光的横波性与五种偏振态

1）机械波的横波性的检验光的横波性与五种偏振态光的干涉和衍射现象只表明光是一种波动，光的偏振现象则清楚地显示光是横波（振动方向与传播方向垂直）而不是纵波。1．光的偏振现象与光的横波性如图，将橡皮绳的一端固定，手拿着另一端上下抖动，于是横波沿绳传播，在波的传播路径中放置两个栏杆G1、G2，若二者缝隙方向一致（a），则通过G1的振动可无阻碍地通过G2，若二者缝隙方向垂直（b），则通过G1的振动传到G2处就被挡住，在G2后不再有波动。这只可能是横波。2.光的偏振的含义光波振动方向的不全面和振幅不均等的现象称为光的偏振现象2）光波的横波性的检验（光的偏振现象）如图，让光线依次通过两个偏振片P1、P2，P1固定不动，以光线为轴转动P2，发现：随着P2的的取向不同，透射光的强度发生变化，当P2处于某一位置时透射光的强度最大，由此位置转过90度后，透射光的强度减为零，即光线完全被P2所阻挡（消光），若继续转过90度，透射光又变为最亮，再转过90度，又复消光，如此等等。结论：偏振片所起的作用反映了它上面存在着一个特殊方向，使光波中的振动能顺利通过；该实验也反映了光波的振动方向与传播方向垂直即光波是横波。光的电磁理论建立以后，光的横波性才得以完满说明：在自由空间传播的光波是一种纯粹的横波，光波中沿横向振动着的物理量是电场矢量和磁场矢量，鉴于在光和物质的相互作用过程中主要是光波中的电矢量起作用，所以常以电矢量作为光波中振动矢量的代表。光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直，在与传播方向垂直的二维空间里电矢量还可能有各式各样的振动状态，称之为光的偏振态或偏振结构。偏振片（1）晶体的二向色性（选择吸收性）（2）偏振片及其透振方向和消光方向（3）偏振片的制造（4）偏振片的起偏和检偏性能光的五种偏振态1）光是横波，才有不同的偏振状态2）光波的五种偏振态：自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。3．线偏振光1)线偏振光的定义：在垂直光传播方向的平面上，只有单一方向的振动矢量，随着时间的推移，振动矢量只改变大小、不改变方向。2)振动面与平面偏振动面：线偏振光的传播方向与振动方向构成的平面。同一波线上的线偏振光的光振动均处于同一振动面上，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）线偏振光通过偏振片后的光强度若入射的线偏振光强为：旋转偏振片P一周，出射光强的变化为：线偏振光存在一个消光方向,在垂直P的透振方向上4）马吕斯定律称上式为马吕斯定律注意：

（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。由于：就有：5）起偏器和检偏器起偏器：任何偏振态的光通过后透射光都变为线偏振光的器件。检偏器：检查入射光偏振态的器件线偏振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。6）一束线偏振光可以分解为两束互相垂直的线偏振光若将带入参量方程消去参量t，就有：，这正是直线方程结论：（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。4．自然光1）自然光的定义：在垂直光传播方向的平面上，所有方向均有横振动，各个方向的振动幅度均相等，形成如图所示的轴对称振幅分布。2）自然光通过偏振片后的光强度若入射的自然光强为：自然光旋转偏振片P一周，出射光强均为：3）试证明自然光通过偏振片后出射光强为入射光强的一半。自然光由无数条非相干的线偏振光组成数密度：单位夹角内包含的线偏振光的条数角内包含的线偏振光的条数：角内包含的线偏振光的总强度：入射的自然光的总光强：设偏振片的透振方向与角内线偏振光的夹角为：依据马吕斯定律：角内的线偏振光通过偏振片后的光强为：透过偏振片后自然光的光强变为：因此有：注意：已经将公式中的改写为5．部分偏振光1）部分偏振光的定义：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，形成如图的振幅分布。2）部分偏振光通过偏振片后的光强度

若入射的部分偏振光强为旋转偏振片P一周，出射光强的变化为：与的振动方向互相垂直，没有消光现象出现部分偏振光3）部分偏振光的总光强4）偏振度：

时，，为自然光＝时，，是线偏振光注意：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。6．圆偏振光1）圆偏振光的定义：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。2）圆偏振光通过偏振片后的光强度若入射光强为：圆偏振光旋转偏振片P一周，出射光强不变化3）圆偏振光能够分解成两束互相垂直的线偏振光A若将带入方程，消去参量t就有：，正是圆方程。结论：（1）圆偏振光可以分解为两个互相垂直的振幅相等、相位差为的线偏振光。（2）可以由这两束线偏振光来代替这束圆偏振光。4）圆偏振光的总光强：5）左旋圆偏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：若振动矢量逆时针旋转就称为左旋圆偏振光，此时：（2）证明：若圆偏振光的，则振动矢量逆时针旋转。证明：

已知：如图所示，由到旋转走向为逆时针方向。7．椭圆偏振光1）椭圆偏振光定义：在垂直光传播方向的平面上，只有单一的振动矢量，振动矢量的大小和方向不断地改变，振动矢量的端点描绘成一个椭圆形轨迹。2）椭圆偏振光通过偏振片后的光强度椭圆振光若入射的部分偏振光强为旋转偏振片P一周，出射光强的变化为：与的振动方向垂直。,没有消光现象出现3）椭圆偏振光能够分解成两束互相垂直的线偏振光当时，A若消去参量方程中的t有：这正是椭圆方程式结论：（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。4）椭圆偏振光的总光强：

5）左旋与右旋椭圆偏振光定义：迎着光线传播的方向观看，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。6）各种相位差对应的椭圆偏振态图（1）当坐标系为如图所示时（2）参量方程为：（3）就有如下的各种相位差对应的椭圆偏振态图（4）若参量方程用复振幅表示，则为：，

。，7）自然光能够分解成两束线偏振光两束线偏振光的关系是：（1）分解的方向可以任意，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（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8）为什么自然光只能由相位差不稳定的两束线偏振光代替。若两束线偏振光之间有稳定的相位差，就能合成线偏振光、圆偏振光或椭