大学物理：第12章 光的偏振（Polarization of Light）

十二、光的偏振（十二、光的偏振（Polarization of Light）（一）光的偏振现象（一）光的偏振现象 1、偏振是横波的特性、偏振是横波的特性ZXYuEu偏振：光矢量只在垂直于传播方向的平面内某一方向偏振：光矢量只在垂直于传播方向的平面内某一方向 振动，或某一方向振动较强。振动，或某一方向振动较强。偏振现象是横波区别于纵波的重要标志。偏振现象是横波区别于纵波的重要标志。只有横波有偏振现象。只有横波有偏振现象。2、自然光、偏振光及其表示、自然光、偏振光及其表示1）、定义：）、定义：E自然光：在垂直于传播方向的平面上光矢量自然光：在垂直于传播方向的平面上光矢量 具有各个方向的振动，且振动具有各个方向的振动，且振动 概率相等，在垂直传播方向的平面概率相等，在垂直传播方向的平面 上上 矢量振幅完全相等。矢量振幅完全相等。EEXY偏振光（线偏振光）：在垂直传播方向的偏振光（线偏振光）：在垂直传播方向的 平面上，只有一个确定的方向有平面上，只有一个确定的方向有 光矢量光矢量 的振动。的振动。EXY部分偏振光：在垂直传播方向的平面上，部分偏振光：在垂直传播方向的平面上，光矢量光矢量 在某一方向的振动较强。在某一方向的振动较强。E2）、表示方法：）、表示方法：振动面：光矢量的振动方向与传播方向振动面：光矢量的振动方向与传播方向 所构成的平面。所构成的平面。用短线（或双箭头）表示纸面内的光振动；用短线（或双箭头）表示纸面内的光振动；点表示垂直于纸面的振动；点表示垂直于纸面的振动；疏密程度表示该振动方向的振动强度。疏密程度表示该振动方向的振动强度。自然光自然光部分偏振光部分偏振光线偏振光线偏振光3、线偏振光的获得方法和检验方法、线偏振光的获得方法和检验方法1）、获得方法：）、获得方法：（1）起偏法：）起偏法：起偏起偏-从自然光获得偏振光从自然光获得偏振光检偏检偏-检查某束光是否是偏振光；检查某束光是否是偏振光；起偏振器起偏振器-从自然光获得偏振光的装置；从自然光获得偏振光的装置；检偏振器检偏振器-检查某束光是否是偏振光的装置。检查某束光是否是偏振光的装置。透明玻璃片透明玻璃片涂有金鸡纳霜或碧硒（电涂有金鸡纳霜或碧硒（电气石）等材料的簿膜气石）等材料的簿膜偏振片：偏振片：自然光自然光偏振光偏振光偏振化方向偏振化方向具有竖直偏振方向具有竖直偏振方向的偏振膜。吸收了的偏振膜。吸收了水平方向的光振动水平方向的光振动（2）反射法：）反射法：自然光以一定条件入射到两介质界面上，反射光自然光以一定条件入射到两介质界面上，反射光和折射光分别为部分偏振光。和折射光分别为部分偏振光。（3）利用玻璃堆多次反射和折射获得完全偏振光（线）利用玻璃堆多次反射和折射获得完全偏振光（线偏振光）。偏振光）。（4）利用双折射晶体的棱镜获得。）利用双折射晶体的棱镜获得。2）、检验方法：）、检验方法：用偏振片检验用偏振片检验变暗变暗I0I0/2自然光自然光I0/24、马吕斯定律、马吕斯定律 若若P1 P2的偏振化方向间的夹角不为的偏振化方向间的夹角不为0，也不为，也不为90度，度，则出射的光强为多少？则出射的光强为多少？I0I0P1自然光自然光变暗变暗E E/0EP2cos0/EE sin0EE 垂直方向的分量被偏振片吸收，故出射的光强：垂直方向的分量被偏振片吸收，故出射的光强：202202/coscosIEEI或：或：20cosII20cosII马吕斯定马吕斯定律律(其中其中 )012II自马吕斯定律：强度为马吕斯定律：强度为I0的偏振光透过检偏振片后的偏振光透过检偏振片后 强度变为强度变为I=I0cos2。（为入射的偏振光的振动方向与偏振片偏振化方为入射的偏振光的振动方向与偏振片偏振化方向间的夹角。）向间的夹角。）（二）反射和折射时的偏振（二）反射和折射时的偏振 布儒斯特定律布儒斯特定律 1、反射和折射光中的偏振现象、反射和折射光中的偏振现象1、反射光中垂直振动、反射光中垂直振动 强于平行的振动；强于平行的振动；2、折射光中平行的振、折射光中平行的振 动强于垂直振动；动强于垂直振动；3、反射光折射光偏振、反射光折射光偏振 化的程度随入射角化的程度随入射角 的不同而不同。的不同而不同。in2n1ir实验发现：实验发现：2 2、布儒斯特定律（、布儒斯特定律（18121812年）年）这个特定的角称为这个特定的角称为 布儒斯特角；布儒斯特角；此时折射光仍为此时折射光仍为 部分偏振光；部分偏振光；入射角为起偏振角入射角为起偏振角 时，反射光与折射时，反射光与折射 光互相垂直光互相垂直,是完全是完全 偏偏振光振光。n2n10i0r注意：注意：当入射角等于一特定角，使反射光与折射光相互当入射角等于一特定角，使反射光与折射光相互垂直时垂直时,反射光只有垂直于入射面的振动而无平行反射光只有垂直于入射面的振动而无平行于入射面的振动。于入射面的振动。0201sinsininrn0090ir又002021001sinsincossiniintginirn解决办法：多次反射解决办法：多次反射 和折射。和折射。玻璃堆：玻璃堆：0i问题：问题：1）反射光强一般）反射光强一般 较小；较小；0i2）折射光仍为部）折射光仍为部 分偏振光。分偏振光。n2n10i0r3、通过反射与折射获得偏振光、通过反射与折射获得偏振光*（三）双折射（三）双折射（Double Refraction）1、双折射、寻常光和非常光、双折射、寻常光和非常光自然光透射在晶体界面上而折射，自然光透射在晶体界面上而折射，晶体内晶体内的折射光分为的折射光分为两束光，此现象称两束光，此现象称双折射现象双折射现象。自然光自然光O光光e光光方解石方解石原因：原因：光学各向异光学各向异性性：光在许多晶体：光在许多晶体中的传播速度和光中的传播速度和光的传播方向与振动的传播方向与振动方向有关。方向有关。1 1）、寻常光和非寻常光（）、寻常光和非寻常光（16871687年惠更斯研究）年惠更斯研究）（1）两束光均是偏振光，一束叫寻常光（）两束光均是偏振光，一束叫寻常光（O光），光），一束一束叫非寻常光（叫非寻常光（e光）光）（2）O光遵守折射定律，而光遵守折射定律，而e光不遵守所知的折射定律。光不遵守所知的折射定律。2）、晶体的光轴）、晶体的光轴光轴光轴-当光在晶体中传播时，不发生双折射的方向。当光在晶体中传播时，不发生双折射的方向。787868102光轴光轴光轴仅代表一个方向，与光轴仅代表一个方向，与OO平行的线都是光轴。平行的线都是光轴。有两个光轴的晶体称有两个光轴的晶体称双轴晶体双轴晶体（云母、硫磺等）（云母、硫磺等）仅有一个光轴的晶体称仅有一个光轴的晶体称单轴晶单轴晶体体（如方解石、石英）（如方解石、石英）oo3）、主截面、主平面）、主截面、主平面主截面：晶面法线与光轴组成的平面。主截面：晶面法线与光轴组成的平面。主平面：任一已知光线与光轴组成的平面。主平面：任一已知光线与光轴组成的平面。注意：注意：（1）一般）一般o光主平面与光主平面与e光主平面不重合光主平面不重合（2）o光的振动方向与主平面垂直，光的振动方向与主平面垂直，e光的振动方向在主光的振动方向在主 平面内平面内（3）入射面与主截面重合时，让光垂直于光轴入射，对）入射面与主截面重合时，让光垂直于光轴入射，对不同的晶体，不同的晶体，e光折射率：光折射率：n e可以可以也可也可也可也可v0evv 0正晶体正晶体-负晶体负晶体-evv 0光轴光轴正晶体正晶体负晶体负晶体o光光e光光光轴光轴evv 0正晶体正晶体-负晶体负晶体-evv 0o光光e光光晶体晶体光轴光轴光轴光轴（负晶体）（负晶体）1）入射面与主截面平行的情况）入射面与主截面平行的情况A）光轴与晶体表面有一夹角（斜入射）光轴与晶体表面有一夹角（斜入射）2、用惠更斯原理解释双折射现象、用惠更斯原理解释双折射现象（负晶体）（负晶体）2）入射面与主截面平行的情况）入射面与主截面平行的情况B）光轴与晶体表面有一夹角（正入射）光轴与晶体表面有一夹角（正入射）自然光自然光光轴光轴（负晶体）（负晶体）C）光轴与晶体表面平行（正入射）光轴与晶体表面平行（正入射）自自然然光光o光光e光光光轴光轴O e二光通过厚度二光通过厚度d晶体的光程差：晶体的光程差：dnnoe)(4/2/四分之一波片四分之一波片二分之一波片（半波片）二分之一波片（半波片）结论：结论：evv 0enn 0有双折射。有双折射。自自然然光光o光光e光光光轴光轴（负晶体）（负晶体）D）光轴与晶体表面垂直（正入射）光轴与晶体表面垂直（正入射）o光光e光光光轴光轴自然光自然光负晶体负晶体o光光e光光光轴光轴光轴光轴A）光轴与晶体表面平行（斜入射）光轴与晶体表面平行（斜入射）（负晶体）（负晶体）3）入射面与主截面垂直的情况）入射面与主截面垂直的情况沿光轴方沿光轴方向观察向观察AABCC3、利用双折射产生偏振光的装置、利用双折射产生偏振光的装置自然光自然光光轴光轴6871尼科尔棱镜（尼科尔棱镜（WNicol 1928年）年）no=1.658ne=1.486o光光e光光n加拿大加拿大=1.550O光以光以76入射到加拿大树胶，产生入射到加拿大树胶，产生全反射后被吸收。全反射后被吸收。7670658.1550.1arcsin临介ie光出射成为偏振光光出射成为偏振光AC方解石方解石ADCB可用于起偏和检偏可用于起偏和检偏（a）S0（b）S02（c）S2表示两尼科耳棱镜主截面的夹角表示两尼科耳棱镜主截面的夹角（*四）椭圆偏振光和圆偏振光四）椭圆偏振光和圆偏振光 偏振光的干涉偏振光的干涉1、波片：光轴平行于晶面的双折射晶体的薄片。、波片：光轴平行于晶面的双折射晶体的薄片。2、（、（1）当偏振光的振动面与波片的光轴成）当偏振光的振动面与波片的光轴成 角角 入射到厚度为入射到厚度为l的波片内分成的波片内分成o、e 两光；两光的频率相同、周相差恒定、振动方向两光；两光的频率相同、周相差恒定、振动方向 相互垂直。相互垂直。（2）o、e两光的光程差为两光的光程差为 o、e两光的相位差为两光的相位差为 ()oennl2()oennl000,903、椭圆偏振光、椭圆偏振光:线偏振光通过晶片后产生双折射现象得到线偏振光通过晶片后产生双折射现象得到 o、e两光，两光，o、e两光的合成光矢量的末端两光的合成光矢量的末端 轨迹为椭圆。（轨迹为椭圆。（o、e光振幅不相等）光振幅不相等）圆偏振光：合成光矢量的末端轨迹为圆。（圆偏振光：合成光矢量的末端轨迹为圆。（o、e光振光振 幅相等）幅相等）线偏振光通过线偏振光通过 片后，其合成光为线偏振光，但振动片后，其合成光为线偏振光，但振动方向相对于原入射光振动方向转过一个角度。方向相对于原入射光振动方向转过一个角度。24、（、（1）二分之一波片（）二分之一波片（片）：片）：能使能使o、e两光周相差为两光周相差为 或或 的奇数倍（即光的奇数倍（即光 程差为程差为 或或 的奇数倍）的晶体。的奇数倍）的晶体。222（2）四分之一波片（）四分之一波片（片）：片）：4当入射偏振光的振向与晶片光轴成当入射偏振光的振向与晶片光轴成 时，时，片片可以使入射偏振光振动面旋转可以使入射偏振光振动面旋转 。222能使能使o、e两光周相差为两光周相差为 或或 的奇数倍（即光程差为的奇数倍（即光程差为 ）的晶体。）的晶体。242线偏振光通过线偏振光通过 片后，合成光为椭圆偏振光，若片后，合成光为椭圆偏振光，若 ，o、e两光振幅相等，则合成为圆偏振光。两光振幅相等，则合成为圆偏振光。40455、偏振光的干涉：、偏振光的干涉：S2光轴光轴12主截面主截面AoA2oAeA2eA进入晶片前进入晶片前o、e光相位差为光相位差为0；经过晶片后经过晶片后o、e光相位差为：光相位差为：2()oennl12主截面主截面AoA2oAeA2eA经过第二个尼科耳棱镜（或偏振片）后：经过第二个尼科耳棱镜（或偏振片）后：22cossincossincos sinooeeAAAAAA由于由于 和和 方向相反有附加相位差方向相反有附加相位差 因此，相位差为：因此，相位差为：2()oennl2oA2eA21,2,3,(21)1,2,3,kkkk时，得干涉相长时，得干涉相消偏振光的应用偏振光的应用汽车车灯与窗玻璃用同一偏振化方向的透明膜汽车车灯与窗玻璃用同一偏振化方向的透明膜1）防止对面来的灯光耀眼）防止对面来的灯光耀眼2）放立体电影）放立体电影原理：利用人眼的双眼效应原理：利用人眼的双眼效应双眼睁开双眼睁开一只眼睁开，一只眼睁开，一只眼关闭一只眼关闭拍摄：拍摄：立体电影原理：立体电影原理：