大学物理光的偏振.ppt

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1、光的偏振光的偏振所谓所谓是指：是指：光矢量总是与光光矢量总是与光的传播方向垂直的特性。的传播方向垂直的特性。事实上就是电磁波的事实上就是电磁波的横波性横波性光实质上是电磁波，电磁波都是横波。通常把光波中光实质上是电磁波，电磁波都是横波。通常把光波中的电场强度的电场强度 称为称为。E对确定的传播方向，光矢量可能对确定的传播方向，光矢量可能的方向并不唯一。的方向并不唯一。光矢量光矢量传播方向传播方向 光矢量光矢量振动方向振动方向光的偏振光的偏振本章主要内容本章主要内容光的偏振状态光的偏振状态 线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振光矢量的振动状态。（振动方

2、向及其角分布）光矢量的振动状态。（振动方向及其角分布） 非偏振光非偏振光 光矢量角分布均匀光矢量角分布均匀 在垂直于传播方向的平面上，沿各方向振动光矢量都在垂直于传播方向的平面上，沿各方向振动光矢量都有，分布均匀，具有轴对称性，而且振幅相等、没有固定有，分布均匀，具有轴对称性，而且振幅相等、没有固定的相位关系。的相位关系。非偏振光非偏振光完全偏振光完全偏振光部分偏振光部分偏振光通常光有三类不同的偏振态：通常光有三类不同的偏振态： 各原子发出的波列是随机的各原子发出的波列是随机的( (振动方向、初相、频率振动方向、初相、频率) )，由于我们的观察时间一般比原子每次的发光时间（由于我们的观察时间一

3、般比原子每次的发光时间（10-8）长）长得多。因此在观测时间内，实际接收到的是大量的波列，各得多。因此在观测时间内，实际接收到的是大量的波列，各方向都有，呈轴对称性。方向都有，呈轴对称性。普通光源普通光源发出的光都是非偏振光。发出的光都是非偏振光。光矢量角分布均匀光矢量角分布均匀自然光示意图自然光示意图所有所有光矢量的强度光矢量的强度在任意两个垂直的方向在任意两个垂直的方向上的分量之和相等。即，自然光可用两个垂直上的分量之和相等。即，自然光可用两个垂直的振幅相等的振幅相等 的光振动（无相位的光振动（无相位关系）来表示。关系）来表示。光矢量投影光矢量投影)21(自然光IIIyx 完全偏振光完全偏

4、振光 光矢量有单光矢量有单一的振动方向一的振动方向线偏振光示意图线偏振光示意图偏振面偏振面 在垂直于传播方向的平面上，光矢在垂直于传播方向的平面上，光矢量量 E E 只沿一个固定的方向振动只沿一个固定的方向振动, ,这种这种光叫光叫线偏振光线偏振光. . 和和yzxyzEO光矢量均匀转动光矢量均匀转动（以光的频率）（以光的频率）轨迹为轨迹为椭圆椭圆或或圆圆 实际为相差为实际为相差为 /2 /2 两垂两垂直方向线直方向线偏振光的合成偏振光的合成. . .分分椭圆偏振光椭圆偏振光: : 光矢量光矢量 E E 在沿着光的在沿着光的传播方向前进的同时传播方向前进的同时, ,还绕着传播方还绕着传播方向均

5、匀转动向均匀转动. .如果光矢量的大小不断如果光矢量的大小不断改变改变( (不变不变), ), 使其端点描绘出一个使其端点描绘出一个椭圆椭圆( (圆圆).). partial polarized light 光矢量振动方光矢量振动方向的角分布不均匀向的角分布不均匀部分偏振光示意图部分偏振光示意图光矢量投影光矢量投影自然光经反射或折射后得到的光多为部分自然光经反射或折射后得到的光多为部分偏振光。偏振光。见见24-324-3部分部分偏振光可视偏振光可视为自然光与线偏振光为自然光与线偏振光的叠加。的叠加。= = + +1.1. 线线偏振偏振光光的获得与的获得与检验检验光矢量能够通过的那个振动方向称为

6、光矢量能够通过的那个振动方向称为或或。 线线偏振光的获得偏振光的获得自然光通过偏振片可以自然光通过偏振片可以获得获得线偏振光。线偏振光。偏振片用于获得线偏振光时称为偏振片用于获得线偏振光时称为。 二向色性的有机晶体，如硫酸碘奎宁、电气石或聚乙烯醇薄膜在二向色性的有机晶体，如硫酸碘奎宁、电气石或聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后，在高温下拉伸、烘干，然后粘在两个玻璃片之间就碘溶液中浸泡后，在高温下拉伸、烘干，然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片。形成了偏振片。自然光自然光I0线偏振光线偏振光I=I0/2自然光自然光I0线偏振光线偏振光I=I0/2线偏振光线偏振光I I能够吸收一个方向的光矢量而让另一个

7、与其垂直能够吸收一个方向的光矢量而让另一个与其垂直 的光矢量通过，从而获得线偏振光的器件。的光矢量通过，从而获得线偏振光的器件。偏振片用于检验偏振状态时称为偏振片用于检验偏振状态时称为。 线线偏振光的检验偏振光的检验转动用于检验的偏振片观察透射光。当其转动用于检验的偏振片观察透射光。当其与与入射的线偏振光振动方向垂直时，透射光强为零，即出现入射的线偏振光振动方向垂直时，透射光强为零，即出现现象。如果有消光，则表明入射光为线偏振光；否则，不现象。如果有消光，则表明入射光为线偏振光；否则，不是线偏振光。是线偏振光。 如果入射检偏器的光是如果入射检偏器的光是自然光或者自然光或者部分偏振光，部分偏振光

8、，转动转动检偏器一周，检偏器一周，透射光透射光又又如何？如何？1P2PP P2 2 旋转一周旋转一周, ,光强光强出现两次最强出现两次最强, ,两两次消光次消光. .2.2. 马吕斯马吕斯定律定律0AA2P1P入射的线偏振光振动方向与检偏器入射的线偏振光振动方向与检偏器 P2 的通光方向成任意的通光方向成任意角角 时，出射光的强度为多大？时，出射光的强度为多大？cos0AA设入射设入射偏振光偏振光(I0)光矢量的振幅光矢量的振幅为为 ，通过，通过 P2 的光矢量振幅为的光矢量振幅为 A。因。因检偏器只允许检偏器只允许P2 方向的光矢量振动分方向的光矢量振动分量通过，故有量通过，故有1809年实

9、验年实验20cosII 相应的光强关系为相应的光强关系为1P2P0I?I自然光I 例例 光强为光强为 I0 的自然光通过通光方向相互垂直的两块偏振片。现将的自然光通过通光方向相互垂直的两块偏振片。现将第三块偏振片插入此两偏振片之间，并令其通光方向与第一块偏振片的通第三块偏振片插入此两偏振片之间，并令其通光方向与第一块偏振片的通光方向成光方向成 角，求透过第角，求透过第二二块偏振片块偏振片P2的光强。的光强。解：透过第一块偏振片的光强为解：透过第一块偏振片的光强为201II 透过第透过第三三块偏振片的光强为块偏振片的光强为20212cos2cosIII透过第二块偏振片的光强为透过第二块偏振片的光

10、强为2sin8cossin22cos20220223IIIIP1 P3 P2自然光可以用两个相互垂自然光可以用两个相互垂直的振幅相等的光振动直的振幅相等的光振动( (线偏振光线偏振光) )来表示来表示. .实验表明：当自然光在两种各向同性的介质分界面上反实验表明：当自然光在两种各向同性的介质分界面上反射和折射时，反射光和折射光的偏振态将发生变化：射和折射时，反射光和折射光的偏振态将发生变化：r00 ii1n2nii r一般情况下，反射光和折射光都是部分偏振光一般情况下，反射光和折射光都是部分偏振光。（湖光）。（湖光）当当 为特定角为特定角 时，反射光为线偏振光，且光矢量垂直时，反射光为线偏振光

11、，且光矢量垂直于入射面于入射面（折射光仍为部分偏振光）（折射光仍为部分偏振光），该特定角满足，该特定角满足0 ii0i120tannni 1812年实验中得到，称为年实验中得到，称为。120tannni r00 ii1n2n 的等价条件为：的等价条件为：120tannni ，即，即 。20ririnniiisinsincossintan0120002 sincos 00riri光的电磁理论建立后光的电磁理论建立后，布儒斯特，布儒斯特定律可以从该理论推定律可以从该理论推 导出来：设垂直于入射面的光矢量称为导出来：设垂直于入射面的光矢量称为 s 光；平行于入射面光；平行于入射面的光矢量称为的光矢量

12、称为 p 光。理论上导出光。理论上导出 s 光和光和 p 光的能量光的能量分分别为别为)(tan)(tan , )(sin)(sin2222ririRririRps)(tan)(tan , )(sin)(sin2222ririRririRps当当 时，时， ，即反射光的，即反射光的 p 光强度光强度为零，反射光只有为零，反射光只有 s 光，为光，为线偏振光线偏振光。折射光中也包含。折射光中也包含 s 光光（因（因 Rs 1），故折射光为），故折射光为部分偏振光部分偏振光。2ri0 , 0 spRR%4%15%1005 . 10 . 121nnsRpR90 8156 0（空气）（空气）（玻璃）（

13、玻璃）r00 ii0 . 11n5 . 12ns %15ps %100 %85 由一块玻璃片得到由一块玻璃片得到的线偏振光是很微弱的，为的线偏振光是很微弱的，为了获得足够强的线偏振光，了获得足够强的线偏振光，应用应用玻璃片堆玻璃片堆。玻璃片堆玻璃片堆反射光和折射光的偏振性的应用：反射光和折射光的偏振性的应用： 海面上的强烈反射光是部分偏振光（垂直入射面的振海面上的强烈反射光是部分偏振光（垂直入射面的振动较强）或者线偏振光（振动方向垂直于入射面），这使得动较强）或者线偏振光（振动方向垂直于入射面），这使得照相机所拍摄的景物不清楚，在镜头上加一个偏光镜（偏振照相机所拍摄的景物不清楚，在镜头上加一个

14、偏光镜（偏振片）来消除它。片）来消除它。（C C）用偏光镜消除用偏光镜消除反射偏振光，反射偏振光，使玻璃门内的使玻璃门内的人物清晰可见人物清晰可见（A A）玻璃门表面的玻璃门表面的反光很强反光很强（B B）用偏光镜减弱用偏光镜减弱反射偏振光反射偏振光例例1：一束自然光从空气射向一块平板玻璃，设入射角等于布：一束自然光从空气射向一块平板玻璃，设入射角等于布儒斯特角，则在界面儒斯特角，则在界面2的反射光为（的反射光为（ ）A)自然光自然光B) 线偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面线偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面C)线偏振光且光矢量的振动方向平行于入射面线偏振光且光矢量的振动方向平行于入射面D) 部分偏振光部分偏振光B12