自然光与偏振光课件

1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 光波、光线与光子1.3 自然光与偏振光主要内容主要内容2.2.自然光自然光1.1.完全偏振光完全偏振光3.3.部分偏振光部分偏振光4.4.自然光在两种电介质分界面上的反射和折自然光在两种电介质分界面上的反射和折射射 菲涅耳公式菲涅耳公式5.5.斯托克斯倒易关系斯托克斯倒易关系6.6.布儒斯特定律布儒斯特定律7.7.马吕斯定律马吕斯定律8.8.反射光与透射光的半波损失（相位突变）反射光与透射光的半波损失（相位突变）9.9.反射光与透射光的能量分配反射光与透射光的能量分配1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子主要内容2.自然光1.完全偏振光3.部分偏振光4.自偏振态：偏振态：光矢量在垂直于传播方向的平面内可能存在的不同振动状态光矢量在垂直于传播方向的平面内可能存在的不同振动状态偏振面（振动面）：偏振面（振动面）：振动方向（光矢量方向）与光传播方向构成的平面振动方向（光矢量方向）与光传播方向构成的平面偏偏振振态态分分类类：完完全全偏偏振振（线线偏偏振振、圆圆偏偏振振、椭椭圆圆偏偏振振），非非偏偏振振，部部分分偏振偏振1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子定定 义义偏振面偏振面偏振面偏振面光矢量光矢量光矢量光矢量偏振态：光矢量在垂直于传播方向的平面内可能存在的不同振动状态特点：特点：光振动限于某一确定的平面内，光振动限于某一确定的平面内，光矢量在垂直于传播方向的平面光矢量在垂直于传播方向的平面内的投影为一直线内的投影为一直线 说明：说明：线偏振光也可看作是线偏振光也可看作是振动方向正交、相位相同或相反的两个线偏振动方向正交、相位相同或相反的两个线偏振光的合成振光的合成(1)(1)平面偏振光（线偏振光）平面偏振光（线偏振光）1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子1.3.1 1.3.1 完全偏振光完全偏振光图图1.3-1 线偏振光（平面偏振光）线偏振光（平面偏振光）xyAxAAyAy-AxA同相同相反相反相O竖直偏振竖直偏振水平偏振水平偏振特点：光振动限于某一确定的平面内，光矢量在垂直于传播方向的平(2)(2)圆偏振光圆偏振光 特点：特点：偏振面相对于传播方向随时间以圆频率偏振面相对于传播方向随时间以圆频率w w 旋转，其光矢量末端的轨旋转，其光矢量末端的轨迹位于一个迹位于一个圆形螺线圆形螺线上，并且在垂直于传播方向的平面上的上，并且在垂直于传播方向的平面上的投影构投影构成一个圆成一个圆。左旋圆偏振光：左旋圆偏振光：迎着光传播方向观察时，光矢量沿迎着光传播方向观察时，光矢量沿逆时针逆时针旋转。旋转。右旋圆偏振光：右旋圆偏振光：迎着光传播方向观察时，光矢量沿迎着光传播方向观察时，光矢量沿顺时针顺时针旋转。旋转。1.3.1 1.3.1 完全偏振完全偏振光光1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子图图1.3-2 圆偏振光圆偏振光yx左旋左旋AAxAyO右旋右旋yxAAyAxO(2)圆偏振光 特点：偏振面相对于传播方向随时间以圆频率w(3)(3)椭圆偏振光椭圆偏振光 特特点点：偏偏振振面面相相对对于于传传播播方方向向随随时时间间以以圆圆频频率率w w旋旋转转，其其光光矢矢量量末末端端的的轨轨迹迹位位于于一一个个椭椭圆圆形形螺螺线线上上，并并且且在在垂垂直直于于传传播播方方向向的的平平面面上上的的投投影影构成一个椭圆构成一个椭圆。左旋椭圆偏振光：左旋椭圆偏振光：迎着光传播方向观察时，光矢量沿迎着光传播方向观察时，光矢量沿逆时针逆时针旋转。旋转。右旋椭圆偏振光：右旋椭圆偏振光：迎着光传播方向观察时，光矢量沿迎着光传播方向观察时，光矢量沿顺时针顺时针旋转。旋转。左旋左旋右旋右旋p p/2-p p/2p p/4-p p/43p p/4-3p p/4d d=02p pp p (-p)(-p)图图1.3-3 椭圆偏振光椭圆偏振光1.3.1 1.3.1 完全偏振完全偏振光光1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子(3)椭圆偏振光 特点：偏振面相对于传播方向随时间以圆频率 线线偏偏振振光光和和圆圆偏偏振振光光只只是是椭椭圆圆偏偏振振光光的的两两种种特特殊殊形形式式。若若两两个个正正交交振振动动的的振振幅幅相相等等，相相位位差差等等于于p/2p/2的的奇奇数数倍倍，则则椭椭圆圆偏偏振振光光变变为为圆圆偏偏振振光光；若若两两个个正正交交振振动动的的相相位位差差等等于于p p 的的整整数数倍倍，则则椭椭圆圆偏偏振振光光变变为为线线偏偏振振光。光。说明：说明：椭椭圆圆偏偏振振光光可可以以看看作作是是振振幅幅不不相相等等、振振动动方方向向正正交交、相相位位差差恒恒定定的的两两个同频率线偏振光的合成个同频率线偏振光的合成。其中。其中正号对应右旋，负号对应左旋正号对应右旋，负号对应左旋。圆圆偏偏振振光光可可以以看看作作是是振振幅幅相相等等、振振动动方方向向正正交交、相相位位相相差差p/2p/2的的两两个个同频率线偏振光的合成同频率线偏振光的合成。其中。其中正号对应右旋，负号对应左旋正号对应右旋，负号对应左旋。1.3.1 1.3.1 完全偏振完全偏振光光1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子 线偏振光和圆偏振光只是椭圆偏振光的两种特殊形式。若两个正 任任一一原原子子或或分分子子的的任任一一次次辐辐射射波波列列都都具具有有恒恒定定的的振振动动方方向向一一列列振动面确定的线偏振光振动面确定的线偏振光时间分布的均匀性时间分布的均匀性表明各个光矢量的初相位取表明各个光矢量的初相位取0 0到到2p2p之间的任意值之间的任意值空空间间分分布布的的均均匀匀性性表表明明光光矢矢量量的的偏偏振振面面包包含含各各种种方方向向且且各各个个方方向向的的平平均大小相同均大小相同光源的发光机制：光源的发光机制：1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子1.3.2 1.3.2 自然光自然光(完全非偏振光完全非偏振光)任一原子或分子的任一次辐射波列都具有恒定的振动方向一自然光：自然光：偏振面具有各种不同取向且相位随机分布的平面偏振光之集合偏振面具有各种不同取向且相位随机分布的平面偏振光之集合说说明明：自自然然光光实实际际上上可可分分解解成成两两个个强强度度相相等等、振振动动方方向向正正交交但但相相位位各各自自随随机变化的线偏振光机变化的线偏振光 注注意意：构构成成自自然然光光的的两两个个线线偏偏振振光光分分量量的的相相位位各各自自独独立立地地随随机机变变化化，因因此此不能再合成为一个单一矢量不能再合成为一个单一矢量 1.3.2 1.3.2 自然光自然光(完全非偏振光完全非偏振光)1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子图图1.3-4 自然光及其分解自然光及其分解(a)自然光的电矢量自然光的电矢量yx(b)电矢量的分解电矢量的分解yxA1A2O自然光：偏振面具有各种不同取向且相位随机分布的平面偏振光之集特特点点：光光振振动动强强度度沿沿两两个个正正交交方方向向的的时时间间平平均均值值不不相相等等，并并且且在在某某一一方方向向取取极大值极大值I Imaxmax时，其正交方向正好取极小值时，其正交方向正好取极小值I IminminP=P=0 0：自然光：自然光P=P=1 1：线偏振光：线偏振光0 0PP|E E1p1p|；|E E2s2s|E E2p2p|。自然光入射时，自然光入射时，反射光和透射光均为部分偏振光。反射光和透射光均为部分偏振光。圆偏振光入射时，圆偏振光入射时，反射光和透射光均为椭圆偏振光。反射光和透射光均为椭圆偏振光。线线偏偏振振光光入入射射时时，反反射射光光和和透透射射光光仍仍为为线线偏偏振振光光，但但振振动动面面相相对对于于原原入入射射光有一定偏转。光有一定偏转。1.3.4 1.3.4 菲涅耳公菲涅耳公式式 1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子图图1.3-7 振幅反射比与振幅透射比曲线（振幅反射比与振幅透射比曲线（n1=1，n2=1.5）i1/(o)i1/(o)说明：s分量和p分量分别独立地按照各自的规律反射和折射，14可编辑14可编辑定义：外反射：定义：外反射：自然光以入射角自然光以入射角i i1 1由介质由介质1 1进入介质进入介质2 2时的反射时的反射 内反射：内反射：自然光以入射角自然光以入射角i i2 2由介质由介质2 2进入介质进入介质1 1时的反射时的反射 取：振幅外反射比：取：振幅外反射比：r rs s、r rp p，振幅外透射比：振幅外透射比：t ts s、t tp p 振幅内反射比：振幅内反射比：r rs s、r rp p，振幅内透射比：，振幅内透射比：t ts s、t tp p 托克斯倒易关系托克斯倒易关系：(1.3-3b)(1.3-3b)(1.3-3a)(1.3-3a)1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子1.3.5 1.3.5 斯托克斯倒易关系斯托克斯倒易关系定义：外反射：自然光以入射角i1由介质1进入介质2时的反射取斯托克斯倒易关系的证明：斯托克斯倒易关系的证明：图图1.3-8 斯托克斯倒易关系的证明斯托克斯倒易关系的证明ArtAArrAttArArAtAtAtrn2n1由能量守恒定律得：由能量守恒定律得：无无论论是是s s分分量量还还是是p p分分量量，其其内内反反射射与与外外反反射射的的振振幅幅反反射射比比大大小小相相等等，符号相反，相应的振幅透射比（符号相反，相应的振幅透射比（t ts s与与t ts s，t tp p与与t tp p）总是符号相同）总是符号相同。结论：结论：1.3.5 1.3.5 斯托克斯倒易关系斯托克斯倒易关系1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子斯托克斯倒易关系的证明：图1.3-8 斯托克斯倒易关系的证明布儒斯特角：布儒斯特角：折射光线与反射光线方向正交时的入射角折射光线与反射光线方向正交时的入射角i iB B 布儒斯特定律：布儒斯特定律：入射角等于布儒斯特角入射角等于布儒斯特角i iB B时，反射光只存在偏振面垂直于入时，反射光只存在偏振面垂直于入射面的偏振分量（即射面的偏振分量（即s s分量）分量）(1.3-4)(1.3-4)图图1.3-9 自然光以布儒斯特角入射时的反射和折射自然光以布儒斯特角入射时的反射和折射iBE1pE1sk1iBE1sk1iBk2E2pE2sn2n1若若n n1 1=1 1，则，则数学表示：数学表示：1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子1.3.6 1.3.6 布儒斯特定律布儒斯特定律布儒斯特角：折射光线与反射光线方向正交时的入射角iB 布儒斯 自自然然光光以以布布儒儒斯斯特特角角入入射射时时，反反射射光光为为振振动动面面垂垂直直于于入入射射面面（s s分分量量）的线偏振光的线偏振光，透射光变为部分偏振光透射光变为部分偏振光。说说 明：明：线线偏偏振振光光以以布布儒儒斯斯特特角角入入射射时时，若若其其振振动动面面与与入入射射面面垂垂直直，则则反反射射光光和和透透射射光光均均为为振振动动面面垂垂直直于于入入射射面面的的线线偏偏振振光光；若若入入射射光光振振动动面面与与入入射面平行，射面平行，则反射光强度为则反射光强度为0 0，即全部透射，即全部透射。圆圆偏偏振振光光以以布布儒儒斯斯特特角角入入射射时时，反反射射光光仍仍为为振振动动面面垂垂直直于于入入射射面面（s s分量）的线偏振光，透射光变为椭圆偏振光分量）的线偏振光，透射光变为椭圆偏振光。1.3.6 1.3.6 布儒斯特定律布儒斯特定律1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子 自然光以布儒斯特角入射时，反射光为振动面垂直于入射面（s玻片堆特点：玻片堆特点：可对入射光的偏振态及振幅进行调制。可对入射光的偏振态及振幅进行调制。玻片堆的应用：玻片堆的应用：起偏器，检偏器，偏振分束器，偏振激光器等。起偏器，检偏器，偏振分束器，偏振激光器等。1.3.6 1.3.6 布儒斯特定律布儒斯特定律1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子反射镜反射镜布儒斯特窗布儒斯特窗图图1.3-12 带布儒斯特窗的激光谐振腔带布儒斯特窗的激光谐振腔图图1.3-11 偏振分束器偏振分束器sp自然光自然光等效于玻片堆等效于玻片堆的多层介质膜的多层介质膜图图1.3-10 玻片堆玻片堆iB自然光自然光I0Ip忽略玻璃吸收忽略玻璃吸收玻片堆特点：可对入射光的偏振态及振幅进行调制。玻片堆的应用表表述述：透透过过检检偏偏器器（如如玻玻片片堆堆）的的线线偏偏振振光光的的强强度度正正比比于于光光的的偏偏振振方方向向与与检偏器的起偏方向间夹角的余弦平方检偏器的起偏方向间夹角的余弦平方(1.3-5)(1.3-5)图图1.3-13 马吕斯定律马吕斯定律sP(p)A=I01/2Ap=I1/2q q1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子1.3.7 1.3.7 马吕斯定律马吕斯定律应用：应用：光调制光调制线偏振光透过检偏器（玻片线偏振光透过检偏器（玻片堆）后的强度与偏振方向堆）后的强度与偏振方向I0I透振方向透振方向表述：透过检偏器（如玻片堆）的线偏振光的强度正比于光的偏振方结论：结论：自自然然光光自自疏疏（快快）介介质质向向密密（慢慢）介介质质正正入入射射或或掠掠入入射射时时，反反射射光光相对入射光存在半波损失（相对入射光存在半波损失（p p 相位突变），反之不存在。相位突变），反之不存在。斜斜入入射射情情况况下下，反反射射光光相相对对入入射射光光的的相相位位变变化化一一般般较较为为复复杂杂，但但经经同一分界面的内、外反射所得两束反射光之间一定存在半波损失。同一分界面的内、外反射所得两束反射光之间一定存在半波损失。透射光在任何情况下都不存在半波损失。透射光在任何情况下都不存在半波损失。图图1.3-14 反射光的相位突变（反射光的相位突变（n1n2时）时）i190oi1E1pE1sk1i1E1pE1sk11n2n1xi1=0oE1pE1sk1E1pE1sk1xn1n21.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子1.3.8 1.3.8 反射光与透射光的半波损失（相位突变）反射光与透射光的半波损失（相位突变）结论：自然光自疏（快）介质向密（慢）介质正入射或掠入射时 强度反射率和强度透射率强度反射率和强度透射率 强度反射率：强度反射率：强度透射率：强度透射率：问题：问题：当当i i1 1，i i2 200时，时，(1.3-6)(1.3-6)(1.3-7)(1.3-7)1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子1.3.9 1.3.9 反射光与透射光的能量分配反射光与透射光的能量分配 强度反射率和强度透射率 强度反射率：强度透射率：问题的起因：问题的起因：光在不同介质中的传播速度不同，导致斜入射时透射光束光在不同介质中的传播速度不同，导致斜入射时透射光束的横截面与入射光束不同，而强度表示单位面积上的平均的横截面与入射光束不同，而强度表示单位面积上的平均能流密度，并不是总的能流，故有可能不满足守恒定律。能流密度，并不是总的能流，故有可能不满足守恒定律。i2i1i1i2i1i1BAOOn1n2C图图1.3-15 折射光束与反射光束横截面的几何关系折射光束与反射光束横截面的几何关系1.3.9 1.3.9 反射光与透射光的能量分反射光与透射光的能量分配配1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子问题的起因：光在不同介质中的传播速度不同，导致斜入射时透射光 光能流反射率和透射率光能流反射率和透射率 以以s s表示光束的横截面积，则光束的总能流表示光束的横截面积，则光束的总能流W=IsW=Is。对于反射光，对于反射光，s s =s=s，故有，故有对于透射光，对于透射光，s=s=(cos(cosi i2 2/cos/cosi i1 1)s s，故有，故有(1.3-(1.3-9)9)能量守恒定律：能量守恒定律：(1.3-10)(1.3-10)1.3.9 1.3.9 反射光与透射光的能量分反射光与透射光的能量分配配1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子 光能流反射率和透射率 以s表示光束的横截面积，则光束的总图图1.3-16 强度反射和透射率强度反射和透射率i1/(o)n1=1.0n2=1.5图图1.3-17 能流反射和透射率能流反射和透射率i1/(o)n1=1.0n2=1.51.3.9 1.3.9 反射光与透射光的能量分反射光与透射光的能量分配配1.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子图1.3-16 强度反射和透射率i1/(o)n1=1.0图11.3 1.3 自然光与偏振光自然光与偏振光1 1 光波、光线与光子光波、光线与光子本节重点本节重点1.1.平平面面偏偏振振光光、圆圆偏偏振振光光、椭椭圆圆偏偏振振光光、自自然然光光、部分偏振光的特点及区别部分偏振光的特点及区别2.2.垂垂直直入入射射时时的的振振幅幅反反射射比比和和振振幅幅透透射射比比、强强度度反射率与能流反射率反射率与能流反射率3.3.斯托克斯倒易关系斯托克斯倒易关系4.4.布儒斯特定律及其应用布儒斯特定律及其应用5.5.马吕斯定律及其应用马吕斯定律及其应用6.6.反射时发生半波损（相位突变）的条件反射时发生半波损（相位突变）的条件1.3 自然光与偏振光1 光波、光线与光子本节重点1.平27可编辑27可编辑