大学物理光的偏振课件

§1光的偏振状态一.线偏振光E播传方向振动面·面对光的传播方向看线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解EEyEx

yx第三章光的偏振(Polarizationoflight)§1光的偏振状态一.线偏振光E播传方向振动面·面对光的传1线偏振光的表示法：·····光振动垂直板面光振动平行板面二.自然光没有优势方向自然光的分解一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。自然光的表示法：···线偏振光的表示法：·····光振动垂直板面光振动平行板面二.2三.部分偏振光部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。部分偏振光的表示法：······平行板面的光振动较强垂直板面的光振动较强··三.部分偏振光部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光可分解3右旋圆偏振光右旋椭圆偏振光y

yx

z传播方向

/2x某时刻右旋圆偏振光E随z的变化E0四.圆偏振光,椭圆偏振光右旋圆右旋椭圆yyxz传播方向/2x某时刻右旋圆4五.偏振度Ip—部分偏振光中包含的完全偏振光的强度It

—部分偏振光的总强度In

—部分偏振光中包含的自然光的强度完全偏振光(线、圆、椭圆)P=1自然光(非偏振光)P=0部分偏振光0<P<1偏振度的另一种表示：五.偏振度Ip—部分偏振光中包含的完全偏振光的强度It5§2偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律一.起偏

起偏的原理：利用某种光学的不对称性

偏振片微晶型分子型xyzz线栅起偏器

入射电磁波

起偏：从自然光获得偏振光

起偏器:起偏的光学器件·非偏振光线偏振光光轴电气石晶片··§2偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律一.起偏起偏的原理6非偏振光I0线偏振光IP偏振化方向(透振方向)二.马吕斯定律I0IPPE0E=E0cos

偏振片的起偏马吕斯定律（1809）——消光···非偏振光I0线偏振光IP偏振化方向二.马吕斯定律I07三.检偏用偏振器件分析、检验光的偏振态I?P待检光思考：I不变？是什么光I变，有消光？是什么光I变，无消光？是什么光三.检偏用偏振器件分析、检验光的偏振态I?P待检光思考：8§3反射和折射光的偏振*散射光的偏振一.反射和折射时光的偏振i=i0时，反射光只有S分量i0

—布儒斯特角或

起偏角i0

+r0=90O由

有—布儒斯特定律(1812年)·······n1n2iir·自然光反射和折射后产生部分偏振光·····n1n2i0i0r0线偏振光··S起偏振角···§3反射和折射光的偏振*散射光的偏振一.反射和折射时9若n1

=1.00(空气)，n2=1.50(玻璃)，则：二.玻璃片堆起偏和检偏

1.起偏当i=i0时自然光从空气→玻璃············i0(接近线偏振光)··················2.检偏...玻璃片堆若n1=1.00(空气)，n2=1.50(玻璃)，10*三.散射光的偏振1.散射光的产生

pI()振荡电偶极子电磁辐射强度的角分布2.散射光的偏振zxpy入射自然光B

散射光(部分偏振光)

散射光

(线偏振光)

散射光

(自然光)*三.散射光的偏振1.散射光的产生pI()振荡电偶极11§4光在晶体中的传播,双折射···

方解石oeeo一.双折射的概念1.双折射n1n2irore(各向异性媒质)自然光o光e光2.寻常光和非寻常光o光:遵从折射定律e光:一般不遵从折射定律e光折射线也不一定在入射面内。···§4光在晶体中的传播,双折射···方解石oee123.晶体的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，方解石晶体(冰洲石)AB光轴102°

光轴是一特殊的方向,凡平行于此方向的直线均为光轴。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3.晶体的光轴当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射134.主平面和主截面主平面：晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。e光光轴e光的主平面o光光轴o光的主平面····主截面：晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。二.晶体的主折射率，正晶体、负晶体光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同,光的传播速度也不同。4.主平面和主截面主平面：晶体中光的传播方向与晶体e光光轴14························vot光轴光轴vetvoto光:e光:

n0，ne称为晶体的主折射率

正晶体:ne>no负晶体:ne<no子波源votvet光轴votvet光轴

正晶体

(vo>ve)

负晶体(vo<ve)子波源(e<o)(e>o)························vot光轴15三.单轴晶体中光传播的惠更斯作图法(e>o)1.光轴平行晶体表面，自然光垂直入射····

eoeo光轴晶体····

o,e在方向上虽没分开，但速度上是分开的。2.光轴平行晶体表面，且垂直入射面，自然光斜入射····晶体光轴ir0reo

········oΔteΔteo

ecΔt三.单轴晶体中光传播的惠更斯作图法(e>o)1.光163.光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射······o

e晶体光轴····

e方解石光轴······o

eo此时e光的波面不再与其波射线垂直了3.光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射······o17§5晶体光学器件一.晶体起偏器件

1.晶体的二向色性、晶体偏振器某些晶体对o光和e光的吸收有很大差异，这叫晶体的二向色性电气石····光轴e光电气石光轴可产生线偏振光§5晶体光学器件一.晶体起偏器件1.晶体的二向色性182.偏振棱镜偏光镜:格兰─汤姆孙棱镜偏光分束镜:沃拉斯顿棱镜············光轴光轴方解石方解石加拿大树胶

(n=1.55)oe吸收涂层i光轴的取向使o光、e光对应的恰是no、ne

。no(1.6584)＞n(1.55)＞ne(1.4864)·12方解石方解石·······oe光轴光轴·方解石n0＞ne2.偏振棱镜偏光镜:格兰─汤姆孙棱镜偏光分束镜:沃拉19二.晶体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏1.晶片─相位延迟片晶片是光轴平行表面的晶体薄片。ydxAAoAe线偏振光光轴λ

通过厚为d的晶片，o、e光产生相位差：AAoAe光轴P

振幅关系二.晶体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏1.晶片─相位延迟20从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差的线偏振光，它们合成为一束椭圆偏振光。时为圆偏振光

2.波（晶）片

(1)四分之一波片——线偏振光→圆偏振光——线偏振光→线偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向相互垂直、频率相等、相21——线偏振光→椭圆偏振光(2)二分之一波片使线偏振光振动面转过2角度A0入A0出A入A出Ae入=Ae出入光轴(3)全波片三.椭圆与圆偏振光的检偏用四分之一波片和偏振片P可区分出自然光和圆偏振光或部分偏振光和椭圆偏振光——线偏振光→椭圆偏振光(2)二分之一波片使线偏振光振动面22

四分之一波片圆偏振光自然光自然光线偏振光

偏振片（转动）线偏振光

I不变线偏振光I变,有消光以入射光方向为轴

四分之一波片椭圆偏振光部分偏振光线偏振光

偏振片（转动）线偏振光I变,有消光

部分偏振光光轴平行最大光强或最小光强方向放置或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置线偏振光I变,无消光四分之一波片圆偏振光自然光自然光线偏振光偏振片（转动）线23§6偏振光的干涉一.偏振光干涉装置d晶片C偏振片P2偏振化方向

单色自然光偏振片P1偏振化方向光轴方向二.偏振光干涉的分析1.振幅关系P2P1CA1AeAoA2oA2e在P2

后，两束光振动方向平行，振幅为：§6偏振光的干涉一.偏振光干涉装置d晶片C偏振片P224通过晶体C后此两束光合成为一束椭圆偏振光通过P2

后（若P1、P2夹角小于，则无附加相差）2.相位关系—相长干涉通过晶体C后此两束光合成为一束椭圆偏振光通过P2后（若P125—相消干涉若单色光入射，且d不均匀，则屏上出现等厚干涉条纹。三.色偏振白光入射，晶片d均匀屏上由于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色这叫（显）色偏振。若d不均匀，则屏上出现彩色条纹。如红色相消→绿色；蓝色相消→黄色，—相消干涉若单色光入射，且d不均匀，则屏上出现等厚干涉条纹。26§7人工双折射人为地造成各向异性，而产生双折射。一.光弹效应(应力双折射效应)P1P2··dFSF干涉有机玻璃C应力→各向异性→各向不同→n各向不同在一定应力范围内：§7人工双折射人为地造成各向异性，而产生双折射。一.光27各处不同→各处不同→出现干涉条纹

变→变→干涉情况变。二.电光效应电光效应也叫电致双折射效应1.克尔效应(1875年)l+-4545P1P2克尔盒d各处不同→各处不同→出现干涉条纹28

不加电场→液体各向同性→P2不透光

加电场→液体呈单轴晶体性质，——二次电光效应

E—电场强度，k

—克尔常数克尔效应引起的相位差为：克尔盒相当于半波片，P2透光最强。时，光轴平行P2透光不加电场→液体各向同性→P2不透光加电场→液体呈单轴292.泡克尔斯效应(1893年)电光晶体+。。-P1P2KK泡克尔斯盒··硝基苯，若l=3cm,d=0.8cm,λ=600nm的黄光，则产生k=时的电压。克尔盒的应用:...克尔盒的缺点:...2.泡克尔斯效应(1893年)电光晶体+。。-P1P2KK30

不加电场→P2

不透光

加电场→晶体变双轴晶体→原光轴方泡克尔斯效应引起的相位差——线性电光效应no—o光在晶体中的折射率；V

—电压；r

—电光常数。应用:三.磁致双折射科顿—穆顿效应向附加了双折射效应→P2

透光。不加电场→P2不透光加电场→晶体变双轴晶体→原光轴31§8旋光现象一.物质的旋光性使线偏振光的振动面发生旋转

旋光物质a—旋光率二.菲涅耳的解释线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确定相位差的左(L)、右(R

)旋圆偏振光的合成。旋转的角度：d§8旋光现象一.物质的旋光性使线偏振光的振动面发生旋32EELER·o光通过旋光物质后，初相要滞后ELERE(a)(b)ELERERL同一时刻(a)(b)d设入射时L、R初相为0，旋光物质长dEELER·o光通过旋光物质后，初相ELERE(a)(b33在出射面上:由图示，有：令——旋光率则在出射面上:由图示，有：令——旋光率则34三.量糖术对溶液有──溶液的旋光率c──溶液的浓度──溶液的比旋光率“量糖计”四.磁致旋光d磁致旋光物质B旋转的角度

V─费德尔常量，三.量糖术对溶液有──溶液的旋光率c──溶液的浓度─35

对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由旋光物质本身决定的，与光的传播方向无关。反射镜入射光左旋反射镜反射光左旋对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由旋光物质本身决定的，36

对磁致旋光物质，光沿与逆方向传播，振动面旋向相反。反射镜反射光右旋B反射镜入射光左旋B对磁致旋光物质，光沿与逆方向传播，振动面旋向37§1光的偏振状态一.线偏振光E播传方向振动面·面对光的传播方向看线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解EEyEx

yx第三章光的偏振(Polarizationoflight)§1光的偏振状态一.线偏振光E播传方向振动面·面对光的传38线偏振光的表示法：·····光振动垂直板面光振动平行板面二.自然光没有优势方向自然光的分解一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。自然光的表示法：···线偏振光的表示法：·····光振动垂直板面光振动平行板面二.39三.部分偏振光部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。部分偏振光的表示法：······平行板面的光振动较强垂直板面的光振动较强··三.部分偏振光部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光可分解40右旋圆偏振光右旋椭圆偏振光y

yx

z传播方向

/2x某时刻右旋圆偏振光E随z的变化E0四.圆偏振光,椭圆偏振光右旋圆右旋椭圆yyxz传播方向/2x某时刻右旋圆41五.偏振度Ip—部分偏振光中包含的完全偏振光的强度It

—部分偏振光的总强度In

—部分偏振光中包含的自然光的强度完全偏振光(线、圆、椭圆)P=1自然光(非偏振光)P=0部分偏振光0<P<1偏振度的另一种表示：五.偏振度Ip—部分偏振光中包含的完全偏振光的强度It42§2偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律一.起偏

起偏的原理：利用某种光学的不对称性

偏振片微晶型分子型xyzz线栅起偏器

入射电磁波

起偏：从自然光获得偏振光

起偏器:起偏的光学器件·非偏振光线偏振光光轴电气石晶片··§2偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律一.起偏起偏的原理43非偏振光I0线偏振光IP偏振化方向(透振方向)二.马吕斯定律I0IPPE0E=E0cos

偏振片的起偏马吕斯定律（1809）——消光···非偏振光I0线偏振光IP偏振化方向二.马吕斯定律I044三.检偏用偏振器件分析、检验光的偏振态I?P待检光思考：I不变？是什么光I变，有消光？是什么光I变，无消光？是什么光三.检偏用偏振器件分析、检验光的偏振态I?P待检光思考：45§3反射和折射光的偏振*散射光的偏振一.反射和折射时光的偏振i=i0时，反射光只有S分量i0

—布儒斯特角或

起偏角i0

+r0=90O由

有—布儒斯特定律(1812年)·······n1n2iir·自然光反射和折射后产生部分偏振光·····n1n2i0i0r0线偏振光··S起偏振角···§3反射和折射光的偏振*散射光的偏振一.反射和折射时46若n1

=1.00(空气)，n2=1.50(玻璃)，则：二.玻璃片堆起偏和检偏

1.起偏当i=i0时自然光从空气→玻璃············i0(接近线偏振光)··················2.检偏...玻璃片堆若n1=1.00(空气)，n2=1.50(玻璃)，47*三.散射光的偏振1.散射光的产生

pI()振荡电偶极子电磁辐射强度的角分布2.散射光的偏振zxpy入射自然光B

散射光(部分偏振光)

散射光

(线偏振光)

散射光

(自然光)*三.散射光的偏振1.散射光的产生pI()振荡电偶极48§4光在晶体中的传播,双折射···

方解石oeeo一.双折射的概念1.双折射n1n2irore(各向异性媒质)自然光o光e光2.寻常光和非寻常光o光:遵从折射定律e光:一般不遵从折射定律e光折射线也不一定在入射面内。···§4光在晶体中的传播,双折射···方解石oee493.晶体的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，方解石晶体(冰洲石)AB光轴102°

光轴是一特殊的方向,凡平行于此方向的直线均为光轴。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3.晶体的光轴当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射504.主平面和主截面主平面：晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。e光光轴e光的主平面o光光轴o光的主平面····主截面：晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。二.晶体的主折射率，正晶体、负晶体光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同,光的传播速度也不同。4.主平面和主截面主平面：晶体中光的传播方向与晶体e光光轴51························vot光轴光轴vetvoto光:e光:

n0，ne称为晶体的主折射率

正晶体:ne>no负晶体:ne<no子波源votvet光轴votvet光轴

正晶体

(vo>ve)

负晶体(vo<ve)子波源(e<o)(e>o)························vot光轴52三.单轴晶体中光传播的惠更斯作图法(e>o)1.光轴平行晶体表面，自然光垂直入射····

eoeo光轴晶体····

o,e在方向上虽没分开，但速度上是分开的。2.光轴平行晶体表面，且垂直入射面，自然光斜入射····晶体光轴ir0reo

········oΔteΔteo

ecΔt三.单轴晶体中光传播的惠更斯作图法(e>o)1.光533.光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射······o

e晶体光轴····

e方解石光轴······o

eo此时e光的波面不再与其波射线垂直了3.光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射······o54§5晶体光学器件一.晶体起偏器件

1.晶体的二向色性、晶体偏振器某些晶体对o光和e光的吸收有很大差异，这叫晶体的二向色性电气石····光轴e光电气石光轴可产生线偏振光§5晶体光学器件一.晶体起偏器件1.晶体的二向色性552.偏振棱镜偏光镜:格兰─汤姆孙棱镜偏光分束镜:沃拉斯顿棱镜············光轴光轴方解石方解石加拿大树胶

(n=1.55)oe吸收涂层i光轴的取向使o光、e光对应的恰是no、ne

。no(1.6584)＞n(1.55)＞ne(1.4864)·12方解石方解石·······oe光轴光轴·方解石n0＞ne2.偏振棱镜偏光镜:格兰─汤姆孙棱镜偏光分束镜:沃拉56二.晶体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏1.晶片─相位延迟片晶片是光轴平行表面的晶体薄片。ydxAAoAe线偏振光光轴λ

通过厚为d的晶片，o、e光产生相位差：AAoAe光轴P

振幅关系二.晶体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏1.晶片─相位延迟57从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差的线偏振光，它们合成为一束椭圆偏振光。时为圆偏振光

2.波（晶）片

(1)四分之一波片——线偏振光→圆偏振光——线偏振光→线偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向相互垂直、频率相等、相58——线偏振光→椭圆偏振光(2)二分之一波片使线偏振光振动面转过2角度A0入A0出A入A出Ae入=Ae出入光轴(3)全波片三.椭圆与圆偏振光的检偏用四分之一波片和偏振片P可区分出自然光和圆偏振光或部分偏振光和椭圆偏振光——线偏振光→椭圆偏振光(2)二分之一波片使线偏振光振动面59

四分之一波片圆偏振光自然光自然光线偏振光

偏振片（转动）线偏振光

I不变线偏振光I变,有消光以入射光方向为轴

四分之一波片椭圆偏振光部分偏振光线偏振光

偏振片（转动）线偏振光I变,有消光

部分偏振光光轴平行最大光强或最小光强方向放置或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置线偏振光I变,无消光四分之一波片圆偏振光自然光自然光线偏振光偏振片（转动）线60§6偏振光的干涉一.偏振光干涉装置d晶片C偏振片P2偏振化方向

单色自然光偏振片P1偏振化方向光轴方向二.偏振光干涉的分析1.振幅关系P2P1CA1AeAoA2oA2e在P2

后，两束光振动方向平行，振幅为：§6偏振光的干涉一.偏振光干涉装置d晶片C偏振片P261通过晶体C后此两束光合成为一束椭圆偏振光通过P2

后（若P1、P2夹角小于，则无附加相差）2.相位关系—相长干涉通过晶体C后此两束光合成为一束椭圆偏振光通过P2后（若P162—相消干涉若单色光入射，且d不均匀，则屏上出现等厚干涉条纹。三.色偏振白光入射，晶片d均匀屏上由于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色这叫（显）色偏振。若d不均匀，则屏上出现彩色条纹。如红色相消→绿色；蓝色相消→黄色，—相消干涉若单色光入射，且d不均匀，则屏上出现等厚干涉条纹。63§7人工双折射人为地造成各向异性，而产生双折射。一.光弹效应(应力双折射效应)P1P2··dFSF干涉有机玻璃C应力→各向异性→各向不同→n各向不同在一定应力范围内：§7人工双折射人为地造成各向异性，而产生双折射。一.光64各处不同→各处不同→出现干涉条纹

变→变→干涉情况变。二.电光效应电光效应也叫电致双折射效应1.克尔效应(1875年)l+-4545P1P2克尔盒d各处不同→各处不同→出现干涉条纹65

不加电场→液体各向同