大学物理：第十二章-光的偏振

1、 光的偏振本章教学要求： 理解自然光和线偏振光。理解布儒斯特定律及马吕斯定律。了解双折射现象。了解线偏振光的获得方法和检验方法。 了解圆偏振光、椭圆偏振光及偏振光的干涉。本章重点： 线偏振光,马吕斯定律,布儒斯特定律。双折射。本章难点：偏振光的获得方法和检验方法,布儒斯特定律双折射.返回目录下一页上一页12.1 自然光与偏振光光的偏振目录12.3 反射和折射时的偏振 布儒斯特定律12.4 双折射现象12.2 偏振片 起偏和检偏12.5 利用双折射现象产生偏振光的仪器返回总目录第十二章 光的偏振Polarization对纵波而言，包含传播方向与振动方向所构成的平面，哪一个都一样，没有一个显示出与

2、另一个有什么区别或不同。称之为：波的振动方向对传播方向具有对称性。但对横波而言，由传播方向与振动方向所构成的平面，与包含传播方向而不包含振动方向的其它平面有区别。这种区别与不同称之为：波的振动方向对传播方向不具有对称性。这种不对称性称之为偏振。返回本章目录下一页上一页12-1 自然光和偏振光 光的波动性 光的干涉、衍射 .光波是横波 光的偏振 .机械横波与纵波的区别机械波穿过狭缝二线偏振光、自然光、部分偏振光光波是电磁波，实验表明：引起人的视觉或引起感光材料的光化学效应主要是光波中的电矢量 所致，因此，电矢量 也称为光矢量。返回本章目录下一页上一页1）线偏振光 ：光矢量E只限于垂直于传播方向的

3、某一确定平面内的光（又称为平面偏振光）。ZXYZXY表示：或表示：平行于纸面振动垂直于纸面振动振动面光矢量(振动方向)与传播方向所构成的平面返回本章目录下一页上一页 自然光 ：一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这样的光叫自然光 . 自然光以两互相垂直的互为独立的 （无确定的相位关系）振幅相等的光振动表示 , 并各具有一半的振动能量 .注意 各光矢量间无固定的相位关系 . 二互相垂直方向是任选的 .XY自然光-在垂直于传播方向的平面内，光矢量对称，光矢量振动沿各个方向的概率相等。表示：在垂直于传播方向的任意两正交方向光矢量的平均值相等。结论：自然光

4、的横波性被发光的随机 性所破坏或掩盖。3）部分偏振光光矢量的平均值在某一方向上最强，与之垂直的方向上最弱的偏振光。返回本章目录下一页上一页表示：3）部分偏振光光矢量的平均值在某一方向上最强，与之垂直的方向上最弱的偏振光。/于纸面的光振动的平均值垂直于纸面的光振动的平均值。于纸面的光振动的平均值平行于纸面的光振动的平均值。XY返回本章目录下一页上一页右旋圆偏振光右旋椭圆偏振光 y yx z传播方向 /2xE某时刻右旋圆偏振光 E 随 z 的变化 04） 圆偏振光, 椭圆偏振光频率相同、相位差 恒定而振动方向相互垂直的两列光波迭加后，在垂直于光波传播方向的平面内，光矢量以一定的频率旋转，其端点的运

5、动轨迹通常是一个椭圆，称这种合成光波为椭圆偏振光 当两线偏光的振幅相等，即Ax=Ay，且=(2k+1)/2时，轨迹由椭圆变为圆，称为圆偏振光；当=k时，光振动轨迹变为直线，成为线偏振光。 一）起偏与检偏起偏-从自然光获得偏振光检偏-检查某束光是否是偏振光；起偏振器-从自然光获得偏振光的装置；检偏振器-检查某束光是否是偏振光的装置。二）偏振片及其起偏检偏1）何谓偏振片透明玻璃片涂有金鸡纳霜或碧硒（电气石）等材料的簿膜Polarizer and polarization analyzer、Malus law返回本章目录下一页上一页12-2 偏振片 马吕斯定律 二）偏振片及其起偏检偏1）何谓偏振片透

6、明玻璃片涂有金鸡纳霜或碧硒（电气石）等材料的簿膜自然光偏振光偏振化方向具有竖直偏振方向的偏振膜。吸收了水平方向的光振动返回本章目录下一页上一页2）偏振片的用途A）作起偏振器IsIs/2B）作检偏振器偏振光变暗自然光不变暗IsIs/2Is/2Is自然光Is/2I0/2返回本章目录下一页上一页3)马吕斯定律P1 若P1 P2的偏振化方向间的夹角不为0，也不为90度，则出射的光强为多少？垂直方向的分量被偏振片吸收，故出射的光强：或：Is自然光Is/2= I0变暗EE/Is/2P2 设自然光通过P1后的振幅为E0，则光强 振动分解有：返回本章目录下一页上一页马吕斯定律：强度为I0的线偏振光透过偏振片

7、后强度变为I=I0cos2。（为入射的偏振光的振动方向与偏振片偏振化方向间的夹角。）EE/I=I0cos2线偏振光通过偏振片后I01.光强改变2.仍然为线偏振光,但振动方向改变 角度.返回本章目录下一页上一页P1P2例：一束自然光，光强度为I0，让其出射两个偏振片， 两个偏振片之间的夹角为450，求从第二个偏振片出射的偏振光强度。解：I0自然光I0/2返回本章目录下一页上一页返回本章目录下一页上一页【例12-2】 如例12-2图(a)所示，在两块偏振化方向相互垂直的正交偏振片P1和P3之间插入另一块偏振片P2，光强为I0的自然光垂直入射于偏振片P1，求转动P2时，透过P3的光强与转角之间的关系

8、。一）反射和折射光中的偏振现象1、反射光中垂直振动 强于平行的振动；2、折射光中平行的振 动强于垂直振动；3、反射光折射光偏振 化的程度随入射角 的不同而不同。它 们都是部分偏振光.n2n1Polarization of reflection and refraction.Brewsters law返回本章目录下一页上一页12-3 反射和折射光的偏振 布儒斯特定律 二）布儒斯特定律（1812年）当入射角 等于一特定角 时，使之满足： 时，反射光只有垂直于入射面的振动,变为线偏振光.这个特定的角称为 布儒斯特角；此时折射光仍为 部分偏振光；入射角为起偏振角 时，反射光与折射 光互相垂直。n2n1

9、注意：返回本章目录下一页上一页入射角为起偏振角 时，反射光与折射 光互相垂直。证明：由折射定律：式（1）（2）对照：（证毕！）n2n1注意：由布儒斯特定律：返回本章目录下一页上一页解决办法：多次反射 和折射。玻璃堆：问题：1）反射光强一般较小；2）折射光仍为部分偏振光。n2n1通过反射与折射获得偏振光返回本章目录下一页上一页n1n2n1n2入射角为布儒斯特角时：由布儒斯特定律：即：当光从折射率为n2的介质(玻璃)入射到折射率为n1(空气)的介质时，反射光仍为偏振光。证明,玻璃下表面的反射光仍为偏振光：返回本章目录下一页上一页例12-3 一束自然光入射到折射率分别为n1和n2的两种介质的交界面上

10、，发生反射和折射。已知反射光是完全偏振光，求折射角r的值。 解：二）双折射现象自然光O光e光双折射双折射双折射方解石双折射现象-同一束光线在晶体的界面上产生折射，晶体内的折射光分为两束。二）寻常光和非寻常光（1687年惠更斯研究）1）两束光均是线偏振光，一束叫寻常光（O光） 一束叫非寻常光（e光） 2）O光遵守折射定律，而e光不遵守所知的折射 定律。11.4 双折射现象 (Double Refraction)返回本章目录下一页上一页O光e光二）寻常光和非寻常光（1687年惠更斯研究）与入射角i有关,随i 而变，折射光线不一定在入射面内。对O光：对e光：（与入射角无关 且为定值）e光在晶体中传播

11、光速是一变化值。原因自然光方解石返回本章目录下一页上一页三）晶体的光轴、主截面、主平面7878681021）光轴-当光在晶体中传播时，不发生双折射 的方向。光轴对方解石而言：光轴是从102 纯角引直线，使之和它各边 成等角68的直线（OO）注意：光轴仅代表一个方向， 与OO平行的线都是光轴。有两个光轴的晶体称双晶体（云母、硫磺等）仅有一个光轴的晶体称单晶体（如方解石、石英）OO返回本章目录下一页上一页2）o光e与光在晶体中的光速与折射率（2）在垂直于光轴方向，o,e两光传播速度差别最大设该方向e光速度为ve,e光在该方向的折射率为O光在晶体中的折射率都为：我们称no、ne为主折射率。（2）e光

12、在晶体中的传播速度介于vo与ve之间；e光在晶体中的折射率介于no和ne之间.（1）o光在晶体中的传播速度为vo；o光的折射率为no.结论：返回本章目录下一页上一页光轴3）主截面-晶面法线与光轴组成的平面主截面是由许多平行平面构成。4）主平面-光轴和晶体内任一条折射光线组成的平面。O光与e光都有各自的主平面，入射面在主截面内时，O光e光的主平面重合并同在主截面内。注意： 入射面在主截面内时,o光e光的振动方向互相垂直且o光为振动方向垂直于主截面的偏振光（即与光轴垂直）；e光为振动面平行于主截面的偏振光。1027878返回本章目录下一页上一页78光轴入射面在主截面内时，o光e光的振动方向互相垂直

13、，且o光为振动方向垂直于主截面的偏振光；e光为振动方向在主截面的偏振光；78O光e光说明：返回本章目录下一页上一页78不同的晶体，e光折射率：让光垂直于光轴入射，对n e可以也可也可v0正晶体-负晶体-在晶体内一个点波源发光的波阵面：78光轴正晶体负晶体o光e光光轴5）负晶体与正晶体光轴返回本章目录下一页上一页四）用惠更斯原理解释双折射现象先明确一个概念：在各向同性的介质中，波面法线与光线的方向一致，即光线与波面垂直光线是能量传播的方向。但在各向异性介质中，光线只是能量传播的方向。波面法线并不一定是光传播的方向了。如晶体中e光传播的方向就不一定与波阵面垂直，光传播的方向要看能量传播的方向。返回

14、本章目录下一页上一页o光e光晶体光轴光轴（负晶体）1）入射面与主截面平行的情况A）光轴与晶体表面有一夹角（斜入射）返回本章目录下一页上一页（负晶体）1）入射面与主截面平行的情况B）光轴与晶体表面有一夹角（正入射）自然光光轴返回本章目录下一页上一页（负晶体）C）光轴与晶体表面平行（正入射）自然光o光e光光轴O e二光通过厚度d的光程差：四分之一波片二分之一波片（半波片）结论：有双折射。返回本章目录下一页上一页自然光o光e光光轴（负晶体）D）光轴与晶体表面垂直（正入射）A）光轴与晶体表面平行（斜入射）（负晶体）2）入射面与主截面垂直的情况返回本章目录下一页上一页o光e光光轴自然光负晶体o光e光光轴朝左看看到了！光轴A）光轴与晶体表面平行（斜入射）（负晶体）2）入射面与主截面垂直的情况返回本章目录下一页上一页AACD D五）偏振棱镜自然光光轴6871装置：o光e光76CFFCABNMDFEBAD将方解石晶体两端的天然晶面磨成与棱边CD成68角，然后将晶体沿AMDN剖开，再用加拿大树胶将剖面粘合即成方解石1）尼科尔棱镜（WNicol 1928年）返回本章目录下一页上一页AABCC自然光光轴6871no=1.658ne=1.486o光e光n树胶=1.55076DO光以76入射到阿拉伯树胶，产生全反射后被