大学物理第五章1光的偏振

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5.1 光的偏振现象,光的偏振态,5.1 线偏振光的获得与检测,起偏和检偏、马吕斯定律,5.3 反射光和折射光的偏振,一反射光和折射光的偏振,二布儒斯特定律,5.4 双折射现象,一光的双折射现象,二晶体光轴、主平面,三,单轴晶体中光传播的惠更斯作图法,四晶体偏振器件,作业：51、52、55、58、59、510,5.1 光的偏振态,光波中光矢量的振动方向总和光的传播方向相垂直,对横波：,（光波）,光是电磁波，是横波,传播方向,当光的传播方向确定时，我们只知道光矢量在垂直于光的传播方向的平面内，至于在这个平面内的哪个方向,是不能完全确定的.,通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态,称为,光的偏振态,第五章 光的偏振,光波中光矢量的振动方向总和光的传播方向相垂直,对横波：,（光波）,传播方向,因此，在研究除光的干涉和衍射外，作为横波的光，还必须研究其,振动方向的问题,光的偏振问题,只有横波才具有偏振现象,光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性，但不能确定光是横波还是纵波。,光矢量可能有各种不同的振动方向，,通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态,称为,光的偏振态,对纵波,：振动方向与传播方向一致，即振动只有一个方向。,光是电磁波，是横波,具有偏振的特性,通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态,称为,光的偏振态,光的分类：,常见的偏振态可分为以下三类：,非偏振光,、,完全偏振光（偏振光）,、,部分偏振光,。,自然光,线偏振光,椭圆偏振光,圆偏振光,1,线偏振光:,又称为平面偏振光,E,播,传,方,向,振,动,面,面对光的传播方向看,偏振方向,光矢量只沿一个固定的方向振动。,线偏光的振动面（振动方向与传播方向决定的平面）,是固定不动的。,表示方法：,传播方向,传播方向,光振动平行于纸面的偏振光,光振动垂直于纸面的偏振光,线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：,E,E,y,E,x,y,x,还有个特点：,2,自然光,（Natural Light）,（非偏振光）:,传播方向,自然光在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有，,光矢量具有轴对称性且,光矢量的分布均匀，各个方向光振动振幅都相等,，,无固定相位差。,哪个振动方向都没有优,自然光可分解为两个垂直的、,振幅相等的独立光振动。,自然光两个分振动的光强相等，各占自然光光强的一半（,50%,）,自然光的分解,自然光的表示法,：,短线和点分别表示平行于纸面和垂直于纸面的光振动.点和短线交替均匀画出，表示光矢量对称而均匀分布，注意二者无固定的相位关系.,平行于纸面和垂直纸面的分振动光强相等.,传播方向,自然光的分解,3.部分偏振光,存在优势方向,部分偏振光介于自然光和偏振光之间,部分偏振光的分解,光矢量具有各个方向振动象自然光,光矢量在各方向振动振幅不等偏振,特点：,各个方向振动的光矢量都有；振幅不相等；光矢量不具有轴对称性,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,（无固定位相关系）,的线偏振光,。,3.部分偏振光,表示法：,存在优势方向,部分偏振光介于自然光和偏振光之间,部分偏振光的分解,平行多余垂直分量,垂直于多余平行分量,仰首看到“天光”,俯首看到“湖光”,4,圆偏振光和椭圆偏振光,y,y,x,z,传播方向,/2,x,E,0,特点：,光矢量只沿一个固定的方向振动的,同时，,在还要绕着传播方向均匀转动（光矢量按一定频率旋转）。,如果光矢量端点轨迹是一个圆,圆偏振光,如果光矢量端点轨迹是一个椭圆,椭圆偏振光,根据相互垂直的简谐振动的合成规律,这两个分振动具有确定的相位关系。,=,不同，椭圆形状、旋向也不同。,=3,/2,=5,/4,=7,/4,=,/2,=,/4,=0,y,x,=3,/4,（,-,3/4）,（,-,/2）,（,-,/4）,复习,圆、椭圆偏振光,5.2 线偏振的获得与检验,起偏和检偏,在实验室内怎样产生偏振光？,又如何检验光的偏振态呢？现在常用的方法是利用偏振片。,起偏器,:,起偏,的光学器件,-,偏振片,起偏：,检,偏：,现在常用的起偏和检偏的器件是偏振片,如何由自然光获得线偏振光？,从自然光获得偏振光,的过程；,鉴别光的偏振状态,的过程；,x,y,z,z,线栅起偏器,入射,电磁波,非偏振光,线偏振光,光轴,电气石晶片,透振方向,偏振片,这种晶粒对某一方向的光矢量有强烈的吸收,而相对垂直的方向的光矢量则吸收很少。,这就使得做成的偏振片基本上只允许振动面,在某一特定方向的偏振光通过，这一方向称为,偏振化方向(,即光通过的方向,）,是在透明基片上蒸度一层某种晶粒做成.,重要规律,2、自然光通过偏振片光强衰减一半。,1、自然光通过偏振片变为线偏振光；,偏振片的偏振化方向（,又称为,透偏振方向）,：偏振片允许通过的光振动的方向,偏,振,化,方,向,自然光,偏振片,线偏振光,各种偏振态的光通过偏振片情况,自然光,自然光通过偏振片为线偏光；,转动偏振片,360,光强不变化；,线偏光,线偏光通过偏振片为线偏光；,转动偏振片,360,光强有变化，,有两次消光；,偏振化方向,各种偏振态的光通过偏振片情况,部分偏振光,转动偏振片,360,光强有变化；无消光,圆偏振光,转动偏振片,360,光强不变化；,椭圆偏振光,转动偏振片,360,光强有变化；无消光,马吕斯定律,自然光,线偏光,马吕斯定律,（1809）,消光,马吕斯定律,（1809）,例题1,在双缝干涉中用自然光在屏上形成干涉条纹,若在两缝后放一偏振片,则:,（）干涉条纹间距不变,明纹亮度加强（）干涉条纹间距不变,明纹亮度减弱,（）干涉条纹间距变窄,明纹亮度减弱（）无干涉条纹,B,例2.,已知,以角速度 转动,自然光入射强度为,求：出射光,?,I,=,?,I,max,=,何时,解：,5.3 反射光和折射光的偏振,一反射光和折射光的偏振,自然光在两种各向同性媒质分界面上,反射,和,折射,时，,不仅光的传播方向要改变，而且偏振状态也要发生变化。,一般情况下，反射光和折射光,不再是自然光，而是部分偏振光。,反射光中,垂直于,入射面的光振动多于平行入射面的光振动；,折射光中,平行于,入射面的光振动多于垂直入射面的光振动,理论和实验证明：,反射光的偏振化程度和入射角,i,有关。,当入射角等于某一特定值,i,0,时，,反射光,是光振动垂直入射面的,线偏光,，,这一特定角,i,0,称为起偏角或,布儒斯特角。,当,i,=,i,0,时,，,i,0,+,r,0,=90,有,布儒斯特定律,(1812年),二布儒斯特定律,实验中还发现,应用,：,（）可测不透明媒质折射率,（）获得较强线偏振光。,玻璃片堆,当自然光以起偏角入射时，反射光为线偏光，但光强很弱；,折射光仍为部分偏振光，但光强较强。,为了增强反射光的强度和折射光的偏振化程度，采用,i,0,(接近线偏振光),应用,3,：,在拍摄玻璃窗内的物体时，,去掉反射光的干扰？,未装偏振片,装偏振片,例题1,：一束单色光自空气射向一块平板玻璃，设入射角等于布儒斯特角，则在界面的反射光为：,，是自然光；,，是线偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面,，是线偏振光且光矢量的振动方向平行于入射面；,，是部分偏振光,结果：,一束光射入晶体时，折射光分成两束；,当晶体在垂直入射光的平面内转动时，,一束折射光传播方向保持不变，,另一束折射光随着晶体转动传播方向改变。,双折射现象,方解石,o,e,e,o,影片：双折射,一光的双折射现象,光的双折射现象,一束光射入各向异性媒质时，折射光分成两束的现象,寻常光,o,，,非常光,e,在上述实验中转动晶体，,折射光传播方向不变的那束光称为,寻常光o,；,随着晶体转动传播方向改变的那束光称为,非常光e,寻常光,（,o,光,）,遵从折射定律,；,n,1,n,2,i,r,o,r,e,(各向异,性媒质),自然光,o,光,e,光,非寻常光,（,e,光,）,一般不遵从折射定律,e,光折射线也不一定在入射面内。,o,光和,e,光,均为线,偏振光。振动面互相垂直,实验上如何证明,二晶体光轴、主平面,当光在晶体内沿某个特殊方向传播时,不发生双折射，,该方向称为晶体的,光轴。,晶体的光轴,沿光轴方向,o,光和,e,光在的传播速率相等,注意：,光轴只是一特殊方向而非一实在轴线,凡平行于此方向的直线均为光轴。,如天然方解石,平行六面体,单轴晶体,、多轴晶体,多轴晶体：,不只一个,光轴的晶体。,单轴晶体：,只有一个光轴的晶体。,如天然方解石,平行六面体,如：方解石、石英、红宝石等,如：蓝宝石（双轴晶体）,主平面,晶体中光的,传播方向,与晶体,光轴,构成的平面。,e,光,光轴,e光的,主平面,o,光,光轴,o光的,主平面,o,光的光振动方向垂直于,o,光的主平面；,e,光的光振动方向平行,e,光的主平面。,一般情况下，,o,光的主平面和,e,光的主平面并不重合。,单轴晶体的子波波阵面,光轴,o,波面,e,波面,两种光线沿光轴方向的速率相等，,两波面在,光轴方向,相切，,在垂直光轴方向上，两光线传播速率相差最大,三,单轴晶体中光传播的惠更斯作图法,光子波波阵面为球面,振动沿各方向传播,速度相同,光,振动沿各方向传播,速度不同,光,光子波波阵面为旋转椭球面,光轴,o,波面,e,波面,o,光的传播速率用,v,o,表示,折射率用,n,o,表示，,e,光在垂直光轴方向上的传播速率,用,v,e,表示，折射率用,n,e,表示,根据,n,o,和,n,e,的大小关系，晶体分为,正晶体,和,负晶体,n,o,，,n,e,称为,晶体的主折射率,晶体的主折射率,、,正晶体、负晶体,负晶体:,n,e,n,o,(,e,o,),光轴,v,e,t,v,o,t,光轴,v,o,t,v,e,t,如石英,n,o,，,n,e,称为,晶体的主折射率,如方解石,t,t,0,t,t,1,单轴晶体中光传播的惠更斯作图法,思路：（波的折射）,向晶体内发出球面子波和椭球面子波。作所有各点所发子波的包络面，即得晶体中,o,光波面和,e,光波面，从入射点引向相应包络面与,o,光波面和,e,光波面的切点的连线方向就是所求晶体中的,o,光和,e,光传播方向,下面以,负晶体,为例来说明,光轴平行晶体表面，自然光垂直入射,o,e,在方向上虽没分开，,但速度上是分开的。,(,e,o,),光轴平行晶体表面，,自然光,斜,入射,光轴与晶体表面斜交，,自然光斜入射,四晶体偏振器件,利用晶体的双折射现象，可制成棱镜来获得线偏光,其思想是：,偏振棱镜,尼科耳棱镜,将一束自然光射入到晶体制成的复合棱镜，,利用双折射现象分成寻常光和非常光，,然后利用全反射原理把寻常光反射到棱镜侧壁上，,只让非常光通过棱镜，从而获得一束振动方向固定的线偏光。,这样的棱镜有很多，这里介绍,尼科耳棱镜,尼科耳棱镜,光轴,加拿大胶,光轴,方解石,树胶,临界角约为6915,2、晶体的二向色性,某些晶体对,o,光和,e,光具有选择吸收性，具有这种选择吸收性的晶体叫做的,二向色性晶体,晶体的二向色性,电气石,光轴,e,光,电气石,光轴,例如：,电气石对e光吸收较少，而对O光则吸收很强,1mm的电气石就能把透过的O光全部吸收掉，,而,使e光透出,偏振光,偏振光,