自然光線偏振光.ppt

1 波動(dòng)光學(xué) Wavemotionoptics 2 本章開始的研究對(duì)象 光 光是什么 近代物理認(rèn)為 光既是一種波動(dòng) 電磁波 又是一種粒子 光子 就是說(shuō) 光是具有波粒二象性的統(tǒng)一體 光學(xué)通常分為幾何光學(xué) 波動(dòng)光學(xué)和量子光學(xué)三部分 我們首先研究光的波動(dòng)性 波動(dòng)光學(xué)是當(dāng)代激光光學(xué) 信息光學(xué) 非線性光學(xué)和很多應(yīng)用光學(xué)的重要基礎(chǔ) 波動(dòng)最重要的特征是具有干涉 衍射和偏振現(xiàn)象 引子 3 可見光 即能引起人的視覺(jué)的電磁波 它的頻率在3 9 1014 7 7 1014Hz之間 相應(yīng)真空中的波長(zhǎng)在7700 3900 之間 不同頻率的光 顏色也不同 頻率與顏色如表19 1所示 4 就能量的傳輸而言 光波中的電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H是同等重要的 但實(shí)驗(yàn)證明 引起眼睛視覺(jué)效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)的是光波中的電場(chǎng) 所以我們把光波中的電場(chǎng)強(qiáng)度E稱為光矢量 或光振動(dòng) 在波動(dòng)光學(xué)中 光強(qiáng)定義為 5 第19章 6 一 原子的發(fā)光 光是光源中的原子或分子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)發(fā)出的 原子發(fā)出的光是一個(gè)有限長(zhǎng)的波列 19 1原子發(fā)光模型 7 2 激光光源 受激輻射 將在近代物理中討論 3 同步輻射光源 1 普通光源 自發(fā)輻射 隨機(jī) 獨(dú)立 二 光源 8 19 2光波列的頻譜寬度 由付里葉積分可以證明 頻寬 光波列長(zhǎng)度 x c t 可見 波列愈長(zhǎng) 其單色性愈好 實(shí)際譜線寬度大大超過(guò)上述自然寬度 原因一是原子間的碰撞是激發(fā)態(tài)壽命 t 縮短 二是運(yùn)動(dòng)原子發(fā)出的光有多普勒頻移 它不是單色光 實(shí)際是由某一中心波長(zhǎng) o附近的許多不同頻率的單色光組成 9 由v c 有 x c t 10 19 3光的偏振態(tài) 光波是橫 電磁 波 光波中光矢量 電場(chǎng) 的振動(dòng)方向與光的傳播方向垂直 偏振 研究光矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)的振動(dòng)狀態(tài) 偏振態(tài) 最常見的偏振光有五種 自然光 線偏振光 部分偏振光 橢圓偏振光和圓偏振光 11 一 自然光部分偏振光線偏振光 普通光源發(fā)出的光 陽(yáng)光都是自然光 由于原子發(fā)光的間歇性和無(wú)規(guī)則性 使得普通光源發(fā)出的光的光矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)以極快的速度取0 360 內(nèi)的一切可能的方向 且沒(méi)有哪一個(gè)方向占有優(yōu)勢(shì) 具有上述特性的光 稱為自然光 自然光的表示法 用兩個(gè)獨(dú)立的 無(wú)確定相位關(guān)系 相互垂直的等幅振動(dòng)來(lái)表示 圖19 2中 圓點(diǎn)表示垂直于紙面的振動(dòng) 短線表示平行于紙面的振動(dòng) 12 將自然光中兩個(gè)相互垂直的等幅振動(dòng)之一部分移去得到的光 稱為部分偏振光 完全偏振光 線偏振光 平面偏振光 的表示法 將自然光中兩個(gè)相互垂直的等幅振動(dòng)之一完全移去得到的光 稱為完全偏振光 部分偏振光的表示法 13 二 橢圓偏振光和圓偏振光 光矢量在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi) 按一定頻率旋轉(zhuǎn) 左旋或右旋 如果光矢量的端點(diǎn)軌跡是一個(gè)橢圓 這種光叫做橢圓偏振光 如果光矢量端點(diǎn)軌跡是一個(gè)圓 這種光叫做圓偏振光 如圖19 5所示 這相當(dāng)于兩個(gè)相互垂直的有確定相位關(guān)系的振動(dòng)的合成 14 19 4偏振片馬呂斯定律 一 偏振片的起偏和檢偏 偏振片的構(gòu)造 將硫酸碘金雞鈉霜晶粒定向排列并蒸鍍?cè)谕该骰?就制成偏振片 偏振片的特性 能吸收某一方向的光振動(dòng)而僅讓與此方向垂直的光振動(dòng)通過(guò) 15 若以光傳播方向?yàn)檩S 慢慢旋轉(zhuǎn)檢偏片 觀察透過(guò)偏振片的光 偏振片既可用作起偏器 又可用作檢偏器 光強(qiáng)無(wú)變化的是自然光 光強(qiáng)有變化 但最小值不為零的是部分偏振光 光強(qiáng)有變化 但最小值為零 消光 的是線偏振光 16 I Eocos 2 Iocos2 馬呂斯指出 強(qiáng)度為Io的線偏振光 透過(guò)檢偏片后 透射光的強(qiáng)度 不考慮吸收 為 I Iocos2 19 1 式中 是入射線偏振光的光振動(dòng)方向和偏振片偏振化方向之間的夾角 上式稱為馬呂斯定律 證明如下 2 馬呂斯定律 17 例題19 1自然光連續(xù)通過(guò)兩個(gè)疊在一起的偏振片后 透射光強(qiáng)為入射光強(qiáng)的四分之一 求兩個(gè)偏振片偏振化方向之間的夾角 解設(shè)兩偏振片偏振化方向間的夾角為 于是 由 解得 45 or135 18 例題19 2強(qiáng)度為Io自然光連續(xù)通過(guò)三個(gè)疊在一起的偏振片A B C A C 求最大透射光強(qiáng) 解設(shè)偏振片A B偏振化方向間的夾角為 有 透射光強(qiáng)為 可見最大透射光強(qiáng)為 19 解透射光強(qiáng) 20 因A為銳角 且 A 顯然A 2 A 所以 極值條件 由 得 顯然此時(shí)I有極大值 21 例題19 4一束光是自然光和線偏振光的混合 當(dāng)它通過(guò)一偏振片后 測(cè)得最大透射光強(qiáng)是最小透射光強(qiáng)的5倍 求入射光中自然光和線偏振光的光強(qiáng)之比 解設(shè)入射光中自然光的光強(qiáng)為I1 線偏振光的光強(qiáng)為I2 則透射光強(qiáng) 即入射光中自然光和線偏振光的光強(qiáng)之比為1 2 22 19 5反射和折射時(shí)光的偏振布儒斯特定律 一般情況下 反射光和折射光都是部分偏振光 在反射光中 垂直振動(dòng)多于平行振動(dòng) 在折射光中 平行振動(dòng)多于垂直振動(dòng) 這里所說(shuō)的 垂直 和 平行 是對(duì)入射面而言的 一 由反射和折射獲得偏振光 23 1812年 布儒斯特由實(shí)驗(yàn)證明 當(dāng)入射角是某一個(gè)特定角io時(shí) 反射光成為只有垂直振動(dòng)的線偏振光 角io稱為布儒斯特角 或起偏角 實(shí)驗(yàn)證明 此時(shí)入射角io和反射角r之和恰為90 反射光線 折射光線 即io r 90 19 2 二 布儒斯特定律 24 io r 90 上式稱為布儒斯特定律 25 布儒斯特角不同于全反射的臨界角 當(dāng)且僅當(dāng)時(shí) 反射光才是線偏振光 且n1 n2或n1 n2都可以 26 例題19 5畫出下列圖中的反射光和折射光 圖19 13 27 例題19 6填空 1 平行光以60o的入射角由空氣射向一平板玻璃 發(fā)現(xiàn)反射光是完全偏振光 則折射光的折射角為 玻璃的折射率為 2 某透明媒質(zhì)對(duì)空氣全反射的臨介角為45o 則光從空氣射向該媒質(zhì)時(shí)的布儒斯特角為 因io r 90o 所以折射角r 30o 又 30o 所以io tg 1 54 7o 28 19 6光在晶體中的雙折射 有些透明媒質(zhì) 如玻璃 水 肥皂液等 不論光沿哪個(gè)方向 傳播速度都是相同的 媒質(zhì)只有一個(gè)折射率 這樣的媒質(zhì)稱為光學(xué)各向同性媒質(zhì) 同時(shí)還存在另一類媒質(zhì) 主要是透明晶體物質(zhì) 如方解石 化學(xué)成分是CaCO3 石英 云母 硫磺等 光在其中傳播時(shí) 沿著不同方向有不同的傳播速率 這樣的媒質(zhì)稱為光學(xué)各向異性媒質(zhì) 光在晶體中的雙折射現(xiàn)象就是光學(xué)各向異性的表現(xiàn) 一 雙折射現(xiàn)象光線進(jìn)入光學(xué)各向異性媒質(zhì) 如方解石 后產(chǎn)生兩條折射光線的現(xiàn)象 稱為雙折射現(xiàn)象 29 二 o光和e光兩條折射光線中有一條遵守通常的折射定律 n1sini n2sinr 折射光線在入射面內(nèi) 這條光線稱為尋常光線 ordinaryrays 簡(jiǎn)稱o光 另一條光線不遵守通常的折射定律 它不一定在入射面內(nèi) 這條光線稱為非常光線 extraordinaryrays 簡(jiǎn)稱e光 30 1 o光和e光都是線偏振光 振動(dòng)方向相互垂直 2 產(chǎn)生雙折射的原因 o光和e光的傳播速度不同 o光在晶體中各個(gè)方向的傳播速度相同 因而折射率no c o 恒量 e光在晶體中的傳播速度 e隨方向變化 因而折射率ne c e是變量 隨方向變化 由于o光和e光的折射率不同 故產(chǎn)生雙折射 31 三 光軸主截面主平面 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 在晶體內(nèi)部存在著某些特殊的方向 光沿著這些特殊方向傳播時(shí) 不發(fā)生雙折射現(xiàn)象 這個(gè)特殊方向稱為光軸 應(yīng)該注意 光軸僅標(biāo)志一定的方向 并不限于某一特殊的直線 只有一個(gè)光軸的晶體 稱為單軸晶體 如方解石 石英 紅寶石等 有兩個(gè)光軸的晶體稱為雙軸晶體 如云母 硫磺 藍(lán)寶石等 由光軸與該晶面的法線所組成的平面 叫做該晶體的主截面 32 某光線的傳播方向和光軸方向所組成的平面叫做該光線的主平面 當(dāng)光線在晶體的主截面內(nèi)入射時(shí) 主截面 o光和e光的主平面均重合 我們主要討論這種情況 o光的光振動(dòng)方向垂直于自己的主平面 e光的光振動(dòng)方向平行于自己的主平面 o光和e光的光振動(dòng)方向是相互垂直的 33 例題19 7圖示為一渥拉斯頓棱鏡的截面 它是由二塊銳角均為45o的直角方解石棱鏡粘合其斜面而構(gòu)成的 棱鏡ABC的光軸平行于AB 而棱鏡ADC的光軸垂直于圖截面 方解石對(duì)o光和e光的折射率分別為no 1 658 ne 1 486 當(dāng)自然光垂直AB入射時(shí) 問(wèn) 1 圖中哪一條是o光 哪一條是e光 2 e o o e 解 1 如圖16 18所示 2 nosin45o nesinrenesin45o nosinro解得 re 52o ro 39o于是 52o 39o 13o 45o 34 四 惠更斯原理研究雙折射現(xiàn)象 作圖方法1 o光在各個(gè)方向的傳播速度