第--章-光的偏振

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,一、光的偏振状态,电磁波中，电场、磁场与传播方向三者相互垂直，构成右旋直角坐标系。,光矢量,沿传播方向不具有轴对称性而是有一定的取向，称为,偏振,。,只有横波才具有偏振现象，纵波没有。,一、光的偏振状态,1.,在一个光列中，光矢量只在一个方向上偏振。其振动面位于一个平面内，故称之为,线偏振光,，又称为,平面偏振光,或,完全偏振光,。,2.,太阳光、电灯光等是众多原子发出的光，其光矢量的偏振方向随机分布，但各方向均等。故迎着光线看，光矢量是轴对称分布的，称之为,自然光,或,非偏振光,。,一、光的偏振状态,对所有可能的光矢量，其在,x,、,y,方向上的分量彼此间没有固定的相位关系，可以非相干叠加。,y,x,一、光的偏振状态,由于大量线偏振光,轴对称分布,，,即一束自然光可以任意分解为振动方向相互垂直的两个强度相等而相位彼此独立无关的平面偏振光。,y,x,一、光的偏振状态,3.,偏振状态介于自然光和线偏振光之间的光称为,部分偏振光,。,一、光的偏振状态,部分偏振光可以看作是自然光和线偏振光叠加而成。,一、光的偏振状态,自然光,线偏振光,部分偏振光,4.,圆偏振光,椭圆偏振光,。,一、光的偏振状态,右旋圆,偏振光,右旋椭圆,偏振光,y,y,x,z,传播方向,/2,x,某时刻右旋圆偏振光,E,随,z,的变化,E,0,1.,微波偏振检验试验,二、线偏振光的获得与检验,2.,偏振片,二、线偏振光的获得与检验,两向色性的有机晶体，如硫酸碘奎宁、电气石或聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后，在高温下拉伸、烘干，然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片。它有一个特定的方向，只让平行与该方向的振动通过，这一方向称为,偏振化振动方向,。,I,2,0,I,=,I,0,3.,起偏、检偏,当自然光通过偏振片时，透过的光成为线偏振光，称为,起偏,。,二、线偏振光的获得与检验,I,2,0,I,=,I,0,3.,起偏、检偏,二、线偏振光的获得与检验,在光路上放一块相同的偏振片，当旋转这一偏振片时，透射的光强不发生变化，则入射光为自然光。,3.,起偏、检偏,二、线偏振光的获得与检验,在光路上放一块相同的偏振片，当旋转这一偏振片时，若光强发生变化，则可确定入射光为偏振光，因此该偏振片可进行,检偏,。,4.,马吕斯定律,二、线偏振光的获得与检验,以光线为轴旋转其中一个偏振片，光强,I,2,周期性变化。,二、线偏振光的获得与检验,例 P.221,例题1：入射光I,0,为自然光，四片偏振片分别顺时针转30,0,，求透射光强。,解：自然光经过第一偏振片后，光强为：,经过第二偏振片后，光强为：,经过第三偏振片后，光强为：,经过第四偏振片后，光强为：,透射光强是入射光强的 21% 。,1. 装置,入射光,出射光,观察出射光强的变化,该偏振片称,检偏器,偏振片,课堂思考：,偏振光的检验。如何用实验方法区分线偏振光、部分偏振光、自然光？,入射光,出射光,观察出射光强的变化,2.检验,消光,不变,入射光,入射光,入射光,线偏振,自然光,部分偏振,光强变化,三、反射和折射时光的偏振,自然光入射时，反射光与折射光一般不再是自然光，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于入射面的光振动，折射光中平行于入射面的光振动多于垂直于入射面的光振动。,垂直时,三、反射和折射时光的偏振,布儒斯特定律,当反射光和折射光的传播方向互相垂直时，反射光为振动面垂直于入射面的线偏振光，折射光为部分偏振光。,i,0,称,为,起偏振角,或,布儒斯特角,：,i,0,+ r,=,90,三、反射和折射时光的偏振,i,0,+ r,=,90,布儒斯特定律,(1812年),若,n,1,= 1.00 (空气)，,n,2,= 1.50 (玻璃)，则：,一般情况下反射光很弱（15%），而透射光很强并且总是部分偏振光，当入射角为布儒斯特角时，入射光中与入射面垂直的分量反射一部分，透射一部分，而与入射面平行的分量则100%全部通过。,三、反射和折射时光的偏振,这样透射光穿过,玻璃片堆,后，基本上就是具有一定光强的完全线偏振光了。,四、双折射现象,1.,一束入射光在各向异性介质中折射为两束光的现象称为,双折射现象,。,方解石,（CaCO,3,）双折射现象,在双折射晶体内的两束折射光，一束遵循折射定律，称之为,寻常光,(Ordinary Light),，记为,o,光,，另一束不遵循折射定律，称之为,非常光,(Extraordinary Light),，记为,e,光,。,实验表明，,o,光和,e,光均为线偏振光,。,四、双折射现象,双折射晶体内有特殊方向，光沿此方向传播时不发生双折射现象，该方向称为晶体的,光轴,。,单轴晶体：方解石、石英、红宝石、冰。,双轴晶体：云母、蓝宝石、橄榄石、硫磺。,方解石晶体为平行六面体，其光轴是通过全由钝角102,组成的两个顶点的体对角线的方向。,四、双折射现象,光线,主平面,(Principal Plane)：与光轴所确定的平面。,o,光的偏振方向垂直于,o,光的主平面，也垂直于光轴。,e,光的偏振方向平行于,e,光的主平面。,四、双折射现象,在晶体中，折射,o,光与入射光总在同一入射面内，则,o,光主平面与入射面总是重合的。而e光未必在入射面内，即,e,光主平面未必与入射面重合，这意味着,e,光与,o,光主平面不重合。,当光轴在入射面内，,o,光、,e,光主平面均与入射面重合，,o,光偏振方向垂直于入射面，,e,光偏振方向平行于入射面，,o,光与,e,光的偏振方向严格互相垂直。,四、双折射现象,双折射晶体的作用类似于两个透振方向互相垂直的起偏器。,自然光入射，光强为I，在晶体内部，,o,光和,e,光光强相等。,四、双折射现象,光在各项异性介质中传播时，产生双折射的根本原因是,o,光、,e,光在晶体中的折射率不同，或者说二者的传播速度不同。,在单轴晶体中，光的传播速度是和光振动方向与光轴的夹角有关的。,2.,惠更斯波面,四、双折射现象,o,光：振动方向总是与光轴垂直，其速度记为,v,o,，,则,v,o,大小与,o,光的传播方向无关，其波面为简单球面。,四、双折射现象,e,光：振动方向与含有光轴的,e,光主平面平行。当振动方向与光轴平行时，其速度记为,v,e,，,称为,e,光的主折射率。,当,e,光振动方向与光轴垂直时，其速度就是,v,o,。,其他情况下，速度介于,v,o,和,v,e,之间，所以,e,光波面是一个以通过点光源的光轴为转轴的旋转椭球面，在转轴方向与,o,光的球形波面相切。,四、双折射现象,正晶体：,v,o,v,e,即,n,o,n,e,如石英，椭球面在球形波面内。,负晶体：,v,o,v,e,即,n,o,n,e,如方解石，椭球面在球形波面外。,四、双折射现象,一些晶体在室温时的主折射率(,589nm,),四、双折射现象,3.,e,光在晶体内的传播方向，无法用折射定律来确定，可以根据惠更斯原理用复合波面的作图法来求得。,自然光入射到晶体上时，波阵面上的每一点都可以看作为子波源，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，既得晶体中,o,光波面和,e,光波面，从入射点引向相应子波波面与光波面的切点的连线方向就是所求晶体中,o,光、,e,光的传播方向。,四、双折射现象,光轴平行于晶体表面并平行于入射面,以下几种情况，均是以负晶体(如方解石)为例。,o,e,光在方向上虽没分开，但速度上是分开的，仍是两束光。,还是,有双折射。,四、双折射现象,光轴平行于晶体表面和入射面,四、双折射现象,光轴平行于晶体表面但垂直于入射面,晶体,光轴,i,r,o,r,e,o,v,o,t,v,e,t,e,o,e,c,t,除,o,光外，,e,光也满足折射定律，即,四、双折射现象,光轴垂直于晶体表面,此时,o,光、,e,光传播方向都一样，看不到双折射现象。,四、双折射现象,4,.,晶体的二向色性,某些晶体对,o,光和,e,光的吸收有很大差异，这叫晶体的,二向色性,。,光轴,e,光,电气石,光轴,电气石对,o,光有强烈吸收，对,e,光吸收很弱，用它可产生线偏振光。,四、双折射现象,5.,格兰汤姆孙棱镜,利用二向色性获得的偏振光不够纯，强度也不大。,偏振棱镜,可得高质量的线偏振光。,光轴,光轴,方解石,方解石,加拿大树胶,(,n,= 1.55),o,e,吸收涂层,i,光轴的取向使,o,光、,e,光对应的恰是,n,o、,n,e,。,n,o,(1.6584),n,(1.55),n,e,(1.4864),四、双折射现象,光在第一个棱镜中是,o,光，在交界面,全反射。,光轴,光轴,方解石,方解石,加拿大树胶,(,n,= 1.55),o,e,吸收涂层,i,n,o,(1.6584),n,(1.55),n,e,(1.4864),光在第一个棱镜中是,e,光，第二个棱,镜的作用是使,e,光不偏离入射方向。,四、双折射现象,