大学光学L光横波性与五种偏振态学习教案

1、会计学1大学光学大学光学L光横波光横波(hngb)性与五种偏振性与五种偏振态态第一页，共45页。2）偏振片（1）晶体(jngt)的二向色性（选择吸收性）（2）偏振片及其透振方向(fngxing)和消光方向(fngxing)（3）偏振片的制造(zhzo)（4）偏振片的起偏和检偏性能第1页/共45页第二页，共45页。2光的横波(hngb)性1）机械波的横波(hngb)性的检验2）光波(gungb)的横波性的检验第2页/共45页第三页，共45页。3光的五种(w zhn)偏振态1）光是横波(hngb)，才有不同的偏振状态2）光波(gungb)的五种偏振态：线偏振光、自然光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏

2、振光。4线偏振光1)线偏振光的定义：第3页/共45页第四页，共45页。在垂直光传播方向(fngxing)的平面上，只有单一方向(fngxing)的振动矢量，随着时间的推移，振动矢量只改变大小、不改变方向(fngxing)。第4页/共45页第五页，共45页。线偏振光：光矢量 E 只沿一个固定方向(fngxing)振动。第5页/共45页第六页，共45页。2)振动(zhndng)面与平面偏振光振动面：线偏振光的传播方向与振动方向构成(guchng)的平面。同一波线上的线偏振光的光振动均处于同一振动面上(min shn)，又称线偏振光为平面偏振光。线偏振光是偏振程度最强的光，又称线偏振光为全偏振光。

3、第6页/共45页第七页，共45页。3）线偏振光通过(tnggu)偏振片后的光强度若入射的线偏振光强为： 0I旋转(xunzhun)偏振片P一周，出射光强的变化为： 000III线偏振光0IIP存在一个(y )消光方向, 在垂直 P 的透振方向上第7页/共45页第八页，共45页。4）马吕斯定律(dngl)称上式为马吕斯定律(dngl)注意(zh y)： （1）只适用于线偏振光（2）马吕斯定律公式上的 三角函数项是平方项。0AAPcos0AA 由于：20cosII 就有：第8页/共45页第九页，共45页。5）起偏器和检偏器起偏器：任何偏振态的光通过后透射(tu sh) 光都变为线偏振光的器件。检偏

4、器：检查入射光偏振(pin zhn)态的器件 线偏振(pin zhn)射光通过此器件后光 强变为零。偏振片既是起偏器，又是检偏器。第9页/共45页第十页，共45页。 自然光通过(tnggu)偏振片后，光强为原来的二分之一。 旋转起偏器，屏幕上光强不变。第10页/共45页第十一页，共45页。 检偏器旋转一周，透射光光强出现(chxin)两次最强，两次消光，说明入射到 P2 上的光是线偏振光。P2P1第11页/共45页第十二页，共45页。6）一束(y sh)线偏振光可以分解为两束 互相垂直的线偏振光AEyxcos()EAtcosAAxsinAAycos()xxEAtcos()yyEAt0,jEiE

5、yx第12页/共45页第十三页，共45页。若将 带入参量(cnling)方程消去参量(cnling)t， 0,就有： ，这正是直线(zhxin)方程xyxyAAEE结论(jiln)：（1）线偏振光可以分解为两个互相垂直 的相位差为 0 或 的线偏振光，（2）可以由这两束线偏振光代替这束线偏振光。第13页/共45页第十四页，共45页。5自然光1）自然光的定义(dngy)：在垂直(chuzh)光传播方向的平面上，所有方向均有横振动， 各个(gg)方向的振动幅度均相等，形成如图所示的轴对称振幅分布。第14页/共45页第十五页，共45页。自然光：由于原子发光的独立性与随机性，对于普通光源(gungyu

6、n)所发的光，光矢量分布各向均匀。各光矢量之间无固定(gdng)的相位关系。可用两个相互垂直的光矢量表示(biosh)自然光，但两者之间也无固定的相位关系。第15页/共45页第十六页，共45页。2）自然光通过(tnggu)偏振片后的光强度若入射的自然光强为： 0I自然光0IIP旋转(xunzhun)偏振片P一周，出射光强均为： 021II 第16页/共45页第十七页，共45页。xixAayiyAa220 xyIAA（非相干(xinggn)迭加）2xxIA2yyIA02xyIII第17页/共45页第十八页，共45页。3）试证明(zhngmng)自然光通过偏振片后 出射光强为入射光强的一半。自然光

7、由无数条非相干(xinggn)的线偏振光组成数密度： 单位(dnwi)夹角内包含的 线偏振光的条数 0)(角内包含的线偏振光的条数： 0NP第18页/共45页第十九页，共45页。角内包含(bohn)的线偏振光的总强度： 00iNiI入射的自然光的总光强： 0200002idiII设偏振片的透振方向(fngxing)与 角内线偏振光的夹角为： 依据马吕斯定律：20cosII 第19页/共45页第二十页，共45页。角内的线偏振光通过(tnggu)偏振片后的光强为： 202coscosiNiI透过(tu u)偏振片后自然光的光强变为： 02020cosidiI因此(ync)有： 021II )(co

8、s20i注意：已经将公式中的 改写为 第20页/共45页第二十一页，共45页。6部分(b fen)偏振光1）部分(b fen)偏振光的定义：在垂直光传播方向的平面上，所有方向均有横振动，但不同方向的振动幅度不相等(xingdng)，形成如图的振幅分布。第21页/共45页第二十二页，共45页。部分(b fen)偏振光:介于线偏振光与自然光之间的情形(qng xing)，可看成线偏振光与自然光的混合。第22页/共45页第二十三页，共45页。若入射的部分偏振光强为 0I旋转(xunzhun)偏振片P一周，出射光强的变化为： 与 的振动方向互相垂直MImIMmMIIII，没有消光现象出现部分偏振光IP

9、0I2）部分(b fen)偏振光通过偏振片后的光强度 第23页/共45页第二十四页，共45页。3）部分(b fen)偏振光的总光强 mMIII4）偏振度： mMmMIIIIP时， ，为自然光 MImI0P时， ，是线偏振光 1P0mI注意： 与 是所有线偏振光在这两个互相 垂直方向上的投影分量的非相干叠加。 MImI第24页/共45页第二十五页，共45页。P1例题1 自然光通过两个(lin )偏振化方向的夹角为 60的偏振片后，透射光强为 I . 若在两偏振片间再插入另一偏振片，它与前两者的偏振化方向的夹角均为 30，则此时透射光光强为多少？02021813cos2cosIIIIIP解I0I1

10、第25页/共45页第二十六页，共45页。P1IPI0P2I1I26cos22II II4902213296cos6cos II第26页/共45页第二十七页，共45页。例题2 一束光由自然光和线偏振光混合组成，当它通过一转动(zhun dng)的偏振片时，透射光光强的最大值是最小值的 5 倍。求入射光中自然光和线偏振光的光强各占入射光光强的几分之几？解设入射光光强为 I0 ，其中(qzhng)自然光光强为 I10 ，线偏振光强度为 I2020100III设通过(tnggu)偏振片后的光强分别为 I ，I1 ，I210121II 2202cosII 为什么？第27页/共45页第二十八页，共45页。

11、2010max21III10min21II10201021521III31010II32020IINoImage2201021cos21IIIII例题(lt)3: P309例5.110202II第28页/共45页第二十九页，共45页。7圆偏振光1）圆偏振光的定义(dngy)：在垂直光传播方向的平面上，只有单一(dny)的振动矢量，振动矢量(shling)的大小不变，振动方向匀速转动，振动矢量的端点描绘成一个圆形轨迹。Oxy第29页/共45页第三十页，共45页。2）圆偏振光通过(tnggu)偏振片后的光强度若入射光强为： 0I圆偏振光0IIP旋转偏振片P一周(y zhu)， 出射光强不变化 02

12、1II 第30页/共45页第三十一页，共45页。3）圆偏振光能够(nnggu)分解成两束互相 垂直的线偏振光jEiEEyx/2 cos()xEAtcos()yEAtcos()cos()At iAt jExEyEOxyA第31页/共45页第三十二页，共45页。若将 带入方程，消去参量t /2 就有： ，正是圆方程。222AEEyx结论(jiln)：（1）圆偏振光可以(ky)分解为两个互相垂直 的振幅相等、相位差为 的线偏振光。2/（2）可以(ky)由这两束线偏振光来代替 这束圆偏振光。第32页/共45页第三十三页，共45页。4）圆偏振光的总光强： 2222AAAIyx5）左旋(zu xun)圆偏

13、振光与右旋圆偏振光（1）定义：迎着光线传播方向观看，若振动矢量 顺时针旋转就称为右旋圆偏振光，此时： E/2 若振动矢量 逆时针旋转就称为左旋圆偏振光，此时： E/2 第33页/共45页第三十四页，共45页。（2）证明：若圆偏振光的 ， 则振动矢量 逆时针旋转。/2E证明(zhngmng)： 已知： cos()xEAtcos(2)yEAtttAEx,0yE 0tAEx0,yE0txEyEOtt如图所示，由 到 0ttt旋转(xunzhun)走向为逆时针方向。第34页/共45页第三十五页，共45页。8椭圆偏振光1）椭圆偏振光定义(dngy)：在垂直光传播方向的平面上，只有单一的振动矢量，振动矢量

14、的大小和方向不断地改变，振动矢量的端点描绘成一个(y )椭圆形轨迹。 EyxO第35页/共45页第三十六页，共45页。2）椭圆偏振光通过(tnggu)偏振片后的光强度椭圆振光0IIP若入射的部分偏振光强为 0I旋转(xunzhun)偏振片P一周，出射光强的变化为： 与 的振动方向垂直。 MImIMmMIIII,没有消光现象出现第36页/共45页第三十七页，共45页。3）椭圆偏振光能够分解成两束互相(h xing) 垂直的线偏振光jEiEEyxcos()xxEAtcos()yyEAt02当 时， xyAA/2 yExEEyxOA第37页/共45页第三十八页，共45页。若消去参量(cnling)方

15、程中的t 有： 222222cossinyxyxxyxyEE EEAAA A这正是(zhn sh)椭圆方程式 结论(jiln)：（1）椭圆偏振光可以分解为两个互相 垂直的振幅不相等的相位差固定、 但不等于 或 0的线偏振光。（2）可以由这两束线偏振光来代替这 束椭圆偏振光。第38页/共45页第三十九页，共45页。4）椭圆偏振光的总光强： mMIII5）左旋(zu xun)与右旋椭圆偏振光定义(dngy)：迎着光线(gungxin)传播的方向观看，若振动矢量 顺时针旋转就称为右旋椭圆偏振光，若振动矢量 逆时针旋转就称为左旋椭圆偏振光。 EE第39页/共45页第四十页，共45页。6）各种( zhn

16、)相位差对应的椭圆偏振态图（1）当坐标系为如图所示时（2）参量(cnling)方程为：cos()xxEAtcos()yyEAtyx第40页/共45页第四十一页，共45页。（3）就有如下的各种( zhn)相位差对应的椭圆偏振态图（4）若参量(cnling)方程用复振幅表示，则为：xxAE ，iyyeAE 。，第41页/共45页第四十二页，共45页。7）自然光能够(nnggu)分解成两束线偏振光两束线偏振光的关系(gun x)是：（1）分解的方向可以(ky)任意，但两束线偏振光 的方向必须互相垂直 （2）两束线偏振光的光强相等，均为 021II （3）两束线偏振光的相位差随时间变化， 不稳定。（4）可以用分解成的两束线偏振光代替 这束自然光第42页/共45页第四十三页，共45页。8）为什么自然光只能由相位差不 稳定(wndng)