大学物理第15章光的偏振

大学物理学第15章光的偏振光的偏振态—光矢量在垂直于传播方向的平面内的振动状态。最常见的偏振光有五种:自然光、部分偏振光、线偏振光、*椭圆偏振光和圆偏振光。EH光的传播方向

光波是横(电磁)波。光波中光矢量(电场)的振动方向与光的传播方向垂直。§15.1光的偏振态自然光自然光的表示法：用两个独立的(无确定相位关系)、相互垂直的等幅振动来表示。

圆点表示垂直于纸面的振动,短线表示平行于纸面的振动。由于原子发光的间歇性和无规则性，使得普通光源发出的光的光矢量在垂直于传播方向的平面内在各方向上的分布是对称且均匀的，各方向光振动的振幅相等。具有上述特性的光，称为自然光。部分偏振光的表示：用数目不等的圆点和短线表示。部分偏振光定义：光振动在垂直于其传播方向的平面内各方向都有，但它们的振幅不等。部分偏振光线偏振光线偏振光：光矢量在一个固定平面内只沿一个固定方向振动，这种光称为线偏振光，又称为平面偏振光或完全偏振光。振动面：光矢量的振动方向和光的传播方向构成的平面称为振动面。线偏振光的表示：用短线或圆点表示。椭圆偏振光和圆偏振光如果光矢量的端点轨迹是一个椭圆，这种光叫做椭圆偏振光。如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光叫做圆偏振光。左旋j2-j1=-p/2xyxy右旋2-1=/2§15.2偏振片马吕斯定律起偏和检偏偏振片马吕斯定律一.起偏和检偏获得线偏振光的过程称为起偏，所使用的器件称为起偏器。检验某光束是否为线偏振光的过程称为检偏，所使用的器件称为检偏器。二.偏振片的起偏和检偏偏振化方向：允许通过的光振动方向。常用箭头“”表示。偏振片自然光Io线偏振光

偏振片的构造:

将硫酸碘金鸡钠霜晶粒定向排列并蒸镀在透明基片上，就制成偏振片。

偏振片的特性:

能吸收某一方向的光振动而仅让与此方向垂直的光振动通过。偏振片的起偏：偏振片的检偏：光强无变化的是自然光;若以光传播方向为轴,慢慢旋转检偏片，观察透过偏振片的光,光强有变化,但最小值不为零的是部分偏振光;光强有变化,但最小值为零(消光)的是线偏振光。I=(Eocos)2=Iocos2

EoIo=Eo2Eocos

I=Iocos2

式中：是入射线偏振光的光振动方向和偏振片偏振化方向之间的夹角。证明：三.马吕斯定律强度为Io的线偏振光，透过检偏片后的光强(不考虑吸收)为解

由解得：=45°(or135)。自然光Io例题

自然光连续通过两个偏振片后，透射光强为入射光强的四分之一，求两个偏振片偏振化方向之间的夹角

。透射光强:可见最大透射光强为ABC自然光Io例题

强度为Io自然光连续通过三个偏振片A、B、C，AC，求最大透射光强。解设A、B偏振化方向间的夹角为,有解设入射光中自然光的光强为I1，线偏振光的光强为I2，则透射光强即入射光中自然光和线偏振光的光强之比为1:2。例题

一束光是自然光和线偏振光的混合。通过一偏振片后，测得最大透射光强是最小透射光强的5倍，求入射光中自然光和线偏振光的光强之比。§15.3反射和折射时光的偏振由反射获得偏振光布儒斯特定律由折射获得偏振光一般情况下,反射光和折射光都是部分偏振光：在反射光中,垂直振动多于平行振动;在折射光中,平行振动多于垂直振动。这里所说的“垂直”和“平行”是对入射面而言的。n1n2一.由反射获得偏振光i实验证明,此时入射角io和折射角r之和恰90(反射光线折射光线)，即

io+r=90布儒斯特定律n1n2rio1812年，布儒斯特由实验证明：当入射角是某一个特定角io时,反射光成为只有垂直振动的线偏振光。角io称为布儒斯特角(或起偏角)。所以：n1n2rioio+r=90布儒斯特定律布儒斯特角与全反射临界角的区别全反射：入射角ii临都是全反射。由于故只有n1>n2才会发生全反射。n1n2rio布儒斯特角：当且仅当时，反射光才是线偏振光。且n1>n2或n1<n2都可以。例题

(1)平行光以60o的入射角由空气射向一平板玻璃，发现反射光是完全偏振光,则折射光的折射角为。玻璃的折射率为。

(2)某透明媒质对空气全反射的临界角为45o,则光从空气射向该媒质时的布儒斯特角为。因io+r=90o，所以折射角r=30o。又所以io

=tg-154.7o30o以布儒斯特角入射获得的反射线偏振光，其垂直振动分量只占入射光垂直分量的小部分（如15%）。反射光改变了原入射光的方向，使用不方便。二.由折射获得偏振光反射偏振光的缺点由玻璃片堆获得折射偏振光玻璃片堆线偏振光入射自然光§15.4光在晶体中的双折射双折射现象o光和e光光轴、主截面和主平面关于双折射的解释光学各向同性媒质：如玻璃、水等，光沿各个方向的传播速度相同。光学各向异性媒质：如方解石、石英等，光沿不同方向传播时速率不同。

晶体中的双折射现象方解石双折射现象：光线进入光学各向异性媒质(如方解石)后产生两条折射光线的现象，称为双折射现象。一.双折射现象两条折射光线中有一条遵守通常的折射定律(n1sini=n2sinr,折射光线在入射面内)，这条光线称为寻常光线(ordinaryrays)，简称o光。另一条光线不遵守通常的折射定律,它不一定在入射面内，这条光线称为非常光线(extraordinaryrays)，简称e光。

晶体中的双折射现象方解石二.o光和e光方解石oeoe方解石o光和e光都是线偏振光,振动方向相互垂直。方解石oeoe方解石产生双折射的原因:o光和e光的传播速度不同。

o光在晶体中各个方向的传播速度相同，折射率no=c/o=恒量。

e光在晶体中的传播速度e随方向变化，因而折射率ne=c/e是变量，随方向变化。

由于o光和e光的折射率不同，故产生双折射。产生双折射原因的简单解释三.光轴主截面主平面

单轴晶体：只有一个光轴的晶体，如方解石、石英、红宝石等。双轴晶体：有两个光轴的晶体，如云母、硫磺、蓝宝石等。102o方解石

光轴光轴：在晶体内部存在的不发生双折射的方向。应该注意,光轴仅标志一定的方向,并不限于某一特殊的直线。主截面：由光轴与该晶面的法线所组成的平面。当光线在晶体的主截面内入射时,主截面、o光和e光的主平面均重合。我们主要讨论这种情况。o光的光振动方向垂直于自己的主平面;e光的光振动方向平行于自己的主平面。

o光和e光的光振动方向是相互垂直的。no=1.658,ne=1.486方解石的主截面oe主平面：某光线的传播方向和光轴方向所组成的平面。四.惠更斯原理研究双折射现象1.o光在各个方向的传播速度相同，子波面应为球面。e光的传播速度随方向变化，但可以证明子波面为旋转椭球面。2.o光和e光在光轴方向传播速度相同，故子波面在光轴方向相切；实验表明，在垂直于光轴的方向上速度相差最大。3.对负晶体(如方解石)，在垂直于光轴的方向上,o<e,no>ne,故e光的子波面(旋转椭球面)应包围o光的子波面(球面)。惠更斯作图法原理当次波波面传到单轴晶体后，波面上的每一小面元都可以看作次波波源，分别发出两种次波；其中一种次波的波面是球面，另一种是旋转椭球面（它们在光轴方向相切），所有球面和旋转椭球面次波源中心和次波波面与包络面切点的连线是相应的光线传播方向。AVeVo

光轴方解石(负晶体)的子波波阵面O光波面e光波面(1)光线斜入射，光轴与晶面斜交晶面方解石eeoo(2)光线垂直入射，光轴与晶面平行晶面方解石ooee五.尼科耳棱镜ACfg10278no