光学第三章光的偏振课件

第三章第三章 光的偏振光的偏振光波性质：光波性质：横波横波c电矢量电矢量E代表光的振动代表光的振动光矢量光矢量在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量可在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动状态能有不同的振动状态光的偏振态光的偏振态非偏振光非偏振光 完全偏振光完全偏振光 部分偏振光部分偏振光第三章 光的偏振光波性质：横波c电矢量E代表光的振动光1一一.非偏振光非偏振光(自然光自然光)没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解自然光的表示法：自然光的表示法：1 1 光的偏振状态光的偏振状态在垂直于其传播方向的平面内在垂直于其传播方向的平面内每一个光矢量每一个光矢量都可以分解为都可以分解为x x、y y 方向分方向分量量注意：以上两相互垂直的分振动无固定相位关系注意：以上两相互垂直的分振动无固定相位关系一.非偏振光(自然光)没有优势方向自然光的分解自然光的表示法21、线偏振光、线偏振光E播播传传方方向向振振动动面面线偏振光的表示法：线偏振光的表示法：光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面垂直光的传播方垂直光的传播方向的平面内向的平面内二二.完全偏振光完全偏振光EEyEx yx 1、线偏振光E播传方向振动面线偏振光的表示法：光振3右旋圆右旋圆偏振光偏振光右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光2.圆偏振光圆偏振光,椭圆偏振光椭圆偏振光三三.部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光某某一一方方向向振振动动强于其他方向强于其他方向部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法：平行纸面的光振动较强平行纸面的光振动较强垂直纸面的光振动较强垂直纸面的光振动较强 部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光可看成是自然光和线部分偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合偏振光的混合右旋圆右旋椭圆2.圆偏振光,椭圆偏振光三.部分偏振光部42 2 线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验一一 起偏起偏 起偏：起偏：从自然光获得偏振光从自然光获得偏振光 起偏器起偏器:起偏的光学器件起偏的光学器件自然光自然光I0线偏振光线偏振光 IP偏振化方向偏振化方向(透振方向透振方向)偏振片的起偏偏振片的起偏:2 线偏振光的获得与检验一 起偏 起偏：从自然光获得偏5二二.马吕斯定律马吕斯定律(线偏振光入射偏振片线偏振光入射偏振片)I0IPP E0 E=E0cos 马吕斯定律马吕斯定律（1809）消光消光三三.检偏检偏用偏振器件用偏振器件分析、检验分析、检验光的偏振态光的偏振态旋转一周旋转一周2明明2暗暗自然光自然光部分偏振光部分偏振光?二.马吕斯定律(线偏振光入射偏振片)I0IPP E0E6例例1.三三个个偏偏振振片片 P P1、P2与与P P3 堆堆叠叠在在一一起起，P P1 与与 P P3 的的偏偏振振化化方方向向相相互互垂垂直直，P P2 与与 P P1 的的偏偏振振化化方方向向间间的的夹夹角角为为 3030 。强强度度为为 I0 的的自自然然光光垂垂直直入入射射到到偏偏振振片片 P P1，并并依依次次透透过过偏偏振振片片 P P1、P2 与与 P P3，若若不不考考虑虑偏偏振振片片的的吸吸收收和反射，则通过三个偏振片后的光强为：和反射，则通过三个偏振片后的光强为：（A）（B）（C）（D）C例1.三个偏振片 P1、P2与P3 堆叠在一起，P1 与7例例2.有三个偏振片堆叠在一起，第一块与第有三个偏振片堆叠在一起，第一块与第三块的偏振片化方向相互垂直，第二块和第三块的偏振片化方向相互垂直，第二块和第一块的偏振化方向相互平行，然后第二块偏一块的偏振化方向相互平行，然后第二块偏振片以恒定的角速度振片以恒定的角速度 w w 绕光传播的方向顺绕光传播的方向顺时针旋转，如图所示。设入射自然光的光强时针旋转，如图所示。设入射自然光的光强为为I I。,通过这一系统后，出射光的光强为何通过这一系统后，出射光的光强为何？例2.有三个偏振片堆叠在一起，第一块与第三块的偏振片化方向8光学第三章光的偏振课件9例例3.一束光是自然光和线偏振光的混合光，一束光是自然光和线偏振光的混合光，让它们垂直通过一偏振片，若以此入射光束让它们垂直通过一偏振片，若以此入射光束为轴旋转偏振片，测得透射光强度最大值是为轴旋转偏振片，测得透射光强度最大值是最小值的最小值的 5 倍，那么入射光束中自然光与线倍，那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为：偏振光的光强比值为：A (A)1/2;(B)1/5;(C)1/3;(D)2/3.例3.一束光是自然光和线偏振光的混合光，让它们垂直通过103 3 反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振一一.反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振i0:起起偏偏角角或或布儒斯角布儒斯角i0+r0=90O 布儒斯特定律布儒斯特定律n1n2i ir自然光反射和折射自然光反射和折射后产生部分偏振光后产生部分偏振光n1n2i0i0r0线偏振光线偏振光起偏振角起偏振角3 反射和折射光的偏振一.反射和折射时光的偏振i0:起偏11若若 n n1 1 =1.00(=1.00(空气空气)，n n2 2=1.50(=1.50(玻璃玻璃)，则：，则：二二.玻璃片堆起偏玻璃片堆起偏i0 玻璃片堆玻璃片堆(线偏振光线偏振光)(接近线偏振光接近线偏振光)互余互余若 n1=1.00(空气)，n2=1.50(玻璃)，124 4 光在晶体中的双折射光在晶体中的双折射(自学自学）方解石方解石oee o一一.双折射的概念双折射的概念1.1.双折射双折射n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光2.2.寻常光和非寻常光寻常光和非寻常光o o光光:遵从折射定律遵从折射定律e e光光:一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律e光折射线一般在入射面内。光折射线一般在入射面内。o o光和光和e e光光都是线偏振光都是线偏振光双折射的本质是双折射的本质是o光和光和e光的折射率不同，传播速度不同光的折射率不同，传播速度不同o o光在入光在入射面内射面内4 光在晶体中的双折射(自学）方解石oeeo一133.3.晶体的光轴晶体的光轴当当光光在在晶晶体体内内沿沿某某个个特特殊殊方方向向传传播播时时不不发发生生双折射，双折射，该方向称为晶体的该方向称为晶体的光轴。光轴。例如，方解石晶体例如，方解石晶体(冰洲石冰洲石)AB光轴光轴102 光光轴轴是是一一特特殊殊的的方方向向,凡凡平平行于此方向的直线均为光轴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：有两个光轴的晶体双轴晶体：有两个光轴的晶体单轴晶体单轴晶体方解石，石英，红宝石方解石，石英，红宝石云母，硫磺，蓝宝石云母，硫磺，蓝宝石3.晶体的光轴当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射14vo t光轴光轴光轴光轴ve tvo to光光:e光光:n0，ne称为晶体的主折射率称为晶体的主折射率 根据根据n0，ne的关系可分为正、负晶体的关系可分为正、负晶体4.4.光在单轴晶体内的波面光在单轴晶体内的波面 正晶体正晶体:ne no，如石英如石英负晶体负晶体:ne no，如方解石如方解石vot光轴155.5.单轴晶体的主平面单轴晶体的主平面主平面主平面：单轴晶体中光的传播方向与晶体：单轴晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。光轴构成的平面。e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面o光光光轴光轴o光的光的主平面主平面振动方向振动方向 主平面主平面振动方向振动方向 主平面主平面只有光轴在入射面内时，只有光轴在入射面内时，o o、e e光的主平面以及入光的主平面以及入射面重合在一起射面重合在一起5.单轴晶体的主平面主平面：单轴晶体中光的传播方向与晶体光16当光沿光轴方向入射晶体时，当光沿光轴方向入射晶体时，不发生不发生双折射现象双折射现象当光垂直光轴方向入射晶当光垂直光轴方向入射晶体时，体时，o o光、光、e e光沿同一方光沿同一方向传播，但速度不同向传播，但速度不同 e o e o光轴光轴晶体晶体 e o e o光轴光轴晶体晶体发生了发生了双折射现象双折射现象当光沿光轴方向入射晶体时，不发生双折射现象当光垂直光轴方向入17偏振片的应用偏振片的应用v 眼镜、车灯、玻璃眼镜、车灯、玻璃非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光光轴光轴电气石晶片电气石晶片二向色性二向色性作业：作业：5.2 5.2 习题指导：习题指导：4 4；5 5；7 7看典型例题看典型例题声波是否也有偏振现象？能否利用两片声波偏声波是否也有偏振现象？能否利用两片声波偏振片制作消音装置？为什么？振片制作消音装置？为什么？偏振片的应用 眼镜、车灯、玻璃非偏振光线偏振光光轴电气石18偏振片的应用偏振片的应用v 眼镜、车灯、立体电影眼镜、车灯、立体电影声波是否也有偏振现象？能否利用两片声波偏声波是否也有偏振现象？能否利用两片声波偏振片制作消音装置？为什么？振片制作消音装置？为什么？偏振片的应用 眼镜、车灯、立体电影声波是否也有偏振现象？能191.1.自然光以自然光以 60 60 的入射角照射到某一透明介质的入射角照射到某一透明介质表面时，反射光为线偏振光，则知：表面时，反射光为线偏振光，则知：B （A A）折射光为线偏振光）折射光为线偏振光 30 30 ；（B B）折射光为部分偏振光，折射角为）折射光为部分偏振光，折射角为30 30 ；（C C）折射光为线偏振光，折射角不能确定；）折射光为线偏振光，折射角不能确定；（D D）折射光为部分偏振光，折射角不能确定；）折射光为部分偏振光，折射角不能确定；1.自然光以 60 的入射角照射到某一透明介质表面时，反202.2.一束自然光自空气射向一束自然光自空气射向一块平板玻璃一块平板玻璃(如图如图)，设，设入射角等于布儒斯特角入射角等于布儒斯特角i i0 0，则在界面则在界面 2 2 的反射光的反射光 B （A A）光强为零；）光强为零；（B B）是完全偏振光且光矢量的振动方向垂直）是完全偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面；于入射面；（C C）是完全偏振光且光矢量的振动方向平行）是完全偏振光且光矢量的振动方向平行于入射面；于入射面；（D D）是部分偏振光。）是部分偏振光。2.一束自然光自空气射向一块平板玻璃(如图)，设入射角等于布213.两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射其上时没有光线透过。当其中一偏振片慢射其上时没有光线透过。当其中一偏振片慢慢转动慢转动180 时透射光强度发生的变化为时透射光强度发生的变化为:B （A A）光强单调增加；）光强单调增加；（B B）光强先增加，后又减小至零；）光强先增加，后又减小至零；（C C）光强先增加，后减小，再增加；）光强先增加，后减小，再增加；（D D）光强先增加，然后减小，再增加再减小至）光强先增加，然后减小，再增加再减小至零。零。3.两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射其上时没有光线透过224.4.一束光强为一束光强为 I I0 0 的自然光垂直穿过两个偏的自然光垂直穿过两个偏振片，且此两偏振片的偏振化方向成振片，且此两偏振片的偏振化方向成 45 45 角，角，若不考虑偏振片的反射和吸收，则穿过两个若不考虑偏振片的反射和吸收，则穿过两个偏振片后的光强为：偏振片后的光强为：B （A）（B）（C）（D）4.一束光强为 I0 的自然光垂直穿过两个偏振片，且此两偏振235.5.使一光强为使一光强为I I0 0的线偏振光先后通过两个偏振的线偏振光先后通过两个偏振片片P P1 1和和P P2 2.P.P1 1和和P P2 2的偏振化方向与原入射光光的偏振化方向与原入射光光矢量振动方向的夹角分别是矢量振动方向的夹角分别是a a 和和9090 则通过这则通过这两个偏振片后的光强两个偏振片后的光强I I是是:C (B)0.(A)(C)(D)(E)5.使一光强为I0的线偏振光先后通过两个偏振片P1和P2.246.如图，如图，P1、P2为偏振化方向间夹角为为偏振化方向间夹角为a a的两个偏的两个偏振片。光强为振片。光强为I0的平行自然光垂直入射到的平行自然光垂直入射到P1表面上，表面上，则通过则通过P2的光强的光强I=。若在若在P1、P2之间插入第三个偏振片之间插入第三个偏振片P3，则通过，则通过P2的的光强发生了变化。实验发现，以光线为轴旋转光强发生了变化。实验发现，以光线为轴旋转P2，使其偏振化方向旋转一角度，使其偏振化方向旋转一角度q q后，发生消光现象，后，发生消光现象，从而可以推算出的从而可以推算出的P3偏振化方向与偏振化方向与P1的偏振化方向的偏振化方向之间的夹角之间的夹角a a=。（假设题中所涉及的。（假设题中所涉及的角均为锐角，且设角均为锐角，且设a a a a）II0P1P3P26.如图，P1、P2为偏振化方向间夹角为a的两个偏振片。光257.7.自然光以布儒斯特角由空气入射到一玻璃表自然光以布儒斯特角由空气入射到一玻璃表面上，反射光是面上，反射光是（A A）在入射面内振动的完全偏振光。）在入射面内振动的完全偏振光。（B B）平行于入射面的振动占优势的部分偏振）平行于入射面的振动占优势的部分偏振光。光。（C C）垂直于入射面振动的完全偏振光。）垂直于入射面振动的完全偏振光。（D D）垂直于入射面的振动占优势的部分偏振）垂直于入射面的振动占优势的部分偏振光光.C 7.自然光以布儒斯特角由空气入射到一玻璃表面上，反射光是（A268 8.如图所示，一束自然光入射到平玻璃板上，如图所示，一束自然光入射到平玻璃板上，已知其上表面的反射光线已知其上表面的反射光线1 1为完全偏振光。设为完全偏振光。设玻璃板两侧都是空气，标明各反射、折射光玻璃板两侧都是空气，标明各反射、折射光线的偏振情况。线的偏振情况。nn0n0128.如图所示，一束自然光入射到平玻璃板上，已知其上表面的反射279.9.请将下列各图中反射光及折射光的偏振态请将下列各图中反射光及折射光的偏振态画出来。图中画出来。图中i i0 0=tg=tg-1 1 n n2 2n n1 1 ii ii0 0 9.请将下列各图中反射光及折射光的偏振态画出来。图中i0=28 拍摄玻璃窗内的物体时，用偏振拍摄玻璃窗内的物体时，用偏振片去掉反射光的干扰片去掉反射光的干扰 拍摄玻璃窗内的物体时，用偏振片去掉反射光的干扰 29n1n2n3用波长为用波长为 的单色光垂直照射如同所示的劈的单色光垂直照射如同所示的劈尖膜（尖膜（）观察反射光干涉。）观察反射光干涉。（1 1）从劈尖顶开始算起，第二条明条纹中心）从劈尖顶开始算起，第二条明条纹中心所对应的膜厚度，第五条暗纹中心所对应的所对应的膜厚度，第五条暗纹中心所对应的膜厚度膜厚度（2 2）相邻二明纹所对应的薄膜厚度之差是多）相邻二明纹所对应的薄膜厚度之差是多少少n1n2n3用波长为 的单色光垂直照射如同所示的劈尖膜（30在双缝干涉实验中，若单色光源在双缝干涉实验中，若单色光源 S S 到两缝到两缝 S S1,1,S S2 2 距离相等，则观察屏上中央明条纹位于图中距离相等，则观察屏上中央明条纹位于图中 O O 处，现将光源处，现将光源 S S 向下移动到示意图中的向下移动到示意图中的 S S 位位置，则：置，则：（A A）中央明条纹也向下移动，）中央明条纹也向下移动，且条纹间距不变；且条纹间距不变；（B B）中央明条纹向上移动，且）中央明条纹向上移动，且条纹间距增大；条纹间距增大；（C C）中央明条纹向下移动，且）中央明条纹向下移动，且条纹间距增大；条纹间距增大；（D D）中央明条纹向上移动，且）中央明条纹向上移动，且条纹间距不变条纹间距不变。D 作业作业 4 习题指导习题指导P66 22在双缝干涉实验中，若单色光源 S 到两缝 S1,S2 距离相31(A)P(A)P点处仍为明条纹。点处仍为明条纹。(B)P(B)P点处为暗条纹。点处为暗条纹。(C)(C)不能确定不能确定P P点处是明条绞还是暗条纹。点处是明条绞还是暗条纹。(D)(D)无干涉条纹。无干涉条纹。B在双缝干涉实验中，屏幕在双缝干涉实验中，屏幕E E上的上的P P点处是明条点处是明条纹若将缝纹若将缝S S2 2盖住，并在盖住，并在S S1 1 S S2 2连线的垂直平连线的垂直平分面处放一高折射率介质反射镜分面处放一高折射率介质反射镜M M，如图所，如图所示，则此时示，则此时(A)P点处仍为明条纹。B在双缝干涉实验中，屏幕E32在双缝干涉实验中，波长在双缝干涉实验中，波长=5500 的单色的单色平行光垂直入射到缝间距平行光垂直入射到缝间距d=210-4m 的的双缝上，屏到双缝的距离双缝上，屏到双缝的距离 D=2m 求：求：(1)中央明纹两侧的两条第中央明纹两侧的两条第 10 级明纹中心级明纹中心的间距的间距;(2)用一厚度为用一厚度为 e=6.6 10-6-6m、折射率为、折射率为 n=1.58 的玻璃片覆盖一缝后的玻璃片覆盖一缝后,零级明纹将零级明纹将移到原来的第几级明纹处移到原来的第几级明纹处?解解:(1)(2)覆盖玻璃后覆盖玻璃后,零级明纹应满足零级明纹应满足:在双缝干涉实验中，波长=5500 的单色平行光垂直入射33设不盖玻璃片时设不盖玻璃片时,此点为第此点为第k级明纹，则应级明纹，则应有有所以所以零级明纹移到原第零级明纹移到原第 7 级明纹处级明纹处.设不盖玻璃片时,此点为第k级明纹，则应所以零级明纹移到原第34用波长为入的单色光垂直照射到空气劈尖上，用波长为入的单色光垂直照射到空气劈尖上，从反射光中观察干涉条纹，距顶点为从反射光中观察干涉条纹，距顶点为L L处是暗处是暗条纹。使劈尖角条纹。使劈尖角连续变大，直到该点处再次连续变大，直到该点处再次出现暗条纹为止。劈尖角的改变量出现暗条纹为止。劈尖角的改变量是是_。用波长为入的单色光垂直照射到空气劈尖上，从反射光中观察干涉条358.8.用波长为用波长为 的单色光照射空气劈形膜，的单色光照射空气劈形膜，从反射光干涉条纹中观察到劈形膜装置的从反射光干涉条纹中观察到劈形膜装置的A A点处是暗条纹，若连续改变入射光波长，点处是暗条纹，若连续改变入射光波长，直到波长变为直到波长变为 时，时，A A点再次变为暗点再次变为暗条纹，求条纹，求A A点的空气膜厚度。点的空气膜厚度。8.用波长为 的单色光照射空气劈形膜，从反射光干涉条纹中361212人人眼眼的的瞳瞳孔孔直直径径约约为为3mm,3mm,若若视视觉觉感感受最灵敏的光波长为受最灵敏的光波长为5500,5500,试问：试问：a)a)人眼最小分辨角是多大人眼最小分辨角是多大?b)b)在在教教室室的的黑黑板板上上,画画一一等等号号,其其两两横横线线相相距距2mm 2mm,试试分分析析坐坐在在黑黑板板10 10 m m处处的的同同学学能能否分辨这两条横线否分辨这两条横线?12人眼的瞳孔直径约为3mm,若视觉感受最灵敏的光波长为37