大学物理学_第3版_第14章光的偏振(20131128改编)

1、光的干涉、衍射光的干涉、衍射 光的光的波动性波动性光的偏振光的偏振 光波是光波是一、横波的偏振性一、横波的偏振性1. 振动面振动面2. 偏振偏振（1）纵波）纵波振动方向与传播方向组成的平面振动方向与传播方向组成的平面（2）横波）横波波的振动方向相对传播方向具有对称性波的振动方向相对传播方向具有对称性波的振动方向相对传播方向是不对称的波的振动方向相对传播方向是不对称的振动面振动面振动面振动面CC纵波纵波横波横波3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振动方向振动方向相对传播方向相对传播方向的不对称性的不对称性电磁波（光波）有偏振现象，所以电磁波是横波电磁波（光波）有

2、偏振现象，所以电磁波是横波横波：横波： 振动方向相对传播方向是不对称的振动方向相对传播方向是不对称的纵波：振动方向相对传播方向具有对称性纵波：振动方向相对传播方向具有对称性2. 偏振偏振只有横波才有偏振，纵波没有，这是纵波和横波最显著的区别只有横波才有偏振，纵波没有，这是纵波和横波最显著的区别二、自然光二、自然光自然光自然光 ：一般光源发出的光，包含各个方向的光矢量，在所有：一般光源发出的光，包含各个方向的光矢量，在所有 可能的方向上的振幅都相等可能的方向上的振幅都相等 。自然光的分解自然光的分解: : 自然光可自然光可沿任意方向沿任意方向分解为两个分解为两个相互垂直、相互垂直、 振幅相等、互

3、不相干振幅相等、互不相干的线偏振光。的线偏振光。I0I020I20Iyx即使是横波，在垂直光传播方向上的平面内，振动方向仍然即使是横波，在垂直光传播方向上的平面内，振动方向仍然不确定，根据光振动方向不同，可把光分成五种：自然光、线不确定，根据光振动方向不同，可把光分成五种：自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。偏振光、部分偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。面对光线看面对光线看二、自然光二、自然光自然光的分解自然光的分解: : 自然光可自然光可沿任意方向沿任意方向分解为两个分解为两个相互垂直、相互垂直、 振幅相等、互不相干振幅相等、互不相干的线偏振光。的线偏振光。光强光强:I0I020

4、I20Iyx20IIIyx 1. 每个方向上的光强都是自然光光强的一半每个方向上的光强都是自然光光强的一半20I0 xyIII 2. 两个方向光强是非相干叠加两个方向光强是非相干叠加3.自然光示意图中自然光示意图中点子与短线交替均匀，点子与短线交替均匀，表示自然光光矢量分布对称、均匀。表示自然光光矢量分布对称、均匀。自然光示意图自然光示意图 总结：总结：面对光线看面对光线看线偏振光线偏振光：在光传播过程中，光矢量在光传播过程中，光矢量 E 始终保持沿始终保持沿 某一个固定方向振动。某一个固定方向振动。三、线偏振光三、线偏振光E播播传传方方向向振振动动面面面对光线看面对光线看线偏振光的示意图：线

5、偏振光的示意图： 光振动方向垂直屏幕面光振动方向垂直屏幕面光振动方向平行屏幕面光振动方向平行屏幕面线偏振光也可以沿两个相互垂直的方向分解线偏振光也可以沿两个相互垂直的方向分解xyExEyE0 sincos00EEEEyx 四、四、 部分偏振光部分偏振光部分偏振光：部分偏振光：在垂直于光传播方向的在垂直于光传播方向的平面内，沿各方向的光振动都有，振平面内，沿各方向的光振动都有，振幅大小不同，幅大小不同，某一方向的光振动比与某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势之垂直方向上的光振动占优势 .部分偏振光的示意图部分偏振光的示意图部分偏振光分解部分偏振光分解部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏

6、振光可以看成自然光和线偏振光的叠加（混合光）可以看成自然光和线偏振光的叠加（混合光） pbIII 0=部分偏振光部分偏振光自然光自然光+线偏振光线偏振光在垂直屏幕内的光振动较强在垂直屏幕内的光振动较强在屏幕内的光振动较强在屏幕内的光振动较强一、偏振片的起偏和检偏一、偏振片的起偏和检偏二向色性二向色性: 有些物质对某一方向的光矢量有强烈的吸收，而对有些物质对某一方向的光矢量有强烈的吸收，而对 与之垂直方向的光矢量吸收很少。与之垂直方向的光矢量吸收很少。这种性质称二这种性质称二 向色性向色性 .偏振片偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片：涂有二向色性材料的透明薄片 .偏振化方向偏振化方向 ： 自然光

7、照射在偏振片自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向方向 （透光轴）。（透光轴）。自然光自然光线偏振光线偏振光偏振片上能透光的方向偏振片上能透光的方向 立体电影立体电影 在拍摄玻璃窗内的物体时，在镜头上装上偏振片，在拍摄玻璃窗内的物体时，在镜头上装上偏振片，去掉反射光的干扰去掉反射光的干扰未装偏振片未装偏振片装偏振片装偏振片检偏器检偏器起偏器起偏器起偏：从自然光获得偏振光起偏：从自然光获得偏振光检偏检偏: 检验偏振光检验偏振光自然光自然光线偏振光线偏振光自然光自然光偏振片偏振片屏屏线偏振光线偏

8、振光光源光源P1讨论：讨论：透射光是线偏振光透射光是线偏振光透射线偏振光的光强透射线偏振光的光强:(1) 自然光自然光入射入射 I0P1 缓慢转动缓慢转动201II I0I0 /2线偏振光线偏振光振动方向随振动方向随 P1偏振化方向改变偏振化方向改变透射光光强透射光光强 不变不变201II P1P2透射光是线偏振光透射光是线偏振光(2) 线偏振光线偏振光入射入射P2缓慢转动缓慢转动讨论：讨论：I1I2透射透射光强光强 I2 及振动方向都随及振动方向都随 P2 偏振化方向改变偏振化方向改变有消光现象有消光现象P2 转动一周，透射光强转动一周，透射光强有两次最强，两次消光。有两次最强，两次消光。线

9、偏振光线偏振光偏振片偏振片屏屏P2I1I2P2 缓慢转动缓慢转动(3) 部分偏振光部分偏振光入射入射透射光是线偏振光透射光是线偏振光讨论：讨论：透射透射光强光强 I2及振动方向都随及振动方向都随 P2偏振化方向改变偏振化方向改变没有消光现象没有消光现象P1P2I1I2P2 转动一周，透射光强转动一周，透射光强有两次最强，两次最弱，有两次最强，两次最弱，但没有消光现象。但没有消光现象。问题：问题：入射光分别是自然光、线偏振光、入射光分别是自然光、线偏振光、 或部分偏振光，用偏振片如何区或部分偏振光，用偏振片如何区 分它们？分它们？ 检偏器检偏器PI2I1偏振片转一周偏振片转一周透光轴透光轴有消光

10、有消光线偏光线偏光部分偏光部分偏光强度变化，没有消光强度变化，没有消光自然光自然光强度不变强度不变线偏振光，线偏振光，两次最强，两次最弱，两次最强，两次最弱，但没有消光现象。但没有消光现象。线偏振光线偏振光两次最强，两次消光。两次最强，两次消光。线偏振光线偏振光201II 1P1max20III ， 02 I， 消光消光透射光的振幅：透射光的振幅：I2 = I1 cos2 马吕斯定律马吕斯定律。二、二、 马吕斯定律马吕斯定律I2 线偏振光线偏振光 sin1E cos1E1E透射光的光强：透射光的光强： cos12EE 212cosII 透射光强最强透射光强最强 I1线偏振光线偏振光检偏器检偏器

11、P讨论：讨论：注意：注意：1. 入射光必须是线偏振光，不是自然光；入射光必须是线偏振光，不是自然光；I2 = ？2. 理想偏振片，无吸收理想偏振片，无吸收2EI P194 例例14-1 一束光由自然光和线偏振光混合而成，当它通过偏振一束光由自然光和线偏振光混合而成，当它通过偏振片时，发现透射光的光强依赖偏振片透光轴方向的取向可变化片时，发现透射光的光强依赖偏振片透光轴方向的取向可变化5倍，求：入射光束中两种成分的光的相对强度。倍，求：入射光束中两种成分的光的相对强度。I0I1IP120I10I解：解：透射光最大光强：透射光最大光强：透射光最小光强：透射光最小光强：10max2III 20max

12、II 10III 012II 由由式式得：得：代入代入式式IIII32,3110 522010 IIII1I2P2P1I3 90o90o- 解：解： 至少要至少要2块偏振片块偏振片)90(cos223 oII 212cosII 2sin4213II 透透射射光光强强最最大大时时当当,45o 41max3III P194 例例14-2要使一束线偏振光通过偏振片后振动方向转过要使一束线偏振光通过偏振片后振动方向转过90，至少需要让这束光通过几块理想偏振片？在此情况下，透射光至少需要让这束光通过几块理想偏振片？在此情况下，透射光强最大是原来光强的多少倍？强最大是原来光强的多少倍？ 2213sinco

13、sII IxI2 = I1 cos2 P191 例例20-1 两块性质完全相同的偏振片两块性质完全相同的偏振片P1、P2平行放置，其平行放置，其通光方向通光方向L1、L2间夹角为间夹角为 。光强为。光强为I0的自然光垂直入射，的自然光垂直入射，经第一块偏振片后的光强为经第一块偏振片后的光强为0.32I0，求经过第二块偏振片后的，求经过第二块偏振片后的出射光强。出射光强。6 解：解：201II 64.050.032.000 II 通过通过P2后的出射光强后的出射光强02021215.06cos32.064.0cosIIII 偏振片有吸收，透过率偏振片有吸收，透过率 I2I1 =0.32 I0P2

14、L2I0P1L1L11. 1. 实验实验反射光中反射光中, ,垂直入射面的光振动多于垂直入射面的光振动多于平行入射面的光振动。平行入射面的光振动。入射角入射角 i 改改变变, , 反射、折射光的偏反射、折射光的偏振程度也改变。振程度也改变。Sin2n1折射光中折射光中, ,平行入射面的光振动多于平行入射面的光振动多于垂直入射面的光振动。垂直入射面的光振动。RiRSiin2n12 Si iRRSRi0i02. 布儒斯特定律布儒斯特定律（1）当入射角）当入射角 i = i0 时，反时，反射光线是线偏振光。射光线是线偏振光。i0 布儒斯特角布儒斯特角(或或起偏角起偏角)（2）当）当 i = i0 时

15、，折射光线与时，折射光线与反射光线相互垂直。反射光线相互垂直。20 i02201cossinsininnin 120tannni 布儒斯特定律布儒斯特定律2 线偏振光线偏振光自然光自然光部分偏振光部分偏振光介质材料表面上时，检验出的反射光是线介质材料表面上时，检验出的反射光是线偏振光，求该介质的折射率。偏振光，求该介质的折射率。P196例例14.3 利用布儒斯特定律可以测定不透明介质的折射率利用布儒斯特定律可以测定不透明介质的折射率 ，当，当一束平行自然光从空气中以一束平行自然光从空气中以58o角入射到某种角入射到某种例例: 若若 n1=1.00 (空气空气)，n2=1.50 (玻璃玻璃)。空

16、气空气 玻璃玻璃，185600.150.1tano0 arei解：解：6 .158tano12 nn120tannni 问题：自然光从空气问题：自然光从空气玻璃玻璃n2n1SRi0i0I0IR%5 .920 IIR反射光是线偏振光，但光强很弱。反射光是线偏振光，但光强很弱。%5 . 70 IIR折射光光强很强，但是部分偏振光，偏振化程度低。折射光光强很强，但是部分偏振光，偏振化程度低。接近线偏振光接近线偏振光3.玻璃片堆玻璃片堆P214 习题习题 14-3 一束光入射到两种透明介质的分界面一束光入射到两种透明介质的分界面上时，发现只有透射光而无反射光，试说明这束光上时，发现只有透射光而无反射光

17、，试说明这束光是怎样入射的是怎样入射的?其偏振状态如何其偏振状态如何?答：这束光是以布儒斯特角入射的其偏振态为平答：这束光是以布儒斯特角入射的其偏振态为平行入射面的线偏振光行入射面的线偏振光P214 习题习题14-7 投射到起偏器的自然光强度为投射到起偏器的自然光强度为I0，开始，开始时，起偏器和检偏器的透光轴方向平行然后使检偏时，起偏器和检偏器的透光轴方向平行然后使检偏器绕入射光的传播方向转过器绕入射光的传播方向转过130，45，60，试，试分别求出在上述三种情况下，透过检偏器后光的强度分别求出在上述三种情况下，透过检偏器后光的强度是是I0的几倍的几倍?解：由马吕斯定律有解：由马吕斯定律有0

18、o2018330cos2III 02024145cos2III 02038160cos2III 212cosII P214 习题习题 14-11 利用布儒斯特定律怎样测定不透明利用布儒斯特定律怎样测定不透明介质的折射率介质的折射率?若测得釉质在空气中的起偏振角为若测得釉质在空气中的起偏振角为58，求釉质的折射率，求釉质的折射率tan 581n 1.60n 解：布儒斯特定律解：布儒斯特定律6. 光强为光强为I0的自然光依次通过两个偏振片的自然光依次通过两个偏振片P1和和P2若若P1和和P2的偏振化方向的夹角的偏振化方向的夹角=30，则透射偏振，则透射偏振光的强度光的强度 I 是是 ( )(A)I

19、0/4(B)3I0/4(C)3I0/2(D)I0/8(E)3I0/8E0o208330cos2III 解：马吕斯定律解：马吕斯定律9. 自然光以自然光以60的入射角照射到不知其折射率的某一的入射角照射到不知其折射率的某一透明介质表面时，反射光为线偏振光则知透明介质表面时，反射光为线偏振光则知 ( )(A)折射光为线偏振光，折射角为折射光为线偏振光，折射角为30(B)折射光为部分偏振光，折射角为折射光为部分偏振光，折射角为30(C)折射光为线偏振光，折射角不能确定折射光为线偏振光，折射角不能确定(D)折射光为部分偏振光，折射角不能确定折射光为部分偏振光，折射角不能确定B6. 如果从一池静水如果从

20、一池静水(n=1.33)的表面反射出来的太的表面反射出来的太阳光是完全偏振的，那么太阳的仰角阳光是完全偏振的，那么太阳的仰角(见题见题10-2-1图图)大致等于大致等于 ，在这反射光中的，在这反射光中的E矢量的方矢量的方向应向应 解：布儒斯特定律解：布儒斯特定律33. 1tan00 nnioi530 o37 仰角仰角垂直于入射面垂直于入射面37o7.在题在题10-2-2图中，前四个图表示线偏振光入射于两种介图中，前四个图表示线偏振光入射于两种介质分界面上，最后一图表示入射光是自然光质分界面上，最后一图表示入射光是自然光n1、n2为两为两种介质折射率，图中入射角种介质折射率，图中入射角i0=ar

21、ctan(n2/n1)、ii0试在图试在图上画出实际存在的折射光线和反射光线，并用点或短线把上画出实际存在的折射光线和反射光线，并用点或短线把振动方向表示出来振动方向表示出来演示：玻璃片堆演示：玻璃片堆n2n1SRi0i0I0IR应用：应用：外腔式激光管加装布儒斯特窗外腔式激光管加装布儒斯特窗,可得到偏振性可得到偏振性极好的激光，同时还可减少反射损失。极好的激光，同时还可减少反射损失。假如封闭管子两端的玻璃窗口是垂直于管轴线的玻璃片，假如封闭管子两端的玻璃窗口是垂直于管轴线的玻璃片，那么自然光每经过一个窗口表面就有大约那么自然光每经过一个窗口表面就有大约4%的反射损失。的反射损失。光在光在M1 M2之间来回反射时，每个单程要之间来回反射时，每个单程要4次穿过窗口表面。次穿过窗口表面。这样反射损耗太大就不能形成激光。这样反射损耗太大就不能形成激光。 i0i0激光输出激光输出线偏振光线偏振光布儒斯特窗布儒斯特窗M1M2i0i0激光器谐振腔激光器谐振腔P196例例14.4如图所示为一玻璃三棱镜，材料的折射率为如图所示为一玻璃三棱镜，材料的折射率为n1.50，设光在棱镜中传播时能量不被吸收设光在棱镜中传播时