简短的历史回顾

简短的历史回顾*

十七世纪下半叶

牛顿：光的微粒说惠更斯：光的波动说

十九世纪初

托马斯•杨：双缝干涉实验、直边衍射现象

菲涅尔：光的波动理论

十九世纪中叶

麦克斯韦：光的电磁波理论

十九世纪末二十世纪初

爱因斯坦：光的量子说2

几何光学:

以光的直线传播为基础，

研究光在透明介质中的传

播问题。

内容：

光的直线传播定律

光的独立传播定律

光的折射和反射定律

3

・波动光学：

以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律

偏振

内容：干涉

衍射

4

•量子光学：

以光和物质相互作用时所显示出的粒子性为基

础，来研究光的一系列规律。

内容：光和物质的相互作用规律

5

・现代光学:

反映了光学进一步于各个科技领域的紧密结合

内容：

激光

全息摄影

光纤维

光学计算机

傅里叶光学

红外技术

遥感、遥测等

6

第19章光的偏振

§19-1原子发光

•光源光谱

•原子的发光模型

・光波列的频谱宽度

§19-2自然光和偏振光

§19-3偏振片Malus定律

§19-4反射和折射时光的偏振

§19-5双折射现象

§19・6光振动的叠加波片

§19-7人工双折射旋光现象*

8

、光源光谱

1.光源:用作发射光的物体

光源的最基本的发光单元是分子、原子。

2.光谱:

光的强度按频率

（或波长）的分

布.1666年，牛顿

用棱镜将太阳光

分解为由红到紫

的可见光谱

9

3.光源、光谱种类

一般光源发光频率（波长）不是单一

线谱光源.

-0发言•的光由分立的频率（亮线、带）组成

阳气体放电管、钠光灯、水银灯、日光灯

等；Spectrumofhydrogen）

连续谱光源：发射频率连续变化的光

如白炽灯、弧光灯、太阳等，热辐射光源。

400nm500nm600nm700nmH

能级图

v=(E^Eyh

。普朗克常数

13

2.原子发光特点

间歇性：各原子发光是断

wvwy

断续续的，平均

发光时间加约为I-----------------------------------------------------►

Ax=cAt

10-8秒，所发出的

是一段长为

£二必，的光波列。

A

&------------------0-----------------初态

ohv

O

Ex------------------0-----------------

A

E2~------------终态

E[----------°---------

15

随机性：每次发光是随机的（独立的），所发出各波

列的振动方向和振动初位相都不相同。

即：不同原子发的光波列是独立的；同一原子

先后发的光波列也是独立的

16

、光波列的频谱宽度

1、频谱自然宽度

单色光：具有恒定单一频率的简谐波，光波列是无

限伸展的。

・wvww\:

准单色光：实际原子的发光：是一个有限长的波列，

所以不是严格的单色光,只能说是准单色

光

|WW|

4---------------------------------------------------------►

Ax=cA?17

频谱自然宽度

有限长的波列可以认为是在某个中心频率（波长九0）

附近有一定频率（波长AX）范围的光集合

若在入°土△入/2波长的强度为中心波长强度的一

半，则A九称为光波列的频谱宽度（频谱自然宽度）

它是衡量单色性好坏的物理量

例：普通单色光△入:1010°A°

激光A入：10-8-10-5A。

18

谱线窗度也可用△v或Ak表示

2、光波列的长度和频谱宽度的关系

2

【0t

/。/2A2

Ax

I40

理论可证明：

Ax-A2xA2

or(Ar•从P2乃

,2JI

、k——

2

A/­Ay«1

Ax=cAtyAZ:=A(^^)=^Av

Avc

Ax・A左二2兀Nt-Aup2%

20

讨论：AJT-A2«22APAv~1

为该波列的发光时间，或原子在激发态的寿命

Ax—>8,->0

Aroo9Av0

Ax或4越长，单色性愈好。

21

3、实际影响谱线宽度的主要因素

1）自然宽度Av：由能级自然宽度形成

（如上述）。

2）碰撞增宽：△£J,AX?

3）多普勒效应：土人A2T

22

第19章光的偏振

§19-1原子发光

§19-2自然光和偏振光

•偏振光

•自然光

•部分偏振光

§19-3偏振片Malus定律

§19-4反射和折射时光的偏振

§19-5双折射现象

§19・6光振动的叠加波片

§19-7人工双折射旋光现象*

23

、偏振光(polarizedlight)

光矢量：指电矢量E,其振动方向称为光的

偏振方向（状态）

1、线偏振态（平面偏振态）

光矢量在传播中始终保持在一个固定平面上振动。

垂直

平行

24

线偏振态

25

2、圆偏振态

光矢量绕着光的传播方向旋转，光矢量的端点

轨迹是一个圆

右旋圆偏振光与左旋圆偏振光：

迎着光线看，矢量顺时针转的称右旋圆偏振

光，光矢量逆时针转的称左旋圆偏振光

——-----►右旋圆偏振光

i26

偏振态

27

例1:某一时刻后的波形图如下，判断是左旋还是右旋圆

偏振光

圆偏振态可分解为两束振动方向相互垂直的、等

幅的、周相差为兀/2线偏振光。

Ey=E”cos[m—依+%]

圆偏振光波不仅携带能量和动量，还有角动量29

3、椭圆偏振态

光矢量绕着光的传播方向旋转，光矢量的端点轨

迹是一个椭圆。

椭圆偏振态可分解为两束振动方向相互垂直

的、不等幅的、周相差恒定的线偏振光的叠

加。

也有右旋椭圆偏振光与左旋椭圆偏振光

30

椭圆偏振光可认为是二个相互垂直、同频率、相位

差确定的线偏振光的叠加

Ey=纥ocos

纥=纥0cos

\(p=cp2-(px

当A。。。/时为椭圆偏振光

当△展±5且振幅相等时为圆偏振光31

、自然光[Natural(unpolarized)light]

光源上一个原子一次发出的是一个线偏振光波列,

持续时间约IO4秒。

各原子是独立地、随机地发光的。光矢量的大小、

方向、初位相等等也是随机的。

32

这种大量振幅相同、有各种振动方向、彼此没有固定

相位关系的光矢量的组合叫非偏振光或自然光

没有优势方向

自然光的光强

%y

I=Ix+Iy=2Ix=2Iy

33

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。

自然光用图表示为

34

三、部分偏振光(partialpolarizedlight)

光矢量的振动方

向不具有轴对称

分布，而是在某米=>

一方向占优势，

称部分偏振光，部分偏振光部分偏振光的分解

它介于自然光与

线偏振光之间。光强的分布不是轴对称

部分偏振光的图示

35

起偏：把自然光变成线偏振光称为起偏

方法：偏振片、利用光的反射与折射等

36

第19章光的偏振

§19-1原子发光

§19-2自然光和偏振光

§19-3偏振片Malus定律

•偏振片

•Malus定律

•检偏

§19-4反射和折射时光的偏振

§19-5双折射现象

§19・6光振动的叠加波片

§19-7人工双折射旋光现象*

37

＞偏振片

偏振片：对某一方向的光振动有强烈吸收-消光

方向，另一方向可以通光-称为偏振化方向(起

偏).

原理：是以利用晶体的各向异性，如二向色性

(dichroism)

*38

问题：线偏振光通过偏振片P前后的光强关

系，设a是线偏振是线偏振光的光振动方向

与检偏器透振方向间的夹角

39

、Malus定律

线偏振光通过偏振片P前后的光强关系:

E-Eocosa

22

IQCE-cosa

/=/ocos2a称为马吕斯定律。

式中a是线偏振光的光振动方向与检偏器透振

方向间的夹角40

屏偏振片

线偏振光

41

思考1:自然光通过偏振片光强如何?

2

L1=U/Xnvcosa

I-1I

7Ox~0y

出射光强为

I=I1+I2=Iox

思考2：自然光通过偏振片消光吗?

43

例2:如图，在两偏振化方向垂直的Pl与P2之间

放置另一偏振片P3，求12=?，

44

I1=-I

I\=I]cos2a,

222

I2=I\cosp=cosotcosp

cos2asm•2a

--Lsin22a

8°

45

思考3：对部分偏振光通过偏振片光强如何？*

LJ0-LJ0x+LT0y

【Ox。，0y

!x=loxcos%

2

Iy=IOysina

22

/二4+4=IOxcosa+IOysina

46

Assignments：19.2,3

47

、检偏

用偏振器件分析、检验光束的偏振状态称“检偏

偏振片既可"起偏”，又可“检偏”

思考：设入射光是自然光、线偏振光、或部分偏

振光，如何用偏振片来区分它们？

起偏器P1

屏

自献

48

自然光在媒质表面反射、折射时，也出现光

的偏振现象。

50

第19章光的偏振

§19-1原子发光

§19-2自然光和偏振光

§19-3偏振片Malus定律

§19-4反射和折射时光的偏振

•布儒斯特定律

•玻璃片堆

•偏振的应用

§19-5双折射现象

§19・6光振动的叠加波片

§19-7人工双折射旋光现象*

51

1.布儒斯特定律(Brewster'slaw)

实验表明：

■若光从折射率为小的

介质射向折射率为止

的介质，反射光中管

矢量垂直入射面的分

量比例大；折射光中

平行入射面的分量比

例大。自然光反射和折射

后产生部分偏振光

■入射角，变，反射、折

射光的偏振度也变

52

当入射角a满足条件

,-九2

tan口=」

%

反射光成为其振动方向垂直起偏振角

于入射面的线偏振光——布

儒斯特定律，人称为布儒斯

特角或起偏角

53

■可以证明，当光以布儒斯

特角入射时，反射光（线

偏振光）与折射光（部分偏

振光）互相垂直，即

.冗

…二3

证明：由折射定律

%sinib=n2siny,兀

+.n2,b+y=3

tan八=」

n54

例3：当电二八折射角为y（如图1），当入射光以y角

从〃2介质入射于界面时，止匕y角即为布儒斯特角吗?

证明：根据光路的可逆性

tan/=-

0n.亓⑺

Ltan片taYf)=&y是布儒斯特角

…三”55

例：若〃产LOO（空气）,〃2=1・50（玻璃）。

空气一玻璃％=tan-19普=56。18，

I4。5互余

玻璃一空气月，=。

ib=tan-i3342，

56

解释Brewsterlaw

为什么?

振荡电偶极子电磁辐射强度的角分布

*57

例4:讨论下列光线的反射和折射（起偏角如

0：00

例5一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角为布

儒斯特角片，问在界面2的反射光是什么光？

说明：一次起偏垂直入射面的振动仅很小部分被反

射（约15%）所以反射偏振光很弱。一般应

用玻璃片堆产生偏振光59

2.玻璃片堆(Pileofplates)

要提高反射线偏振光的强度,

可利用玻璃片堆的多次反射。

（反射光是完全线偏振光

强度几乎50%）

60

演示：玻璃片堆

玻璃片堆

3然光入射于玻璃堆初果7

圻特角，则反射光为全偏振

垂直于入射面.透射光为吾

:他煽化后向W1

*61

3.应用

1）在拍摄玻璃窗内的物体时，去掉反射光的干扰

未

装

装

偏

振

偏

片

振

片

62

2)立体电影

3）生物的生理机能与偏振光

4）汽车车灯

64

ThephotographisAnaglyphimage.Youcan

seein3DwithRed-Blueglasses

65

References

1.新概念物理教程一光学赵凯华/高等教育出版社

2004

2.普通物理学教程/梁灿彬,秦光戎,梁竹健原著

高等教育出版社2004

3.光学教程（第3版），姚启钧/高等教育出版社2002

4.光学教程（第三版）学习指导书/宣桂鑫编著/高等

教育出版社2004

5.基础物理学/陆果/高等教育出版社1997

6.Physicsforscientistsandengineers^P.M.

Fishbane

7.UniversityPhysics,R.L.Reese

8.TheFeynmanLecturesonPhysics,R.P.Feynman

66

Thanks!

67

当方解石晶体旋转时

利用双折射现象也可以获得线偏振光

69

第19章光的偏振

§19-1原子发光

19-2自然光和偏振光

19-3偏振片Malus定律

19-4反射和折射时光的偏振

19-5双折射现象

•双折射现象

•寻常光和非寻常光

•晶体的主折射率正晶体、负晶体

•用惠更斯作图法说明双折射现象

§19-6光振动的叠加波片

§19-7人工双折射旋光现象*

70

、双折射现象(Birefringenceordoublyrefracting)

透过方解石(Calcite:CaCC)3)晶体看十字成双像，

旋转方解石像亦旋转

透过方解石(CaCC)3)晶体看字成双像

一束(自然)光入射到各向异性的媒质中分成两

束光的现象称为双折射现象

71

＞寻常光和非寻常光

1.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：方解石晶体是由平行六

面体构成的,每个面都是钝

角102。和锐角78。的平行四边

形。

A点和B点是三个钝角的交合点，

AB连线与三条棱边的夹角相等。

实验发现AB的方向即方解石晶

体光轴的方向。

*72

如果将A或B磨平，使磨面与光轴垂直，当光线

垂直磨面入射时，无双折射现象。

方解石晶体的光轴

光轴是一个特殊的方向，凡平行于此方向的直

线均为光轴。73

■只有一个光轴的晶体称单轴晶体

如方解石、石英,冰等；

■有两个光轴的晶体称双轴晶体

如云母、硫磺，兰宝石等。

（我们只讨论单轴晶体的双折射）

74

2.主平面

晶体中某条光线与晶体光轴构成的平面,称为该

光线的主平面。

光轴方向

有两个主平面

主平面

切面

用偏振片检验，二束光都是偏振光（且偏振方向

互相垂直*）O可见，利用双折射现象也可以获

*得线偏振光。75

3.寻常光

自然光

寻常光（O光Ordinarylight）

■光振动垂直光轴

（其主平面）

-遵从折射定律

sini=sinr

4.非寻常光：e光Extra-ordinarylight

光振动在其主平面内（与光轴不垂直）

■一般不遵从折射定律：

sini

------wconst

sinr

■一般折射线不在入射面内。

一般来说，。光主平面前e光主平面并不重合。例,

光轴