Ch(光的偏振)精讲

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,*,15-1 自然光与,偏振光,一、光的偏振性Polarization,光是电磁波在人眼视觉范围内的波段,0.4,m,0.7,m。对应,红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光。,电磁波是横波,由光的振动方向带来的特性，称作光的偏振性。,光的生理作用，感光现象，实际都是,电矢量在起作用。,第十五章 光的偏振Polarization of Light,二、光偏振态的分类,自然光：在垂直于传播方向的平面内，假设光矢量,E 在全部方向上是均匀轴对称分布的，称为自然光。,2.线偏振光：,只含单一方向光振动的光。也称完全偏,振光、平面偏振光,x,y,X,Y,迎光矢量图,可沿两个方向分解,3.圆偏振光和椭圆偏振光：,光矢量末点的运动轨迹是,圆、正椭圆或斜椭圆。在迎光矢量图上，光矢量端点,沿逆时针方向旋转的,称为左旋偏振光,；沿顺时针方向,旋转的称为,右旋偏振光,。,4.局部偏振光：某一方向振动比另一方向振动强,自然光加线偏振光、自然光加椭圆偏振光、,自然光加圆偏振光，都是局部偏振光。,线偏光,圆偏振光与椭圆偏振光可由相互垂直的振动叠加而成。,15-2 起偏和检偏 马吕斯定律,一、偏振片的起偏和检偏,偏振片：,“,二相色性,”,的有机晶体，如硫酸碘奎宁、,电气石或聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后，在高温,拉伸、烘干，然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏,片。它有一个特定的方向，只让平行与该方向的振,通过。,(1)偏振片的透振方向：（偏振化方向）（透光轴）,用“”表示。例：,制作：透亮基片上,蒸镀一层晶粒。,起偏和检偏 例：P1 是,起偏片,P2 是检偏片。P2 旋转，,当 P2 与 P1 的透光轴平行时，,透射最强。反之，当 P2 与 P1,的透光轴垂直时，无透射,消光现象。其它状况，介于二,者之间。旋转一周过程中，出,现两次最亮，两次最暗。其它,状况随旋转而变化，变化的规,律听从“马吕斯定律”。,(2),起偏器,：能由自然光获得线偏振光的器件。,(3)检验器：,用作检测是否是偏振光的器件。,起偏与,检偏,一束光强为,的线偏光，透过检偏器以后，透射,光强为：,为线偏光的光振动方向与检偏器,透振方向间的夹角。,二、马吕斯定律(E.L.Malus)1808年,法国物理学家，巴黎科学院院士。1808年确定了马吕,斯定律，觉察反射时间的偏振。1811年觉察折射时间,的偏振现象。提出确定晶体光轴的方法，研制出一系,列偏振仪器。,例题1,光强为,I,0,的自然光通过两透振方向夹角为 45,度的偏振片，之后光强为多少？,解：,经第一偏振片后，光强变为：,故经其次偏振片后，光强变为：,一束光强为,的自然光透过起偏器，透射光强为：,例题2 强度为 Ia 的自然光与 Ib 的线偏振光混合而成,一束入射光，垂直照射到一偏振片上，如以入射光的,方向为轴旋转偏振片时，出射光消逝的最大值与最小,值之比为 n，求：Ia/Ib与 n 的关系,解：,由题意知：,则有：,即：,例题3,自然光入射到叠放在一起的两个偏振片后，,透射光强是最大透射光强的,1/3,，,求两偏振片透振,方向的夹角,；,(2),透射光强是自然光强的,1/3,，求两,偏振片透振方向的夹角,。,解:,(1),(2),例题4：光强的调制。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 旋转的抱负,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？,每旋转偏振片,P 一周，输出光强有“四明四零”。,t,=0,0,90,0,180,0,270,0,时，输出光强为零。,t,=45,0,135,0,225,0,315,0,时，输出光强为,I,0,/8。,15-3 反射和折射光的偏振,一、反射与折射的偏振,马吕斯的觉察 1808年，如以下图：,其中,a,为自然光，,b,c,为部份偏振光,b 中，多于指光振动而言,c 中，多于指光振动而言,二、布儒斯特定律：D.Brewster 1812),当入射角满足：,这试验规律可用电磁场理论的菲涅耳公式解释。,时，,反射光为振动方向垂直,入射面的完全偏振光。,临界角 布儒斯特角（起偏角）,留意：反射光是垂直入射面的线偏振光，但其光强,很弱，只是入射光中垂直振动的一小局部。而折射光,是偏振化程度不高的局部偏振光，但是很强。,证明：,由折射定律：,即反射光线与折射光线垂直。,三、推论：,又由布儒斯特定律：,所以,例如：自然光从空气中以 i0 入射玻璃n2=1.50,时，反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的,7.4%，而约占入射垂直振动局部能量的 15。,布儒斯特：D.Brewster 1781-1868 英国,物理学家，伦敦皇家学会会员，爱丁堡大学校长。,1815年觉察圆偏振，1816年制造万花筒，1818年觉察,双轴晶体，1826年制成马蹄形电磁铁。,在玻璃片下外表处的反射，其入射角33.70也正是,光从玻璃射向空气的起偏振角，所以反射光仍是垂,直于入射面振动的偏振光。,为了增加折射光的偏振化程度，可承受玻璃片,堆的方法。一束自然光以起偏角56.30入射到多层,平板玻璃上，如图：,三、玻璃片堆,1.5,1.5,1.5,1.0,1.0,1.0,1.0,1.利用反射和折射时的偏振可以做起偏和检偏。,M,n,M,N,270,0,0,0,0,0,90,0,180,0,n,n,2.测不透亮介质的折射率,应用：,N,270,0,90,0,180,0,n,例题1某材料在空气中的布儒斯特角 i0=58，,求它的折射率？假设将它放在水中水的折射率,为 1.33，求布儒斯特角？该材料对水的相对,折射率是多少？,解：,设该材料的折射率为,n,，空气的折射率为1,放在水中，则对应有,所以：,该材料对水的相对折射率为1.2。,15-4,光的双折射现象,一、晶体的双折射现象,1669年，丹麦巴托莱纳斯E.Bartholinus)无,意将一块冰洲石即完全透亮的方解石 CaCO3 碳,酸钙放在书上觉察书上每个字都成双像。10年,后，惠更斯重新分析了上述现象，认为通 过方解石看,书一个字有两个像，说明一束光进入方解石后分裂成,两束光沿不同方向折射变成了两束光。惠更斯把这种,现象称为双折射现象。现在知，除立方系岩盐,外，一般晶体都会产生光的双折射现象。,S,S,方解石晶体,试验一,试验二,在各向同性的介质中,S,是点物,S 的象,自然的方解石晶体是光学各向异性的双折射晶体。,A,B,1.现象：,2.特点：,(2)光轴 O 光和 e 光传播速度,一样的特殊方向，,沿光轴方向不发生双折射现象。,晶体中，有无穷多个光轴。,光轴,(1)两束光都是线偏振光，但光振动 方向不同：,寻常光（O 光 Ordinary）,：,遵守折射定律，,始,终在入射面内传播。光振动 方向垂直自己的,主平面,（见下页解释）。,非常光（,e,光 Extra-ordinary）：,不遵守折射定,律,，它的折射率随方向而变化，且不一定在入射面,内传播。光振动 方向在自己的,主平面,内。,A,B,具有一个光轴的晶体，称为,单轴晶体,。例如：方解石、,石英等。,具有两个光轴的晶体，称为,双轴晶体,。例如：云母、硫,黄等。,O,光振动方向垂直于其主平面。,e,光振动方向平行于其主平面。,(4)主平面：光线与光轴组成的,平面为主平面,理论和试验证明,试验证明：当且仅当光轴在入射面内时，,O 光、e 光的主平面就都与入射面重合，它们均,在入射面内传播，其振动方向才相互垂直。,仅当沿光轴方向入射，O 光和 e 光具有一样的,折射率和一样的波速，因而无双折射现象。,(5)一般 O 光和 e 光传播速度不同：,O 光沿不同方向传播速率一样，,e 光沿不同方向传播速度不同。,用惠更斯原理解释光的双折射现象,惠更斯原理：,O,光在晶体内任意点所引起的波阵面是球面。,即具有各向同性的传播速率。,e 光在晶体内任意点所引起的波阵面是旋转椭球面。,沿光轴方向与 O 光具有一样的速率。,e,光波面,O,光波面,光轴方向,负晶如方解石CaCO,3,e,光波面,O,光波面,光轴方向,正晶如石英,SiO,2,凡属,n,O,V,e,晶体称为正晶。,凡属,n,O,n,e,主,，即,V,O,V,e,晶体称为负晶。,e,光在垂直于光轴方向上的传播速率,V,e,在该方向的折射率,n,e,主,。,e,光在其它方向上的折射率在,n,O,n,e,主,之间。,对波长为 589.3 纳米的钠黄光,方解石,1.4864 1.6584,石英,1.5534 1.5443,为简略以下,使用,平行光倾斜入射，光轴在入射面内，,光轴与晶体外表斜交,光轴,A,F,E,e,O,e,O,假设光轴不在入射面内，球面和椭球面相切的点，,就不会在入射面内，则 O 光、e 光振动方向并不,相互垂直。,平行光垂直入射，光轴在入射面内，,光轴与晶体外表斜交,光轴,A,E,O,e,B,F,E,F,出射两束偏振方向相互垂直的线偏光,平行光垂直入射，光轴在入射面内，,光轴平行晶体外表,光轴,A,E,e,B,F,E,F,O,具有相互垂直,的偏振方向,出射光沿同方向传播,二、尼科耳棱镜,A,C,N,M,光轴在,ACNM 平面内方向与AC成48,0,，入射面取,ACNM 面,两块特殊要求加工的直角方解石，如图：,加拿大树胶的折射率 n=1.55，O光入射角大,于其临界角 arc sin(1.55/1.658)=69012，被全反,射，在 CN 处为涂黑层所吸取。,出射偏振方向在,ACNM,平面内的偏振光。,e,76,0,O,方解石的折射率,n,0,=1.658，,n,e,=1.486,22,0,68,0,e,三、渥拉斯顿棱镜,e,O,两块直角方解石光轴相互垂直，如图：,A,B,D,C,O,方解石,光从光密到光疏,折射光要偏离法线,e,在棱镜,BCD 中，传播的,O,光和,e,光波面与入射,面相截成两个同心圆。,e,O,O,光振动垂直,与光线和光轴,组成的平面。,e,光振动平行,与光线和光轴,组成的平面。,15-1，15-16，15-22，,15-26。,课外作业,大学物理精品课程网站,