英圆环环物件向上平移物件向上平移/4的距离，上下表面的两反射光的的距离，上下表面的两反射光的光程差增加光

22、程差增加/2。劈尖各处的干涉条纹发生。劈尖各处的干涉条纹发生明明到暗到暗(或或暗暗到明到明)的变化。如果观察到某处干涉条纹变的变化。如果观察到某处干涉条纹变化了化了N次，即表明劈尖的上表面平移了次，即表明劈尖的上表面平移了N/4的距的距离。离。三、牛顿环三、牛顿环 (等厚干涉特例等厚干涉特例) 暗条纹明条纹21021232122,)(,kkkke 空气薄层中，任一厚度空气薄层中，任一厚度e处上下表面反射光的干涉条件：处上下表面反射光的干涉条件：eoRre=0,两反射光的光程差两反射光的光程差 =/2，为暗斑。，为暗斑。牛顿环牛顿环是牛顿在是牛顿在16751675年首先观察到的是年首先观察到的是

23、牛顿在考察胡克研究的肥皂泡薄膜的色彩问题牛顿在考察胡克研究的肥皂泡薄膜的色彩问题时提出来的。按理说，牛顿环乃是光的波动性时提出来的。按理说，牛顿环乃是光的波动性的最好证明之一，可牛顿却不从实际出发，而的最好证明之一，可牛顿却不从实际出发，而是从他所信奉的微粒说出发来解释牛顿环的形是从他所信奉的微粒说出发来解释牛顿环的形成。直到世纪初，英国科学家托马斯成。直到世纪初，英国科学家托马斯杨才杨才用光的波动说完满地解释了牛顿环实验。用光的波动说完满地解释了牛顿环实验。 级暗纹对应的空气层厚度为的级暗纹对应的空气层厚度为的半径：半径：已知：已知：R求解：级暗纹对应的半径求解：级暗纹对应的半径eoRr 暗

24、条纹明条纹21021232122,)(,kkkke Re22reR 略去略去e2暗干涉条纹的半径：暗干涉条纹的半径：暗条纹210 , kkRr 随着牛顿环半径的增大，条纹变得越来越密。随着牛顿环半径的增大，条纹变得越来越密。22222eeRRr Re)(得得eoRr第二节第二节 光的衍射光的衍射 1、光的衍射现象：、光的衍射现象： 光离开直线路径绕过障碍物阴影里去的现象光离开直线路径绕过障碍物阴影里去的现象叫做光的衍射现象。叫做光的衍射现象。 2、明显衍射的条件、明显衍射的条件 障碍物或狭缝的尺寸比波长小或者跟波长相障碍物或狭缝的尺寸比波长小或者跟波长相差不多差不多 3、物理意义：、物理意义：

25、 光的衍射现象证明光是一种波光的衍射现象证明光是一种波 圆孔衍射圆孔衍射单缝衍射单缝衍射PH*SG*S 波的衍射波的衍射媒质中波阵面上的每一点都是新波源，向各个方向发出子媒质中波阵面上的每一点都是新波源，向各个方向发出子波，子波若在传播过程中相遇，即会迭加，产生干涉。此波，子波若在传播过程中相遇，即会迭加，产生干涉。此即即惠更斯惠更斯- -菲涅耳原理菲涅耳原理。4、衍射产生的原因5 5、衍射分类、衍射分类S SE E菲涅耳衍射：菲涅耳衍射：光源、屏与缝光源、屏与缝相距有限远相距有限远射向无穷远射向无穷远来自无穷远来自无穷远夫琅禾费衍射：夫琅禾费衍射：光源、屏与缝相光源、屏与缝相距无限远距无限远

26、根据光源、衍射屏与接受屏的距离，通常将衍射分两类。根据光源、衍射屏与接受屏的距离，通常将衍射分两类。单缝单缝S SA AB B夫琅禾费衍射的实现夫琅禾费衍射的实现一、单缝衍射一、单缝衍射干涉是有限光束之间的干涉，干涉是有限光束之间的干涉，衍射是无限光束之间的干涉。衍射是无限光束之间的干涉。二、结论：二、结论： 若若asin不能正好等于半波长的整数倍，则不能正好等于半波长的整数倍，则P P点的点的光强介于最明和最暗之间。光强介于最明和最暗之间。sin(1,2,)sin(21)2(1,2,)sin0akkakka暗纹明纹中央明纹三、 明纹宽度明纹宽度两个一级暗纹中心之间的宽度称为中央明纹两个一级暗

27、纹中心之间的宽度称为中央明纹宽度，用宽度，用XX0 0表示。表示。出现暗纹的条件是：出现暗纹的条件是：asinatgasinatg =ax/f= =ax/f=kk即即 X=X=kf/a kf/a ， 中央明纹宽度：中央明纹宽度：X X0 0= =X X1 1X X-1-1=2f/a=2f/a其他其他明纹宽度明纹宽度: : X=f/aX=f/aA AB Bf fa aX X1 1X X-1-1X X2 2X X1 1I IX X0 0相邻两暗纹中心之间的宽度称为明纹宽度，用相邻两暗纹中心之间的宽度称为明纹宽度，用X X表示表示X X2 2X X1 1X X2 2X X1 1X X1 1X X-1

28、-1X X1 1X X-1-1X X1 1X X- -1 1单缝衍射光强分布图单缝衍射光强分布图红光衍射现象：明纹的亮度主要集中在中央红光衍射现象：明纹的亮度主要集中在中央明纹上，其它明纹的亮度随着明纹上，其它明纹的亮度随着k k的增加而快的增加而快速下降，其它明纹的宽度为中央明纹宽度的速下降，其它明纹的宽度为中央明纹宽度的一半。明纹的宽度与缝宽成反比，当缝宽较一半。明纹的宽度与缝宽成反比，当缝宽较大时，衍射不明显。大时，衍射不明显。若用白光若用白光照射，将看到彩色衍射条纹。照射，将看到彩色衍射条纹。光栅衍射光栅衍射一、光栅一、光栅 光栅常数光栅常数1.1.定义：平行排列在一起的许多等间距、等

29、宽度定义：平行排列在一起的许多等间距、等宽度的狭缝组成的光学元件叫光栅。的狭缝组成的光学元件叫光栅。d da+ba+b称为光栅常数称为光栅常数abxf0屏屏 ()absin +相邻两缝光相邻两缝光线的光程差线的光程差多缝干涉效应多缝干涉效应相邻狭缝对应点在衍射角相邻狭缝对应点在衍射角 方向上的光程差满足：方向上的光程差满足：(a+b)sin = k k= 0, 1, 2, 3 则它们相干加强，形成明条纹。狭缝越多，条纹就越则它们相干加强，形成明条纹。狭缝越多，条纹就越明亮。明亮。上式称为光栅方程。上式称为光栅方程。. .光栅衍射分析光栅衍射分析 xf0屏屏ab ()a b sin +缺级满足关

30、系缺级满足关系得得从从kdsinkasin和和kkad), 2, 1(kkadk缺缺则则如如果果9,6, 33ad3 3、缺级满足的关系、缺级满足的关系例例1 光栅在光栅在2.54cm 中有中有15000 条缝，测得第一级明条缝，测得第一级明纹的衍射角为纹的衍射角为 =1340 。 (1) 求光波波长；求光波波长；(2) 最最多能看到第几级条纹。多能看到第几级条纹。解：解：424422 .sin)ba(k)(maxmaxmax m.sin)ba(.ba)(721099315000105421 )ba(kmax例例2、波长为、波长为6000的单色光垂直入射在一光栅上，的单色光垂直入射在一光栅上，

31、第二级明纹出现在第二级明纹出现在sin 2=0.2处，第处，第4级为第一个缺级为第一个缺级。求级。求(1)光栅上相邻两缝的距离是多少？光栅上相邻两缝的距离是多少？(2)狭缝的狭缝的宽度是多少？宽度是多少？(3)按上述选定的按上述选定的a、b值，实际上能观值，实际上能观察到的全部明纹数是多少？察到的全部明纹数是多少？解解: (1) kba sin)(mkba 6sin)( 1,4)1()()2(min kaakabkabak取取madbmbaa 5 . 45 . 14minmin max1sin,)3(kk ，当当由由光光栅栅方方程程 106 . 06max mmbak 在在 -900 sin

32、900 范围内可观察到的明纹级数为范围内可观察到的明纹级数为k=0, 1, 2, 3, 5, 6, 7, 9,共共15条明纹。条明纹。第三节第三节 偏振光概述偏振光概述光的干涉和衍射现象：光的干涉和衍射现象：光的波动性光的波动性光的偏振和在光学各向异性晶体中的双折射光的偏振和在光学各向异性晶体中的双折射现象：现象：光的横波性光的横波性光矢量的振动相对于传播方向的不对称性，光矢量的振动相对于传播方向的不对称性，称为光的偏振性称为光的偏振性。横波和纵波的区别横波和纵波的区别偏振偏振 纵波：振动方向与传播方向一致，不存在偏振问题；纵波：振动方向与传播方向一致，不存在偏振问题； 横波：振动方向与传播方

33、向垂直，存在偏振问题。横波：振动方向与传播方向垂直，存在偏振问题。最常见的偏振光有五种最常见的偏振光有五种: :自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。圆偏振光。E E、B B都垂直于传播方向都垂直于传播方向x(x(是横波是横波) )，且互相垂直，且互相垂直E EB B光矢量光矢量: :引起感光作用和生理作用的主要是引起感光作用和生理作用的主要是E E矢量，矢量，E E矢量称为光矢量，常用矢量称为光矢量，常用E E代表光波的振动方向代表光波的振动方向一、自然光和偏振光一、自然光和偏振光一、自然光和偏振光一、自然光和偏振光一、自然光和偏振光一

34、、自然光和偏振光（1 1）自然光：普通光源发出的光、阳光都是自然光。）自然光：普通光源发出的光、阳光都是自然光。由于原子发光的间歇性和无规则性，使得由于原子发光的间歇性和无规则性，使得普通光源发普通光源发出的光的光矢量在垂直于传播方向的平面内一切可能出的光的光矢量在垂直于传播方向的平面内一切可能的方向，且没有哪一个方向占有优势的方向，且没有哪一个方向占有优势。各个方向上光各个方向上光振动振幅相同的光，称为振动振幅相同的光，称为自然光自然光。符号表示符号表示vE （）（） 偏振光偏振光（线偏振光、平面偏振光）（线偏振光、平面偏振光）符号表示符号表示 部分偏振光部分偏振光 ：某一方向的光振动比与之

35、垂直方：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光向上的光振动占优势的光为部分偏振光 .符号表示符号表示光振动只沿某一固定方向的光光振动只沿某一固定方向的光 .振动面振动面vE一、自然光和偏振光一、自然光和偏振光v 由起偏器产生偏振光由起偏器产生偏振光v 由反射产生偏振光由反射产生偏振光v 由双折射产生偏振光由双折射产生偏振光二、获得偏振光的方法二、获得偏振光的方法1. .起偏器起偏器 在光学中，某些物质能有选择的吸收某一个方向在光学中，某些物质能有选择的吸收某一个方向的光振动，而只允许某个特定方向的光振动通过，物的光振动，而只允许某个特定方向的光振动通过，物质的这种性质称

36、为二向色性。自然光通过这种介质，质的这种性质称为二向色性。自然光通过这种介质，就能去掉自然光中某一方向的光振动而形成偏振光。就能去掉自然光中某一方向的光振动而形成偏振光。起偏：将自然光转变成偏振光的过程。起偏：将自然光转变成偏振光的过程。如：天然晶体中，电气石具有很强的二向色性如：天然晶体中，电气石具有很强的二向色性。 偏振片有一个特定的方向，只让平行偏振片有一个特定的方向，只让平行与该方向的振动通过。我们把与该方向的振动通过。我们把允许特定光允许特定光振动通过的方向称为透射轴或振化方向振动通过的方向称为透射轴或振化方向一、由起偏器产生偏振光一、由起偏器产生偏振光P120II S0I光强光强I

37、0的自然光通过偏振片后光强变为多少的自然光通过偏振片后光强变为多少?该偏振片可以从自然光中取得偏振光该偏振片可以从自然光中取得偏振光所以所以称为起偏器称为起偏器理想偏振片理想偏振片检偏器检偏器 检检 偏偏起偏器起偏器2 2、检偏器、检偏器：用来检验某一束光是否偏振光。：用来检验某一束光是否偏振光。3 3、马吕斯定律、马吕斯定律 线线偏振光偏振光通过偏振片后的光强通过偏振片后的光强0I？Ix通光方向通光方向y0A20cosII 线偏振光线偏振光cos0AA 解解 ： 由马吕斯定律由马吕斯定律 ,I81cosI21020 41cos2 60 例例 两个偏振片叠放在一起，强度为两个偏振片叠放在一起，

38、强度为I I0 0的入射的入射 自然光垂直照射其上，透射光强为自然光垂直照射其上，透射光强为I I0 0 /8/8， 求：这两个偏振片的偏振化方向的夹角？求：这两个偏振片的偏振化方向的夹角？二、由反射光得到偏振光（布鲁斯特定律）二、由反射光得到偏振光（布鲁斯特定律）1.一般入射角的情况一般入射角的情况反射光反射光 折射光都是折射光都是部分偏振光部分偏振光 反射光中反射光中 垂直入射面振动占优势垂直入射面振动占优势折射光中折射光中平行入射面振动占优势平行入射面振动占优势2.特殊入射角的情况特殊入射角的情况1 ) ) 两光偏振状态两光偏振状态反射光反射光 - 完全偏振光完全偏振光折射光折射光 -

39、部分偏振光部分偏振光入射角满足一定条件时入射角满足一定条件时00090r i（1812年）年）120tginn120tginn1n2n0r由折射定律由折射定律1200sinisinnnr布儒斯特定律布儒斯特定律i i0 0称为布儒斯特角称为布儒斯特角可以证明：当入射角等于可以证明：当入射角等于i0时，反射光为完全偏振光时，反射光为完全偏振光i00cossini0rbb对于一般的光学玻璃对于一般的光学玻璃 , ,反射光的强度约占入射光强度反射光的强度约占入射光强度的的7.5% , , 大部分光将透过玻璃大部分光将透过玻璃. .用玻璃片堆后，用玻璃片堆后，产生线偏振光产生线偏振光例题：例题：已知某

40、材料在空气中的布儒斯特角已知某材料在空气中的布儒斯特角求它的折射率？若将它放在水中（水的折射率求它的折射率？若将它放在水中（水的折射率 为为 1.33），求布儒斯特角？该材料对水的相对），求布儒斯特角？该材料对水的相对 折射率折射率是多少？是多少？058bi解：设该材料的折射率为解：设该材料的折射率为 n ，空气的折射率为，空气的折射率为1，6 . 1599. 15810tgntgib放在水中，则对应有放在水中，则对应有2 . 133. 16 . 1水nntgib03 .50bi所以：该材料对水的相对折射率为该材料对水的相对折射率为1.2（1）测不透明介质的折射率。）测不透明介质的折射率。（2）制作偏振摄像镜头、太阳镜、棱镜等光学器件。）制作偏振摄像镜头、太阳镜、棱镜等光学器件。应用：应用：（C C）用偏光镜用偏光镜消除消除了了反射偏振光反射偏振光 使使玻璃门内的人物玻璃门内的人物清晰可见清晰可见（A A）玻璃门玻璃门表面的表面的反光很强反光很强（B B）用偏光镜用偏光镜减弱减弱了反射偏振光了反射偏振光象象折射现折射现双双折射现折射现方解石晶体方解石晶体CaCO3纸面纸面 三、由双折射得到偏振光三、由双折射得到偏振光一、各向异性晶体中的双折射现象一、各向异性晶体中