大学物理演示(赵)光的偏振

1、机械波穿过狭缝机械波穿过狭缝光波是光波是横波横波 光的偏振光的偏振 .机械横波与机械横波与纵波的区别纵波的区别偏振态偏振态: 在垂直于光的传播方向的平面内光矢量的各种在垂直于光的传播方向的平面内光矢量的各种振动状态振动状态 19 光的偏振光的偏振19.1 自然光和偏振光自然光和偏振光1 . 自然光自然光021IIIyx 自然光的图示：自然光的图示：2. 线偏振光线偏振光 在垂直光传播方向的平面内，在垂直光传播方向的平面内，光矢量只沿一个固定的方向振光矢量只沿一个固定的方向振动，这种光叫动，这种光叫线偏振光线偏振光。 在垂直光传播方向的平面内，光矢量大小在所有方向上都在垂直光传播方向的平面内，光

2、矢量大小在所有方向上都相等，各光矢量之间没有固定的位相关系，相等，各光矢量之间没有固定的位相关系，-自然光自然光。3. 部分偏振光部分偏振光 部分偏振光是介于偏振光和自然光之间的情形，部分偏振光是介于偏振光和自然光之间的情形， 部分偏振光都可看成自然光和线偏振光的混合。部分偏振光都可看成自然光和线偏振光的混合。部分偏振光图示：部分偏振光图示：或或4. 椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光 若光矢量大小不断改变，其端点在垂直传播方向的平若光矢量大小不断改变，其端点在垂直传播方向的平面内的投影为椭圆面内的投影为椭圆(圆圆)，这种光叫，这种光叫椭圆椭圆(圆圆)偏振光偏振光。 椭圆偏振光可以看成两

3、个椭圆偏振光可以看成两个频率相同频率相同,互相互相垂直垂直,有一定相位差有一定相位差的线偏振光的合成。的线偏振光的合成。圆偏振光圆偏振光12(21)2AAk、合成光振动矢量末端轨迹是圆。合成光振动矢量末端轨迹是圆。满足椭圆方程：满足椭圆方程：K（时，为线偏振光）)cos(,)cos(2211tAytAx)(sin)cos(21221221222212AAxyAyAx6.6.偏振度偏振度 minmaxminmaxIIIIP线偏振光线偏振光1P自然光自然光0P部分偏振光部分偏振光10P椭圆偏振光椭圆偏振光10P)(sin)cos(21221221222212AAxyAyAx = = 0yx仍仍为为

4、线线偏偏振振光光椭圆偏振光椭圆偏振光右旋右旋左旋左旋42434523475.5.椭圆偏振光椭圆偏振光020起偏器和检偏器起偏器和检偏器1. 1. 起偏器和检偏器起偏器和检偏器起偏器：能产生线偏振光的装置起偏器：能产生线偏振光的装置检偏检偏器：能检验线偏振光的装置器：能检验线偏振光的装置 能产生线偏振光的装置也常常用来检验线偏振光，即能产生线偏振光的装置也常常用来检验线偏振光，即起偏器同时也可作为起偏器同时也可作为检偏检偏器器检偏检偏 ：旋转检偏器，每转过：旋转检偏器，每转过 90o 交替出现极大和消光，则交替出现极大和消光，则入射光为线偏振光。入射光为线偏振光。19.2 19.2 线偏振光的起

5、偏和检偏线偏振光的起偏和检偏 马吕斯定律马吕斯定律2、二向色性、二向色性 自然光入射到偏振片，自然光中某一方向光振动被吸收，自然光入射到偏振片，自然光中某一方向光振动被吸收，而与此垂直方向的光振动则通过，而与此垂直方向的光振动则通过，-产生线偏振光。产生线偏振光。 产生线偏振光方法之一产生线偏振光方法之一 对互相垂直的两个光振动有选择吸收的这种性能，称对互相垂直的两个光振动有选择吸收的这种性能，称为二向色性（为二向色性（1928年，美国大学生兰德（年，美国大学生兰德（E.H.lade），），利用硫酸碘奎宁实现二向色性）利用硫酸碘奎宁实现二向色性） 透射线偏振光光矢量的振透射线偏振光光矢量的振动

6、方向为通光方向，或透光动方向为通光方向，或透光轴，也叫偏振化方向。轴，也叫偏振化方向。 二向色性二向色性聚乙烯薄膜浸入碘溶聚乙烯薄膜浸入碘溶液做偏振片液做偏振片3. 马吕斯定律马吕斯定律*一束光强为一束光强为 I0 的的线偏振光线偏振光，透过检偏器的透射光强为：，透过检偏器的透射光强为：20cosII 是线偏振光的光振动方向与检是线偏振光的光振动方向与检偏器透振方向之间夹角偏器透振方向之间夹角起偏器和检偏器起偏器和检偏器0cosAA通光方向通光方向x0APyyAxA 例例1 有两个偏振片有两个偏振片,偏振化方向间的偏振化方向间的夹角为夹角为 时时 , 自然光入射，自然光入射， 出射光强为出射光

7、强为 ; 当它们偏振化方向间的当它们偏振化方向间的夹角夹角为为 时，另一束单色自然光穿过它们时，另一束单色自然光穿过它们 , 出射光出射光强为强为 ，且，且 . 求两束单色自然光的强度之比求两束单色自然光的强度之比 .30601I2I21II 10I20I解解 设两束单色自然光的强度分别为设两束单色自然光的强度分别为 和和 . 经过起偏器后光强分别为经过起偏器后光强分别为 和和 .220I210I经过检偏器后经过检偏器后30cos22101II 60cos22202II 3160cos30cos22201021IIII212cosII 3p1p0I0I1I3p2p1p2I3I2p3p1p012

8、1II 20cos2I 在两块正交偏振片在两块正交偏振片 之间插入另一块偏之间插入另一块偏振片振片 ，光强为，光强为 的自然光垂直入射于偏振片的自然光垂直入射于偏振片 ，讨论转动讨论转动 透过透过 的光强的光强 与转角的关系与转角的关系 .I31p,p2p2p3p0I1p讨论讨论)2(cos223 II202cos2II 220223sincos21sinIII2sin81203II 若若 在在 间变化，间变化， 如何变化如何变化？203I0,23, ,2, 03I8,47,45,43,403II 0I1I3p2p1p2I3I2p3p1p19.3 19.3 反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振

9、2n1n反射光中垂直入射面振动占优反射光中垂直入射面振动占优折射光中平行入射面振动占优折射光中平行入射面振动占优布儒斯特定律布儒斯特定律 入射角满足入射角满足 时时120nniarctg反射光是线偏振光，振动垂直入射面反射光是线偏振光，振动垂直入射面 2n1n0i0r0i布儒斯特角布儒斯特角起偏角起偏角由折射定律由折射定律200ri折射光是部分线偏振光。折射光是部分线偏振光。 玻片堆玻片堆 许多玻璃片叠起来，折射光近似完全线偏振许多玻璃片叠起来，折射光近似完全线偏振光，是平行于入射面振动。光，是平行于入射面振动。 对于一般的光学玻璃对于一般的光学玻璃 , 反射光的强度约占反射光的强度约占入射光

10、强度的入射光强度的7.5% , 大部分光将透过玻璃大部分光将透过玻璃.利用玻璃片堆产生线偏振光利用玻璃片堆产生线偏振光0i0i0i0iiii讨论讨论讨论下列光线的反射和折射（讨论下列光线的反射和折射（起偏角起偏角 ）.0i自然光自然光I0 +线偏振光线偏振光I11P2P 例：自然光例：自然光I0与线偏振光与线偏振光I1同时垂直入射到偏振片同时垂直入射到偏振片P1上，上， P2绕轴绕轴 转动，求出射光强度的变化。转动，求出射光强度的变化。 解：解： 210cos21III I I 2210cos)cos21( III例：一束光是自然光与线偏振光的混合，当它通过一偏振片时，例：一束光是自然光与线偏

11、振光的混合，当它通过一偏振片时， 透射光的强度取决于偏振片的取向，可以变化透射光的强度取决于偏振片的取向，可以变化5倍。求入射倍。求入射 光中两种光的强度各占总入射光强度的比例。光中两种光的强度各占总入射光强度的比例。 解：解：线偏振光线偏振光01xII 自然光自然光02)1(IxI 12max21III 2min21II 32 x （C C）用偏光镜消除了用偏光镜消除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）玻璃门表面的玻璃门表面的反光很强反光很强（B B）用偏光镜减弱用偏光镜减弱了反射偏振光了反射偏振光19.4 19.4 双折射现象双折射现象1.双折

12、射晶体双折射晶体入射光入射光O光光e光光O光光寻常光，寻常光，e 光光非常光，非常光，二者均为线偏振光二者均为线偏振光方解石晶体方解石晶体（CaCO3）二、二、 光轴光轴 主平面主平面 主截面主截面光轴：当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，光轴：当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射， 该方向称为晶体的光轴。例如方解石的光轴方该方向称为晶体的光轴。例如方解石的光轴方向向单轴晶体：只有一个光轴的晶体单轴晶体：只有一个光轴的晶体双轴晶体：有两个光轴的晶体双轴晶体：有两个光轴的晶体光轴仅代表一个方向，与光轴仅代表一个方向，与AB平行的线都是光轴平行的线都是光轴102AB光轴光轴787

13、878102102方解石方解石( (冰洲石冰洲石) ) 石英石英 云母云母 蓝宝石蓝宝石主平面：晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面主平面：晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。主截面：晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。主截面：晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。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。1. 实验表明，实验表明，o光和光和e光都是线偏振光，光都是线偏振光， o o光的振动垂直光的振动垂直o o光的主平面光的主平面 e e光的振动在光的振动在e e光的主平面内光的主平面内2. 当入射光的入射面和晶体的主截面重合时当入射光的入射面和晶体的主截面重合时（垂直晶体

14、入射）（垂直晶体入射） o光与光与e光的主平面相重合，光的主平面相重合， o光与光与e光的振动方向相互垂直。光的振动方向相互垂直。3. 一般情况一般情况o、e 光的主平面有一小夹角，光的主平面有一小夹角， 仍可认为仍可认为o、e 光的振动面相互垂直光的振动面相互垂直oe2.惠更斯原理对双折射的描述惠更斯原理对双折射的描述O光、光、e光的波阵面光的波阵面e 光：传播速度与方向有关光：传播速度与方向有关O光：各方向的传播速度相等光：各方向的传播速度相等常数oovcnt ovt ev正晶体正晶体光轴光轴负晶体负晶体光轴光轴t ovt eveecnv垂直光轴方向上，垂直光轴方向上，e 光与光与O光速度

15、差别最大光速度差别最大光的传播速度取决于光光的传播速度取决于光矢量振动方向与晶体光轴的夹角矢量振动方向与晶体光轴的夹角正晶体：正晶体： eoVV eonn 即即 的晶体，的晶体， 负晶体：负晶体： eoVV 即即 eonn 的晶体，的晶体，如石英、碳、冰如石英、碳、冰.如方解石、红宝石如方解石、红宝石惠更斯作图法惠更斯作图法( (负晶体为例负晶体为例) ) 光轴光轴 界面，自然光正入射界面，自然光正入射 光轴光轴自然光自然光O光光e光光e 光的速度等于光的速度等于O光速度光速度光轴光轴 界面，自然光正入射界面，自然光正入射光轴光轴自然光自然光O光光e光光e 光的速度大于光的速度大于O 光速度光

16、速度光轴光轴 界面，自然光界面，自然光斜入射斜入射光轴光轴O光光e光光晶体晶体光轴光轴O光光e光光光轴光轴与界面斜交，自然光与界面斜交，自然光正入射正入射波射线波射线 波法线波法线 3.晶体偏振器件（自然光入射）晶体偏振器件（自然光入射）自然光自然光尼克耳棱镜尼克耳棱镜6584. 1on4864. 1en55. 1cn玻璃玻璃 n=1.655方解石方解石光轴光轴格兰格兰汤姆孙棱镜汤姆孙棱镜 6584. 1on4864. 1en655. 1cno68o48e 光光O 光光光轴光轴沃拉斯顿棱镜沃拉斯顿棱镜 两个由方解石制成的两个由方解石制成的直角棱镜胶合而成直角棱镜胶合而成五、五、晶体波片（线偏振

17、光入射）晶体波片（线偏振光入射）晶体薄片，光轴平行于晶体薄片，光轴平行于薄片薄片表面表面光轴光轴方向方向自然光自然光o光光e光光d负晶体负晶体dnneo)(dnneo)(2光线正入射光线正入射cosAAesinAAo?2,0?4两束光出现固定的相位差两束光出现固定的相位差相干光相干光线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏椭圆偏振光振光线偏振光线偏振光光轴光轴dzxy AeAoA光轴光轴光轴光轴41)(dnneo2)(2dnneo波片41线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光?椭圆偏振光椭圆偏振光线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光22线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光光轴平行椭圆的长轴或短

18、轴光轴平行椭圆的长轴或短轴光轴光轴d)(4eonnd2/正椭圆正椭圆偏振光偏振光/4 时圆偏振光圆偏振光21)(dnneodnneo)(2波片21全波片dnneo)(2)(2dnneo光轴光轴入A线偏振光的振动面转过线偏振光的振动面转过2 角角19.5 光偏振状态的检验光偏振状态的检验第一步：用偏振片第一步：用偏振片线偏振光，自然光，圆偏振光，部分偏振光，椭圆偏振光线偏振光，自然光，圆偏振光，部分偏振光，椭圆偏振光偏振片偏振片( (转动转动) )线偏振光线偏振光 I 变、有消光变、有消光圆偏振光圆偏振光自然光自然光I 不变不变部分偏振光部分偏振光 I 变、无消光变、无消光椭圆偏振光椭圆偏振光第

19、二步：第二步：再用再用1/4波片波片 + 偏振片偏振片 四四分分之之一一波波片片偏振片偏振片( (转动转动) )自然光自然光圆偏振光圆偏振光自然光自然光I 不变不变线偏振光线偏振光有消光有消光椭圆偏振光椭圆偏振光线偏振光线偏振光*有消光有消光部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光I 变变 无消光无消光第一步第一步第二步第二步令入射光通过偏振片令入射光通过偏振片I ，改变改变 I 的偏振方向，观的偏振方向，观察透射光强变化。察透射光强变化。观察现象观察现象观察现象观察现象结论结论结论结论有消光有消光线偏振光线偏振光有消光有消光圆偏振光圆偏振光无消光无消光自然光自然光强度无变化强度无变化自然光或

20、圆偏振光自然光或圆偏振光a. 令入射光依次通过令入射光依次通过四分之一四分之一 波片和偏振波片和偏振片片II，改变，改变 II的透振方的透振方向向P2，观察透光强度变，观察透光强度变化化。有消光有消光无消光无消光椭圆偏振光椭圆偏振光 部分偏振光部分偏振光强度有变化，但无消光强度有变化，但无消光部分偏振光或椭圆偏振光部分偏振光或椭圆偏振光b. 四分之一波片的光四分之一波片的光轴方向必须与光强度轴方向必须与光强度最大的方向相一致。最大的方向相一致。I1P4 2PII4II2P19.6 19.6 偏振光的干涉偏振光的干涉1.1.典型装置典型装置甲区：甲区：线偏振光，线偏振光， 振幅振幅A1，光强光强

21、0121II乙区：乙区：dnneoC)(21P1A光轴光轴方向方向o光光e光光d1I线偏振光线偏振光 单色单色自然光自然光I01P2PC 光轴光轴d?甲区甲区丙区丙区乙区乙区 oAeAsin1AAocos1AAe两束线偏振光两束线偏振光 一束椭圆偏振光一束椭圆偏振光 C2P丙区：丙区：eA2oA2cossincos12AAAoocossinsin12AAAeednneoC)(2ecos2222222oeoAAAAA2sin2sin21220IIoA2与晶体种类、波长、波片厚度有关与晶体种类、波长、波片厚度有关,1P1A oAeA2PeA2oA2d 单色单色自然光自然光I01P2PC 光轴光轴甲

22、区甲区丙区丙区乙区乙区若若P1与与P2平行平行212sinsinAAAoo212coscosAAAee2()Coenn d 无附加相位差无附加相位差CoeoeAAAAAcos2222222若晶体种类、波长确定若晶体种类、波长确定 “等厚干涉等厚干涉”2.2.色偏振色偏振dnneoC)(2若白光入射：若白光入射：有的波长干涉相消，有的波长干涉相消，有的波长干涉相长，屏上呈现出一有的波长干涉相长，屏上呈现出一定的色彩，这种现象叫色偏振定的色彩，这种现象叫色偏振检验材料有无双折射效应检验材料有无双折射效应分析物质内部的某些结构分析物质内部的某些结构偏光显微术偏光显微术例：一块厚例：一块厚0.025m

23、m的方解石晶片，表面与光轴平行并放置在两的方解石晶片，表面与光轴平行并放置在两 个正交偏振片之间，晶片的光轴与两偏振片的偏振化方向均个正交偏振片之间，晶片的光轴与两偏振片的偏振化方向均 成成450角。用白光垂直入射到第一块偏振片上角。用白光垂直入射到第一块偏振片上, 从第二块偏振从第二块偏振 片出射的光线中，缺少了那些波长的光。片出射的光线中，缺少了那些波长的光。(假定假定 为常数）为常数）,6584. 1 on4864. 1 en解：解：d1P2PC 光轴光轴dnneoC)(2 dnneo)(21P1A oAeA2PeA2oA2045 相干相消相干相消 )12( kkdnneo)( 缺少的波

24、长缺少的波长10, 9, 8, 7, 6 knm430,478,538,614,717 若两偏振片平行呢？若两偏振片平行呢？例：单色光源例：单色光源S位于凸透镜位于凸透镜C的焦点上，的焦点上，P为偏振片，为偏振片，L为四分之一波片，其光为四分之一波片，其光轴与轴与P的偏振化方向成的偏振化方向成 角，角，MM为反射镜。为反射镜。若入射到偏振片的光强为若入射到偏振片的光强为I0, 求求经过各光学元件后，光返回到透镜时的强度经过各光学元件后，光返回到透镜时的强度I。( (不计吸收、散射等损耗不计吸收、散射等损耗) )PC 光轴光轴SL0IIM解：解：1I0121II2I12II线偏振光线偏振光椭圆偏振光