第10章波动光学10[1].13

光波的第三个特性光的偏振。电磁理论指出光是一种特殊的电磁波，其电矢量强，磁矢量弱，因而把光的电矢量 方向定义为光波的振动方向（也称光矢量方向），光矢量空间分部的不对称性就是光的偏振光的偏振。11.8 光的偏振光的偏振Ev0H光矢量光矢量振动面振动面偏振面偏振面 若光矢量保持在一定平面内振动，称此若光矢量保持在一定平面内振动，称此平面为光矢量的平面为光矢量的振动面振动面。11.8.1 光的偏振态光的偏振态自然光自然光自然光自然光偏振光偏振光偏振光偏振光完全偏振光完全偏振光完全偏振光完全偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光圆偏振光圆偏振光圆偏振光圆偏振光光光光光表示法：表示法：传播方向传播方向传播方向传播方向1光矢量沿一个固定的方向振动，因此可以用光矢量沿一个固定的方向振动，因此可以用 ，或者，或者 表示。表示。1 1线偏振光线偏振光2.2.椭圆偏振光、圆偏振光椭圆偏振光、圆偏振光 光矢量在垂直于传播方向的平面内转动，其端光矢量在垂直于传播方向的平面内转动，其端光矢量在垂直于传播方向的平面内转动，其端光矢量在垂直于传播方向的平面内转动，其端点轨迹为椭圆或圆。点轨迹为椭圆或圆。点轨迹为椭圆或圆。点轨迹为椭圆或圆。某时刻光矢量沿传播方向的改变某时刻光矢量沿传播方向的改变某时刻光矢量沿传播方向的改变某时刻光矢量沿传播方向的改变3 3自然光自然光（非偏振光）（非偏振光）光矢量的振动在各个方向上都有，并且振动光矢量的振动在各个方向上都有，并且振动光矢量的振动在各个方向上都有，并且振动光矢量的振动在各个方向上都有，并且振动的幅度相等，这种光被称为自然光。的幅度相等，这种光被称为自然光。的幅度相等，这种光被称为自然光。的幅度相等，这种光被称为自然光。自然光可分解为两个垂直的、振幅相等的独立光振动。自然光可分解为两个垂直的、振幅相等的独立光振动。两个光振动两个光振动振幅相等振幅相等，位相关系不恒定位相关系不恒定。传播方向传播方向分解分解IxIyIxIy表示法：表示法：4.4.部分偏振光部分偏振光 介于线偏振光与自然光之间的情形，可看成介于线偏振光与自然光之间的情形，可看成介于线偏振光与自然光之间的情形，可看成介于线偏振光与自然光之间的情形，可看成线偏振光与自然光的混合。线偏振光与自然光的混合。线偏振光与自然光的混合。线偏振光与自然光的混合。表示法：表示法：如何由自然光获得线偏振光？如何由自然光获得线偏振光？2Io 总光强总光强IP 线偏振光的光强线偏振光的光强In 自然光的光强自然光的光强一偏振片一偏振片1 1 1 1偏偏偏偏振振振振片片片片：只只只只让让让让某某某某一一一一方方方方向向向向振振振振动动动动的的的的光光光光通通通通过过过过，而而而而吸吸吸吸收收收收与与与与这一方向相反的光振动。这一方向相反的光振动。这一方向相反的光振动。这一方向相反的光振动。11.8.2 偏振片偏振片偏振化方向或通光方向偏振化方向或通光方向二偏振光的获得与检验二偏振光的获得与检验1 1 1 1起偏：起偏：起偏：起偏：A AB B起偏：起偏：起偏：起偏：A A：自然光，：自然光，：自然光，：自然光，B B：线偏振光：线偏振光：线偏振光：线偏振光 偏振化方向或通光方向偏振化方向或通光方向起偏器起偏器31.检偏器在转动过程中透射光光强不变，入射光是检偏器在转动过程中透射光光强不变，入射光是自然光自然光自然光自然光3.如果透射光光强变化但不出现消光，入射光是如果透射光光强变化但不出现消光，入射光是部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光2.透射光光强变化，出现消光，入射光是透射光光强变化，出现消光，入射光是线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光A AB BC C偏振化方向或通光方向偏振化方向或通光方向起偏器起偏器检偏器检偏器2.2.2.2.检偏：检偏：检偏：检偏：三三马吕斯定律马吕斯定律马吕斯定律马吕斯定律4I I2 2P P1 1I I1 1P P2 2P P1 1I I1 1I I2 2P P2 2偏振光的应用偏振光的应用例例10.21 一束自然光通过两个偏振化方一束自然光通过两个偏振化方向之间夹角为向之间夹角为600的偏振片，如果入射的偏振片，如果入射光光强为光光强为I0，求透过两个偏振片的光强，求透过两个偏振片的光强是多少？是多少？例例10.22 设入射光中包含自然光设入射光中包含自然光和线偏振光，在偏振片旋转一周和线偏振光，在偏振片旋转一周的过程中，观测到透过偏振片的的过程中，观测到透过偏振片的光强的最大值与光强最小值的比光强的最大值与光强最小值的比为为4，求入射光中自然光与线偏振，求入射光中自然光与线偏振光的光强比。光的光强比。=+11.8.3 利用反射获得线偏振光利用反射获得线偏振光部分偏振光部分偏振光自然光自然光部分偏振光（部分偏振光（）反射光为线偏振光，反射光为线偏振光，光矢量振动垂直入光矢量振动垂直入射面，折射光仍为射面，折射光仍为部分偏振光。部分偏振光。当当 时时，线偏振光线偏振光部分偏振光部分偏振光自然光自然光（）布儒斯特定律布儒斯特定律称起偏角或布儒斯特角称起偏角或布儒斯特角6线偏振光线偏振光部分偏振光部分偏振光自然光自然光讨论：讨论：当光以当光以 入射时，无反射光，入射时，无反射光，你能对入射光作出什么结论？你能对入射光作出什么结论？例例2.求玻璃的起偏角？求玻璃的起偏角？玻璃玻璃布儒斯特定律的实质：布儒斯特定律的实质：线偏振光，且线偏振光，且 入射面。入射面。分量在分量在 角入射时不反射，角入射时不反射，全部透射。全部透射。若以角若以角 入射，则不论什么光成份都有反射。入射，则不论什么光成份都有反射。设设则则7例题例题：画出下列图中的反射光、折射光以及它们的偏振状态。画出下列图中的反射光、折射光以及它们的偏振状态。应用应用：（1）可测不透明媒质折射率）可测不透明媒质折射率（2）反射光是部分偏振光，反射光是部分偏振光，利用偏振片可消去大部利用偏振片可消去大部分反射光分反射光（如镜头前加（如镜头前加偏振片、偏光望远镜等）。偏振片、偏光望远镜等）。8（3）利用玻璃片堆从透射光可获得较强线偏振光。）利用玻璃片堆从透射光可获得较强线偏振光。911.9 双折射双折射1.现象现象玻璃玻璃晶体（方解石）晶体（方解石）自然光自然光自然光自然光自然光入射到晶体上一般产生两条折射光：自然光入射到晶体上一般产生两条折射光：一条遵守折射定律，称寻常光（一条遵守折射定律，称寻常光（o光）光）一条不遵守折射定律，称非寻常光（一条不遵守折射定律，称非寻常光（e光）光）它们都是线偏振光，且振动方向互相垂直。它们都是线偏振光，且振动方向互相垂直。10定义定义：通过方解石晶体观察物体，会看到两个物体的：通过方解石晶体观察物体，会看到两个物体的像。像。这种现象叫双折射这种现象叫双折射2.双折射的原因是晶体的各向异性双折射的原因是晶体的各向异性 光波阵面为球面光波阵面为球面。光波阵面为旋转椭球面光波阵面为旋转椭球面。这种振动沿各方向传播这种振动沿各方向传播速度相同速度相同，光光这种振动沿各方向传播这种振动沿各方向传播速度不同速度不同，光光光光光光光轴光轴光光光光光光光光光轴光轴主折射率主折射率或或称为负晶体称为负晶体或或称为正晶体称为正晶体（如方解石）（如方解石）（如石英）（如石英）垂直于垂直于光轴光轴方向，速度相方向，速度相差最大，则差最大，则几个概念：几个概念：光轴光轴O光振动光振动垂直垂直O光主平面。光主平面。光振动光振动平行平行 光主平面。光主平面。ee光轴光轴 表示一个方向，沿此方向表示一个方向，沿此方向o、e光速度相同。光速度相同。o光主平面光主平面 o光光线与光轴组成的平面光光线与光轴组成的平面e光主平面光主平面 e光光线与光轴组成的平面光光线与光轴组成的平面当光轴与入射面平行时，当光轴与入射面平行时，o光主平面和光主平面和e光主平面平行。光主平面平行。O光与光与e光振动方向垂直。光振动方向垂直。有一个光轴的晶体叫单轴晶体，具有两个光轴的晶体叫双轴晶体有一个光轴的晶体叫单轴晶体，具有两个光轴的晶体叫双轴晶体。光光光光光轴光轴3.利用惠更斯原理作利用惠更斯原理作o、e光路图光路图（以方解石为例）（以方解石为例）光轴光轴光轴光轴134、起偏棱镜起偏棱镜方解石方解石方解石方解石加拿大树胶加拿大树胶光轴光轴14（1）、格兰棱镜）、格兰棱镜（2）、尼科尔棱镜（起偏棱镜）、尼科尔棱镜（起偏棱镜）方解石方解石方解石方解石加拿大树胶加拿大树胶光轴光轴14.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化返回返回结束.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化返回返回结束.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化返回返回结束.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化返回返回结束.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化返回返回结束.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化返回返回结束.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化返回返回结束.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化两偏振片的偏振化方向相互垂直两偏振片的偏振化方向相互垂直 光强为零光强为零.检偏器检偏器自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光自然光返回返回结束.检偏器检偏器自然光自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变返回返回结束.检偏器检偏器自然光自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变返回返回结束.检偏器检偏器自然光自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变返回返回结束.检偏器检偏器自然光自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变返回返回结束.检偏器检偏器自然光自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变返回返回结束.检偏器检偏器自然光自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变返回返回结束.检偏器检偏器自然光自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变返回返回结束偏振光的应用偏振光的应用在机械工业中，利用偏振光的干涉来分析机件内部应力分布情况，这就是光测弹性力学的课题。在化工厂里，我们可以利用偏振光测量溶液的浓度。偏光干涉仪、偏光显微镜在生物学、医学、地质学等方面有着重要的应用。在航海、航空方面则制出了偏光天文罗盘。日常生活中应用偏振光的实例：日常生活中应用偏振光的实例：1、汽车车灯、汽车车灯 汽车夜间会车。如果驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，汽车在夜间行驶时，即不要熄灯，也不要减速，可以保证安全行车。另外，在阳光充足的白天，从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光，常会使眼睛睁不开。由于光是横波，所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此，只需带一副只能透射竖直方向偏带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光。2、观看立体电影、观看立体电影 在拍摄立体电影时，用两个摄影机，两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛，它们同时分别拍下同一物体的两个画像，放映时把两个画像同时映在银幕上。如果设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画面，就可以使观众得到立体感。为此，在放映时，两个放放像机每个放像机镜头上放一个偏振片，两个偏振片的偏振化方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜两个偏振片的偏振化方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜，左眼偏振片的偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同，这样，银幕上的两个画面分别银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体化的影像了通过两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体化的影像了。3、生物的生理机能与偏振光、生物的生理机能与偏振光 人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的，但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。比如蜜蜂有五支眼、三支复眼、两支复眼，每个复眼包含有6300个个小眼，这些小眼能根据太阳的偏光确定太阳的方位，然后以太阳为定向标来判断方向，所以蜜蜂可以准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛。再如在沙漠中，如果不带罗盘，人是会迷路的，但是沙漠中有一种蚂蚁，它能利用天空中的紫外偏光导航利用天空中的紫外偏光导航，因而不会迷路。利用圆偏振光的特性,可以使水下数字光通信系统的误码率得到降低,试验验证了利用圆偏振光的特性提高通信质量.偏振滤光镜是由两块玻璃构成的，并且这两块玻璃相互独立地安装在一个圆形的框架内，能够相对旋转。随着旋转，偏振滤光镜会削除越来越多的炫光和雾霭。