大学物理第8章

1、18.1 光的偏振态光的偏振态8.2 偏振片的偏振片的起偏和检偏起偏和检偏8.3 反射和折射的偏振反射和折射的偏振 8.4 光的双折射光的双折射光的偏振光的偏振（polarization of light）2光的干涉和衍射现象显示了光的波动特性，但还不能完全光的干涉和衍射现象显示了光的波动特性，但还不能完全断定光是纵波还是横波。断定光是纵波还是横波。 光的偏振现象从实验上清楚地显示出光的横波性，这一点与光的偏振现象从实验上清楚地显示出光的横波性，这一点与光的电磁理论的预言一致。光的电磁理论的预言一致。 偏振偏振光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去

2、对称性的现象。只有横波才能产生偏振失去对称性的现象。只有横波才能产生偏振 现象，故光现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。的偏振是光的波动性的又一例证。 利用光的偏振现象发明了立体电影，照相技术中用于消除利用光的偏振现象发明了立体电影，照相技术中用于消除不必要的反射光或散射光。光在晶体中的传播与偏振现象不必要的反射光或散射光。光在晶体中的传播与偏振现象密切相关，利用偏振现象可了解晶体的光学特性，制造用密切相关，利用偏振现象可了解晶体的光学特性，制造用于测量的光学器件，以及提供诸如岩矿鉴定、光测弹性及于测量的光学器件，以及提供诸如岩矿鉴定、光测弹性及激光调制等技术手段。激光调制等技术手段。 3

3、光是电磁波在人眼视觉范围内的波段光是电磁波在人眼视觉范围内的波段400nm 760nm。对应对应红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光。红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光。电磁波是横波电磁波是横波研究光的振动方向的特性即光的偏振性。研究光的振动方向的特性即光的偏振性。光的生理作用、感光现象，实际是电矢量在起作用光的生理作用、感光现象，实际是电矢量在起作用 即是电场强度即是电场强度E 矢量。矢量。 1 光的偏振态光的偏振态4000紫紫7600红红4简化简化合成两个相互垂合成两个相互垂直的方向直的方向. .纸纸面面内内的的光光振振动动垂垂直直纸纸面面的的光光振振动动 |均均等等分分布布。对对自自然然光光 偏偏振振

4、光光部分偏振光部分偏振光完全（线）偏振光完全（线）偏振光E E没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解5某些物质对于光的互相垂直的分振动具有选择吸收的性能某些物质对于光的互相垂直的分振动具有选择吸收的性能二二向向色色性性人造偏振片人造偏振片偏振化方向偏振化方向容许光容许光振动矢量通过的方向振动矢量通过的方向。自然光通过偏振片自然光通过偏振片偏振光偏振光起偏起偏明明明明,但减弱但减弱=/2暗暗如果入射光是部分偏振光如果入射光是部分偏振光,旋转偏振片旋转偏振片,透射光有明暗变化透射光有明暗变化,但但不会出现全暗不会出现全暗;入射光是自然光入射光是自然光,透射光无明暗变化透射光无明暗变化.检

5、偏检偏.2 偏振片的偏振片的起偏和检偏起偏和检偏6起偏和检偏起偏和检偏7.2cosIII00线偏振光，透射光强强度为证证:0NM偏振片的偏振化方向。是其振幅。入射光振动方向，ONAOM0将将A0分解成分解成A0cos A0sin A0A0cos A0sin （透射光振幅）的光矢量分量能通过只有平行于AcosAON0设：透射光强设：透射光强I，入射光强，入射光强I02AI2202202020coscosAAAAII20cosII 马吕斯定律马吕斯定律8例：例：有两块偏振片有两块偏振片A和和B,偏振化方向的夹角为偏振化方向的夹角为600。(1)入射光入射光是自然光是自然光,设偏振片无吸收设偏振片无

6、吸收,求穿过求穿过A和和B后的透射光与入射后的透射光与入射光的光强比光的光强比;(2)入射光是线偏振光入射光是线偏振光,振动方向与第一块偏振振动方向与第一块偏振片的偏振化方向的夹角为片的偏振化方向的夹角为300,求穿过求穿过A,B后透射光与入射光后透射光与入射光的光强比的光强比;(3)如果偏振片的吸收系数为如果偏振片的吸收系数为0.1,再求再求(2)的结果的结果.N1N2600I0I1I2解解:(1)自然光通过偏振片自然光通过偏振片A,光强被光强被吸收一半吸收一半,有有:.I21I01 .81III8160cosI21I0200202 ，020130cosII )2( 02020021260c

7、os30cosI60cosII 163II02 ）（考考虑虑吸吸收收1 . 0130cos)3(0201II, ) 1 . 01 (60cosII0212 %2 .15II02 9i n1n23 反射和折射的偏振反射和折射的偏振 实验发现实验发现:反射光和折射光一般都是部分反射光和折射光一般都是部分偏振光偏振光,反射光中垂直于入射面反射光中垂直于入射面的光振动占优的光振动占优.折射光中平行于折射光中平行于入射面的光振动占优入射面的光振动占优.n1n2i0 当当 i为某一入射角为某一入射角i0时，时，反射光成为完全偏振光反射光成为完全偏振光。120nntgi 布儒斯特定律布儒斯特定律10两个相关

8、结论两个相关结论1.入射角为入射角为i0时，折射光与反射光垂直时，折射光与反射光垂直。证：证：) 1 (120201sinnnsinisinnsinin)2(120nntgi0cossin:2,1i）有（）联立（20i2.n1水水n2玻璃玻璃i000)2(ctgiitgtg120nntgi 2101nntgi所以，光从玻璃向水界面入射时的布儒斯特所以，光从玻璃向水界面入射时的布儒斯特角就是光从水向玻璃界面入射时的折射角角就是光从水向玻璃界面入射时的折射角。光从水向玻璃界面入射时的布儒斯特角为光从水向玻璃界面入射时的布儒斯特角为i0，问光从玻璃向水界面入射时的布儒斯特角为问光从玻璃向水界面入射时

9、的布儒斯特角为多少多少？11玻璃堆玻璃堆光从空气射向玻璃光从空气射向玻璃012057)15 .1()(arctgnnarctgi线偏振光线偏振光bi124 光的双折射光的双折射 一束入射光经某些晶体折射后可分成两束光线一束入射光经某些晶体折射后可分成两束光线的现象称为双折射。的现象称为双折射。1. 寻常光和非常光寻常光和非常光 实验表明，双折射现象中的两束折实验表明，双折射现象中的两束折射光线都是射光线都是线偏振光，分别称为寻常光线偏振光，分别称为寻常光和非常光和非常光。n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光寻常光（寻常光（o o光）：光）： 遵从折射定律遵从折

10、射定律oninsinsin21非常光（非常光（e e光）光）: : 一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律常数eisin/sin折射面与入射面不一定重合。折射面与入射面不一定重合。 13用偏振片检查用偏振片检查o光和光和e光，发现它们都是偏振光，但振动方光，发现它们都是偏振光，但振动方向不一样，为了便于描述向不一样，为了便于描述o光和光和e光的偏振情况及其相互关光的偏振情况及其相互关系，需要引入几个与晶体有关的概念。系，需要引入几个与晶体有关的概念。（1）光轴光轴o光在晶体中各方向上速度相同光在晶体中各方向上速度相同,折射率折射率n=c/u相同相同;e光各向速度不同光各向速度不同,折射率折射率不

11、同不同.在晶体中有一个确定的在晶体中有一个确定的方向方向, o光和光和e光沿此方向传播速光沿此方向传播速度相等度相等,折射率相等折射率相等,不发生双折射不发生双折射.o光折射率光折射率:ocn0e光折射率光折射率:ecen注意：光轴仅标志一定的方向，并不限于某一条特殊的直线。注意：光轴仅标志一定的方向，并不限于某一条特殊的直线。双折射的实质是双折射的实质是o光和光和e光在晶体中的传播速度不同。光在晶体中的传播速度不同。14给出两个给出两个实验事实：实验事实：1 ) 在光轴方向在光轴方向 e光的速度等于光的速度等于o 光速度，即光速度，即等于等于vo2 ) 在垂直光轴方向在垂直光轴方向 o 光光

12、e 光两个速度差别最大光两个速度差别最大; 与与o 光速度差别最大的速度记做光速度差别最大的速度记做ve, 且且ve为常数。为常数。v0 ve并且有以下两种情况并且有以下两种情况（2）负晶与正晶负晶与正晶凡属凡属v0 ne）晶体称为负晶。晶体称为负晶。凡属凡属v0 ve ，（即，（即n0 ne） 晶体称为正晶。晶体称为正晶。定义：定义： eevcn 为晶体对为晶体对e光的主折射率，即光的主折射率，即e光光在垂直于光轴方向的折射率。在垂直于光轴方向的折射率。 15方解石方解石 1.4864 1.6584石英石英 1.5534 1.5443（对波长为（对波长为589.3纳米的钠黄光）纳米的钠黄光）

13、enon方解石晶体（负晶）方解石晶体（负晶）CaCO3石英（正晶）石英（正晶）16光轴在入射面内光轴在入射面内光轴垂直入射面光轴垂直入射面o 光的子波面光的子波面 一定是球面一定是球面e 光的子波面光的子波面 肯定不是球面肯定不是球面 是什么样呢是什么样呢?o o光的子波面光的子波面e e光的子波面光的子波面e光的子波面是以光轴为轴的旋转椭球面光的子波面是以光轴为轴的旋转椭球面v0 veo光在晶体中各方向上速度相同光在晶体中各方向上速度相同, e光各向速度不同。光各向速度不同。思考思考在垂直光轴方向在垂直光轴方向, o 光光e 光两个速度差别最大光两个速度差别最大.e光垂直于光轴方向传播时，光

14、垂直于光轴方向传播时，ve为常数。为常数。17 O光振动方向垂直于该光线（在晶体光振动方向垂直于该光线（在晶体中）与光轴组成的平面。中）与光轴组成的平面。 e 光振动方向平行于该光线（在晶体中）光振动方向平行于该光线（在晶体中）与光轴组成的平面。与光轴组成的平面。O光振动方向垂直于主平面。光振动方向垂直于主平面。e 光振动方向在主平面内。光振动方向在主平面内。(3) 主平面主平面光线与光轴组成的平面叫该光线的主平面光线与光轴组成的平面叫该光线的主平面181.尼科尔棱镜的构造尼科尔棱镜的构造如图取长度适当的方解石晶体如图取长度适当的方解石晶体, ,将其两端的天然晶面将其两端的天然晶面加以适当研磨加以适当研磨, ,将晶体剖开将晶体剖开, ,再用加拿大树胶将剖面粘再用加拿大树胶将剖面粘合构成一长方形棱镜。合构成一长方形棱镜。2.尼科尔棱镜原理尼科尔棱镜原理利用棱镜的双折射现象利用棱镜的双折射现象, ,将一束自然光分成寻常光和非常光将一束自然光分成寻常光和非常光, ,然后利用全反射原理把寻常光反射到棱镜侧壁上然后利用全反射原理把寻常光反射到棱镜侧壁上, ,只让非常只让非常光通过棱镜光通过棱镜, ,从面而获得一束振动方向固定的线偏振光。从面而获得一束振动方向固定的线偏振光。5. 晶体偏振器件晶体偏振器件1948o22o68oO光光e光光e光光加拿大树胶加拿大树胶n=1.550光轴光轴e光光