《光的偏振》PPT课件.ppt

1 一、横波的偏振性 振动面： 振动方向与 波的传播方向构成的平面。 偏振 : 在垂直于传播方向的平面内 ,振动方向的不对 称性。 光矢量 振动面 v 0 H E 24.1 光 的 偏 振 2 1、自然光 在垂直于传播方向的平面内，沿各方向振动的光 矢量的分布各向均匀，振幅相等，称为 自然光 。 E v v Ey Ex 各方向的光振动之间无固定的相位关系。 面对光的传播方向观察 自然光的表示法 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 。 yx EE yx III 3 E 播 传 方 向 振 动 面 2、 线偏振光（完全偏振光、平面偏振光） 在垂直于传播方向的平面内 ,光矢量始终沿某个 确定的方向振动 . 面对光的传播方向观察 (光振动平行板面 ) (光振动垂直板面 ) 线偏振光的表示法 . 4 部分偏振光的分解 部分偏振光 部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂 直的 、 不等幅的 、 不相干的线偏振光 。 部分偏振光的表示法： 平行板面的光振动较强 垂直板面的光振动较强 3、部分偏振光 可看作完全偏振光与自 然光的混合 . 在两个相互垂直的方向 上振幅具有最大值和最小值 (不消光 ). 5 四、圆偏振光和椭圆偏振光 垂直于光传播方向的任一截面内，光振动矢量为 一旋转矢量，端点运动轨迹是一个圆。 横截面 传播方向 6 椭圆偏振光由两束同向传播、振动方向相互垂直、 振幅不等、具有恒定为项关系的线偏振光合成，根 据旋转方向，可左旋和右旋。 端点运动轨迹是一个 椭圆。 横截面 传播方向 7 右旋圆 偏振光 右旋椭圆 偏振光 y y x z 传播方向 /2 x 某时刻右旋圆偏振光 E随 z的变化 E 0 8 起偏的原理：某些材料在光学性质上的各向异 性 ,利用介质吸收引起光的偏振 。 起偏：从自然光获得偏振光 。 起偏器 : 起偏的光学器件。 一、起偏和检偏 24.2 起偏和检偏 马吕斯定律 二向色性：某些晶体对振动垂直的 两个分振动有不同 吸收的性质。 利用晶体的二向色性可以从自然光中获得线偏振光。 利用晶体的这种性质 （二向色性） 可以制作 偏振片 。 9 02 1 II 偏振片的起偏 自然光 I0 线偏振光 I P 偏振化方向 (透振方向 ) 检偏：用偏振器件分析、检验光的偏振态 10 .起偏和检偏 自然光 I0 线偏振光 I 偏振化方向 021 II ?I 线偏振光 I 起偏器 检偏器 最亮 自然光 I0 线偏振光 I 02 1 II 021 II 自然光 I0 线偏振光 I 02 1 II 0I 最暗 11 四、偏振片的应用 汽车夜间行车时为避免对方汽车灯光晃眼以保证 行驶安全，可以在所有汽车的车窗玻璃和车灯前装上 与水平方向成 角，而且向同一方向倾斜的偏振 片。 偏振片可用于制成太阳镜和照相 机的滤光镜。观看立体电影的眼镜片 是由两个偏振化方向互相垂直的偏振 片组成。 12 关于偏振光 通过检偏器后 强度变化的定量规律。 c o s001 EE 0E 01E02E 偏振化方向 0ma x0 III ， 023 2 I ， 消光 (1) 当 讨论 (2) 当 二、马吕斯定律 P I 0 I , 2 0 0 EI 2 2 0 2 cos EEI 20 c osII 13 例 1: 已知自然光通过两 个偏振化方向相交 60 的偏振片，透射光强为 I1，今在这两偏振片间 再插入一与前两个偏振 化方向均夹 30 角的偏 振片，则透射光强为多 少？ 解： IIII 4 160c osc os 22 1 14 II oI 2 oII 1I 1212 330c o s430c o s IIII 4 3330c os 1 2 III 14 9 I oI I I I 14 例 2： 一束光由自然光和线偏振光混合组成，当它通过 一偏振片时，发现透射光的强度随偏振片的转动可以变 化到五倍。求入射光中自然光和线偏振光的强度各占入 射光强度的几分之几？ 解： 设入射光强度 I0 = I10(自然光强度 )+I20(线偏振光强度 ) 通过偏振片后： 220101 c o s21 III ; 2 1 2010m a x III 10m i n 2 1 II m i nm a x 5 II 1020 2 II 3 110 oI I 3 220 oI I 15 例 3 用两偏振片平行放置作为起偏器和检偏器 。 在 它们的偏振化方向成 300角时 ， 观测一光源 ， 又在成 600角时 ， 观察同一位置处的另一光源 ， 两次所得的 强度相等 。 求两光源照到起偏器上光强之比 。 解： 令 I1和 I2分别为两光源照到起偏器上的光强。透 过起偏器后，光的强度分别为 I1/2和 I2 /2。根据马吕斯 定律，透过检偏器后光的强度为 2 22 1 c os 60 2II 2 11 1 c os 30 2 II 但按题意 21 II 所以 60co s30co s 2221 II 即 2 1 2 2 c o s 6 0 1 c o s 3 0 3 I I 16 例 4.光强的调制 。 (教材 P74 例 24.1 偏振片组合 ) 在透振方向正交的起偏器 M和检偏器 N之间，插 入一片以角速度 旋转的理想偏振片 P，入射自然光 强为 I0， 试求由系统出射的光强是多少？ M NP t P N M 解 : 通过 M: 01 2 1 II 通过 P: )2(c o s 212 tII 通过 N: tII 2 23 c o s 17 每旋转偏振片 P一周，输出光强有“四明四零”。 t=450,1350,2250,3150时， 输出光强为 。 8/ 0I t=00,900,1800,2700时， 输出光强为零 。 )4c o s1)(16/(2s i n 8 1 c o ss i n)2/ 0 2 0 22 0 tItI ttII （ 出 即 : ttI ttItII 22 0 22 1 2 23 c o ss i n2/ c o ss i nc o s 18 一 .反射和折射产生的偏振 自然光反射和折射后均 为部分偏振光 2n 1n i i 二 . 布儒斯特定律 线偏振光 bi bi ib 布儒斯特角 或 起偏振角 . 当 ib+=90o 时 ， 反射光为线偏振光 . bb innin coss i ns i n 221 1 2ta n n ni b 很小反I 1. 定律 1n 2n 24.3 反射和折射时光的偏振 19 外腔式激光器谐振腔 布儒斯特窗 i 0 i0 激光输出 M1 M2 i0 i0 应用举例 空气 玻璃 玻璃 空气 1 1 1.50 tg 56 18 1.00 1.00 tg 33 42 1.50 B B i i 互余 例如 n1 =1.00(空气 )， n2 =1.50(玻璃 )， 则 20 用以增大反射光的强度和折射光的偏振化程度 当 i =i0时，反射光强度 I和入射光的强度 I0 之比为 )(s i n 2 1 0 2 0 ri I I 自然光从空气 玻璃 %7 0 I I i0 (接近线偏振光 ) 玻璃片堆 2. 玻璃片堆起偏和检偏 21 玻璃片堆 检偏 若反射光光强不变则入射光是 自然光 若反射光光强变且有消光则入 射光是线偏振光 i0 若反射光光强变且无消光则入 射光是部分偏振光 让待检光以布儒斯特角 入射到界面上，以入射 线为轴旋转界面（保持 不变） 0i 0ii (接近线偏振光 ) 22 例：已知某材料在空气中的布儒斯特角 求它 的折射率？若将它放在水中（水的折射率 1.33），求 布儒斯特角？该材料对水的相对折射率是多少？ 058pi 解： 设该材料的折射率为 n ，空气的折射率为 1 6.1599.158t a n,1t a n 0 nni p 放在水中，则对应有 2.1 33.1 6.1t a n 水n ni p 0 3.50pi 所以 ： 该材料对水的相对折射率为 1.2 23 2i 由图可知 13.133.1 5.1t an 2 3 2 n ni 22 301156362648 )90( iii 解 :由布儒斯特定律 i 例题： 如图所示 ， 自然光由空气入射到折射率为 的水面上 ， 入射角为 i 时使反射光为完全偏振光 。 今有一 块玻璃浸入水中 ， 其折 射率为 ， 若光 由玻璃面反射也成为完 全偏振光 ， 求水面与玻 璃之间的夹角 a. 33.12 n 5.13 n 33.1t a n 1 2 n ni 453 i 2 2648 i 24 24.4 由散射引起的光的偏振 光的散射 ：光射到一个微粒或分子上，就会使其 中的电子在光束内的电场矢量的作用下振动。振 动中的电子会向其周围四面八方发射同频率的电 磁波，即光。 这种现象叫光的散射。 光的散射也会引起光的偏振。分子 中电子振动时发出的光是偏振的。 e 振动方向 光振动的方向总垂直于光线的方向， 并和电子振动方向在同一平面。但 是，各方向的光的强度不同：垂直 于 电子振动方向最强，沿电子振动 方向强度为零。 25 自然光 线 偏 振 光 部分偏振光 Z e 电子振 动方向 X Y 眼睛 自然光沿 X轴入射 ， 引 起电子在 Y和 Z方向的振 动而发生光的散射 。 沿 Y轴看去，电子 Z方向振动的光强 零，而沿 Y方向振 动的光强最大，所 以沿 Z向看去，只 有电子沿 Y向振动 的线偏振光。 同理，沿 Y向看去，只有电子沿 Z向振动的线偏振光。 26 方解石 s 1R 2R 一束光入射到各向异性的介质 后出现两束折射光线的现象。 1. 双折射现象 2. 两束折射光的特性 (1)寻常光和非寻常光 o 光 e 光 i o e 1n一束折射光始终在入射面内，并 遵从折射定律，称为 寻常光 ，简 称 o 光 (ordinary rays) 2n * 24.5 光的双折射 27 另一束折射光一般不在折射面内，不遵从折射定律， 称为 非常光 ，简称 e光 (extraordinary rays). (2)两束折射光是光矢量振动方向不同的线偏振光 . (3)晶体的光轴 78o 102o 78o 102o 光轴 当光在晶体内沿一个特殊方向 传播时不发生双 折射 ， 该方向称为晶体的光轴 。 光轴是一特殊的方向 ,凡平行于此 方向的直线均为光轴 。 单轴晶体：只有一个光轴的晶体 双轴晶体 : 有两个光轴的晶体 28 光轴 vet vot 光轴 (4)单轴晶体的子波波阵面 光的双折射实质上是由于光在晶体中的传播速 率与光的传播方向和光的偏振状态有关。 o光 沿不同方向的传播速率相同，其波面是球面 . e光 沿不同方向的传播速率不相同，其波面是以 光轴为轴的旋转椭球面 . 29 光 光 当方解石晶体旋转时 o光不动， e光围绕 o光旋转 双 折 射 纸面 方解石 晶体 30 光 光 双 折 射 当方解石晶体旋转时 o光不动， e光围绕 o光旋转 纸面 方解石 晶体 31 光 光 当方解石晶体旋转时 o光不动， e光围绕 o光旋转 双 折 射 纸面 方解石 晶体 32 光 光 当方解石晶体旋转时 o光不动， e光围绕 o光旋转 双 折 射 纸面 方解石 晶体 33 利用晶体的二向色性 ， 可制作偏振片 ,获得 线偏振光 。 光轴 e光 电气石 光轴 某些晶体对 o光和 e光的吸收有很大差异，这叫晶 体的二向色性。 晶体的二向色性和偏振片 34 线偏振光通过某些透明物质时 ， 线偏振光的 振动面将旋转一定的角度 ， 这种现象称为 振动面 的旋转 ， 也称 旋光现象 。 未放置 C， P2后视场黑暗 , 放置 C后 ， 旋转 P2一定角度 ， 视场又变黑暗 . 24.6 旋光现象 . . C S 1P 2P 旋光物体 l 旋光物质光轴 35 1、 不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面 向不同方向旋转 。 右旋物质 . 左旋物质 . 2、 振动面的旋转角 与波长有关 ， 波长给定则与旋光物质的厚度 l有关 。 3、 偏振光通过糖溶液 、 松节油时 ， 振动面的旋转角 cd 旋光物质的浓度c = l 称石英晶体的旋光率 36 光 轴 光 轴 Si Si Si O 右 旋 形 石 英 晶 体 及 原 子 排 列 左 旋 形 石 英 晶 体 及 原 子 排 列 Si Si Si O 37 作业 :P90 1; 2; 3; 4; 8.