光 的 偏 振课件

光的偏振偏振光与自然光一、虽然光具有波动性，但是光波是横波还是纵波，惠更斯曾经也认为光波（类比声波和水波）是纵波，其实不然.早在1817年1月12日，托马斯·杨给布喇格的信中说，根据光在晶体中传播产生光的双折射现象推断光是横波.当时，菲涅耳也认同这一观点，并运用横波的理论解释了偏振光的干涉现象.光的偏振现象有力地证明了光是横波的光辉论断.现代科学研究进一步表明，光是特定频率范围内的电磁波.由于电磁波是横波，因而光矢量的振动方向总和光的传播方向垂直.横波的偏振性1.波可以分为横波和纵波.横波的传播方向和质点的振动方向垂直.通常将光矢量的振动方向和光的传播方向组成的平面称为振动面.我们看一个机械横波的实验，如图13-40所示.图13-40横波的特征一根抖动着的绳子，在横波的传播方向上，设置两个上面开着狭缝的栅栏，栅栏的作用相当于一个波的接收器，当第一个栅栏的狭缝与绳子的振动方向平行时，波可以不受阻挡地通过，当第二个栅栏的狭缝与绳子的振动方向垂直时，横波就无法通过.但对纵波来说，不管狭缝的方向如何，它都能不受阻挡地通过.这个实验给出了区别横波与纵波的一个方法.显然，如果能找到一个本身具有不对称性的光学栅栏，用它来接收光波时，就可以在实验上确定光的横波性质了.当光的传播方向确定后，光矢量在与传播方向垂直的平面内可取任意的方位，这种振动方向的任意性构成了对于光传播方向的不对称性，称为偏振.偏振是横波区别于纵波的一个最明显的标志，因为纵波的振动方向对于传播方向来说永远是对称的，所以只有横波才有偏振现象.当光的传播方向确定后，光振动在与光传播方向垂直的平面内的振动方向仍然是不确定的，光矢量可能有各种不同的振动状态，这种振动状态称为光的偏振态.按照光振动状态的不同，可以把光分为自然光、线偏振光和部分偏振光.自然光线偏振光2.在普通光源中，光是由光源中的大量原子或分子发出的独立光波列所组成的.这些光波列的持续时间很短，通常小于10-8s.它们的频率、初相位和振动方向等毫无规则并且随时间频繁变化.这种随机性导致它们朝各个方向振动的概率完全相等，没有哪一个振动方向比其他方向更占优势.这就是说，在所有可能的方向上，光矢量的振幅完全相等，光矢量的振动在各个方向上的分布是对称的，光强分布是轴对称的.具有上述特性的光称为自然光，普通光源发出的光都是自然光.为了形象地表示自然光的特征，人们用正对着光线所看到的光矢量分布来表示.如图13-41（a）所示，光矢量的振动以相同的振幅均匀分布在垂直于光线的平面中.自然光可以分解为两个互相垂直而振幅相等的独立的光矢量振动，如图13-41（b）所示.图13-41自然光图示这两个互相垂直方向的光振动各占自然光总能量的一半，两者没有恒定的相位差，因而它们不能相干.图13-42为自然光的表示法，图中用短线和点分别表示在纸面内和垂直纸面的光振动，点和短线交替均匀画出，表示光矢量对称且均匀分布.图13-42自然光的表示法（2）线偏振光.在光的传播过程中，如果一束光的光矢量只沿一个确定的方向振动，这种光称为线偏振光(简称偏振光).图13-43(a)所示为光矢量在纸面内振动的线偏振光，图13-43(b)所示为光矢量振动方向垂直于纸面.图13-43线偏振光和部分偏振光如果光强的分布不是轴对称，而在某一确定的方向上最强，在与它成正交的方向上最弱但不为零，这种光称为部分偏振光.图13-43(c)所示为在纸面内光矢量较强的部分偏振光，图13-43(d)所示为垂直于纸面方向上光矢量较强的部分偏振光.偏振片起偏与检偏3.一般光源(太阳光、日光灯等)发出的光都是自然光.在实验室中，人们可以通过许多途径来获得偏振光.例如，可以利用晶体的二向色性和晶体的双折射来产生偏振光，也可以利用自然光在介质界面上的反射和折射来产生偏振光.实验发现，某些晶体只能让某个方向的光振动通过(实际上存在少量吸收)，而有选择地吸收与该方向垂直的光振动(实际上也存在少量透射).具有这种选择吸收性能的晶体称为二向色性物质，如硫酸碘奎宁、电气石等.图13-44为由透明材料涂上一层定向排列的二向色性晶体制成的偏振片.为了便于使用，我们在偏振片上标出记号，表明该偏振片允许通过的光振动方向，这个方向称为偏振化方向，也可称为偏振片的透光方向，也称为透光轴.当自然光入射于偏振片时，透过的光便是线偏振光.从自然光得到偏振光的过程称为起偏.产生起偏作用的光学元件称为起偏器.图13-44偏振片如图13-45所示，两个平行放置的偏振片P1和P2，它们的偏振化方向分别用一组平行线表示.图中自然光垂直入射于偏振片P1，透过的光将成为线偏振光，P1就是起偏器.图13-45偏振片用作起偏器及检偏器原理图由于自然光的光矢量在所有方向上都是均匀分布的，因而将P1绕光的传播方向转动时，透过P1的光强不变，但它只有入射光强的一半.若入射到偏振片的光是线偏振光，则当偏振片的偏振化方向与线偏振光的光矢量方向一致时，透射光最强；当这两个方向互相垂直时，透射光的光强为零.自然光透过P1后形成线偏振光，再入射于偏振片P2，如果将P2绕光的传播方向慢慢转动，可以看到透过P2的光强将随P2的转动而发生变化.当P1和P2的偏振化方向相互平行时，透射光的光强最大，而当两者的偏振化方向相互垂直时，光强为零，通常称为消光现象.当用部分偏振光入射时，旋转偏振片，透射光的光强也要发生变化，但不存在光强为零的情况.总之，旋转一个偏振片，可以通过透射光的光强度变化情况来确定入射光的偏振状态，这个过程称为检偏，有检偏作用的光学元件称为检偏器.起偏器和检偏器可以是两块构造完全相同的偏振片，仅是它们的用途不同而已.图13-45中的偏振片P2就是一个检偏器.马吕斯定律二、线偏振光透过检偏器后，光强的变化遵从马吕斯定律.自然光可以用两个独立的、互相垂直而振幅相等的光振动来表示，每个光振动的能量为自然光总能量的一半.当自然光通过一偏振片后，透射光为线偏振光.

线偏振光通过转动的检偏器，光强会连续变化.那么强度为I0的线偏振光，通过检偏器后，其强度I应为多大?马吕斯定律指出，在不考虑吸收和反射的情况下，透射线偏振光与入射线偏振光的强度关系为I=I0cos2α(13-37)式中，α为入射线偏振光的振动方向与检偏器偏振化方向之间的夹角.证明如下：设起偏器P1与检偏器P2两者偏振化方向的夹角为α，如图13-46所示.图13-46马吕斯定律原理图以E0表示线偏振光的光矢量振幅，由图可知，透过检偏器P2的光矢量振幅E只是E0在P2方向上的投影，即E=E0cosα.由于光的强度正比于振幅的二次方，因而有【例13-10】反射和折射时光的偏振三、从大量的实验中发现，当一束自然光以任意入射角i入射到两种各向同性介质的分界面上而发生反射和折射时，不仅光的传播方向要改变，而且其反射光和折射光一般都变为部分偏振光.其中，反射光是以垂直于入射面的光振动为主的部分偏振光；折射光是以平行于入射面的光振动为主的部分偏振光.反射时光的偏振现象是马吕斯在1808年发现的，如图13-47（a）所示.他把某种晶体绕着从玻璃上反射的光线旋转时，发现透过晶体的光的强度会发生周期性的变化.但在一般情况下，不论晶体在什么位置，总不能看到光强为零.这说明反射光是部分偏振光.实验还表明，反射光的偏振化程度随入射角而变化.1813年，布儒斯特在实验中发现，当入射角为某一特定的角度i0时，反射光成为光振动垂直于入射面的线偏振光，即完全偏振光，如图13-47（b）所示.图13-47反射和折射时光的偏振这个特定的角度称为起偏振角或布儒斯特角.当光线以起偏振角i0入射时，反射光和折射光的传播方向相互垂直，即有γ+i0=90°(13-38）(13-39)式中，n1和n2分别表示入射光和折射光所在介质的折射率.式（13-39)称为布儒斯特定律，i0为布儒斯特角.例如，自然光从空气入射到玻璃而反射时，n1=1，n2=15，可以算出i0=56.3°.布儒斯特定律揭示了经过反射可以获得完全偏振光，所以反射可以起偏.但是，因为反射光太弱，人们想出了用多次反射的方法获得完全偏振光.让自然光以布儒斯特角i0入射到用若干块玻璃片组成的玻璃片堆，每块玻璃片有两个反射面，这样各个反射面反射的完全偏振光合在一起，就大大加强了反射偏振光的强度；同时，由于每次都反射掉垂直入射面振动的光能，使得折射光也接近是平行入射面振动的偏振光.也就是说，经过多次折射也可以起偏.如图13-48所示，为了增强反射光的强度和折射光的偏振化程度，可以将许多相互平行的玻璃片叠在一起构成玻璃片堆，将自然光以布儒斯特角入射到玻璃片堆时，光在各层玻璃片上经过多次反射和折射，逐渐除去垂直振动的成分，最后透射出的几乎全部为平行于入射面的光振动.图13-48利用玻璃堆产生全偏振光玻璃片的数目越多，折射光的偏振度越高.如图