大學(xué)物理6光的偏振.PPT

1、.116.1 自然光和偏振光自然光和偏振光 在垂直于傳播方向平面內(nèi)，光矢量的在垂直于傳播方向平面內(nèi)，光矢量的振動(dòng)狀態(tài)（端點(diǎn)軌跡），稱為光的振動(dòng)狀態(tài)（端點(diǎn)軌跡），稱為光的偏振態(tài)偏振態(tài); ;振動(dòng)方向與傳播方向構(gòu)成平面，稱為振動(dòng)方向與傳播方向構(gòu)成平面，稱為振動(dòng)振動(dòng)面。面。xyEzE播播傳傳方方向向振振動(dòng)動(dòng)面面一、偏振光（一、偏振光（polarized light) ) 光矢量端點(diǎn)軌跡隨時(shí)間變化軌跡是確定光矢量端點(diǎn)軌跡隨時(shí)間變化軌跡是確定的的，稱為稱為偏振光。偏振光。.21. 線偏振光線偏振光（linearly polarized light） 光矢量只沿一個(gè)固定方向振動(dòng)，這種光矢量只沿一個(gè)固定方向振

2、動(dòng)，這種光光稱為稱為線偏振光線偏振光，也稱為，也稱為平面偏振光。平面偏振光。xyEz面對(duì)光的傳播方向看面對(duì)光的傳播方向看線偏振光可沿兩個(gè)相線偏振光可沿兩個(gè)相互垂直的方向分解互垂直的方向分解EEyEx yx sinEEy cosEEx 表示法：表示法： 光振動(dòng)垂直板面光振動(dòng)垂直板面光振動(dòng)平行板面光振動(dòng)平行板面.3圓偏圓偏振光振光橢圓橢圓偏振光偏振光 0 y yx z傳播方向傳播方向 /2x某時(shí)刻圓偏振光某時(shí)刻圓偏振光 E隨隨 z 的變化的變化E2. 2. 圓偏振光圓偏振光（circularly polarized light）橢圓偏振光橢圓偏振光（ellipticly polarized lig

3、ht）.4為某個(gè)確定值的為某個(gè)確定值的線偏振光的合成。線偏振光的合成。右旋圓偏振光的合成右旋圓偏振光的合成。圓圓和和橢圓偏振光橢圓偏振光可看成是兩束頻率相同、可看成是兩束頻率相同、傳播方向一致、傳播方向一致、振動(dòng)方向相互垂直、振動(dòng)方向相互垂直、 相位差相位差線偏振光線偏振光則可以看成是兩束頻率相同、則可以看成是兩束頻率相同、相位相同、相位相同、振幅相同、振幅相同、傳播方向亦相同的傳播方向亦相同的左、左、相位差相位差 /2或或3 /2x y yx x，y振幅相同，振幅相同，相位差不等于相位差不等于 0，和和 2 /2， ， 3 /2.5二、二、 自然光自然光（natural light）垂直的、

4、等幅的、垂直的、等幅的、不相干不相干的線偏振光。的線偏振光。yxEE xyxIIII2 沒(méi)有優(yōu)勢(shì)方向沒(méi)有優(yōu)勢(shì)方向一束自然光可分解為兩束振動(dòng)方向相互一束自然光可分解為兩束振動(dòng)方向相互 光矢量光矢量 取向是雜亂無(wú)章的、對(duì)于光取向是雜亂無(wú)章的、對(duì)于光的傳播方向是對(duì)稱分布的的傳播方向是對(duì)稱分布的, , 稱為稱為自然光自然光。E表示法：表示法：自然光的分解自然光的分解非相干非相干xyEzIIIyx21 .6三、部分偏振光三、部分偏振光表示法：表示法：部分偏振光可看成部分偏振光可看成自然光和線偏振光混合自然光和線偏振光混合分解分解非相干非相干平行板面的平行板面的光振動(dòng)較強(qiáng)光振動(dòng)較強(qiáng) 垂直板面的垂直板面的光

5、振動(dòng)較強(qiáng)光振動(dòng)較強(qiáng)部分偏振光可以分解如下：部分偏振光可以分解如下： 光矢量沿某一方向振動(dòng)比其它方向占光矢量沿某一方向振動(dòng)比其它方向占優(yōu)勢(shì)，稱為優(yōu)勢(shì)，稱為部分偏振光部分偏振光。yxII .716.2 偏振片起偏與檢偏偏振片起偏與檢偏 馬呂斯定律馬呂斯定律一、偏振片（一、偏振片（ Polaroid）利用利用“二向色性二向色性”晶體制成。晶體制成。允許通過(guò)光振允許通過(guò)光振動(dòng)的方向稱為動(dòng)的方向稱為偏振偏振化方向化方向，即，即透光軸透光軸。021II 線偏振光的起偏線偏振光的起偏：自然光自然光入射時(shí)入射時(shí)非偏振光非偏振光I0線偏振光線偏振光 IP 偏振化方向偏振化方向 （通光方向）（通光方向） .8二、

6、馬呂斯定律二、馬呂斯定律（Malus law）偏振光偏振光Io自然光自然光偏振光偏振光IP(N)P(M)M:起偏器起偏器0IN:檢偏器檢偏器IIo 與與 I 關(guān)系關(guān)系： cos0AA 2AI 20cosII 馬呂斯定律馬呂斯定律0, 0II 0,2I 200AI .9三、線偏振光的檢偏三、線偏振光的檢偏I(xiàn)?P待檢光待檢光若若 I 不變不變?nèi)羧?I 變變有消光有消光若若 I 變變無(wú)消光無(wú)消光或由線偏振光與自或由線偏振光與自然光混合而成的然光混合而成的部部設(shè)入射光可能是設(shè)入射光可能是旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)自然光自然光或或線偏振光線偏振光分偏振光分偏振光線偏線偏自然自然部分部分.10四、偏振片的應(yīng)用四、偏振片的應(yīng)

7、用 作為照相機(jī)的濾光鏡，可以濾掉不必作為照相機(jī)的濾光鏡，可以濾掉不必 要的反射光。要的反射光。 制成偏光眼鏡，可觀看立體電影。制成偏光眼鏡，可觀看立體電影。 若在所有汽車前窗玻璃和大燈前都若在所有汽車前窗玻璃和大燈前都裝裝 上上偏振片，可以避免汽車會(huì)車時(shí)燈偏振片，可以避免汽車會(huì)車時(shí)燈光光 的晃眼的晃眼。 作為許多光學(xué)儀器中的起偏和檢偏裝作為許多光學(xué)儀器中的起偏和檢偏裝 置。置。與地面成與地面成4545 角、且向同一方向傾斜角、且向同一方向傾斜怎樣裝怎樣裝?.11立體電影立體電影.1216.3 一、反射起偏一、反射起偏 布儒斯特定律布儒斯特定律當(dāng)取某一入射角當(dāng)取某一入射角 i0 時(shí)，反射光是光振

8、動(dòng)時(shí)，反射光是光振動(dòng)垂直于入射面的線偏振光，折射光為部分垂直于入射面的線偏振光，折射光為部分偏振光。偏振光。 i0 稱為稱為布儒斯特角布儒斯特角（起偏角）。（起偏角）。反射光反射光垂直入射面分量垂直入射面分量( (S) )比例大比例大折射光折射光平行入射面分量平行入射面分量( (P) )比例大比例大自然光反射和折射后自然光反射和折射后成為部分偏振光成為部分偏振光, 偏振化偏振化程度與入射角有關(guān)。程度與入射角有關(guān)。n1n2i irS 分量分量P 分量分量.1321120tgnnni布儒斯特定律布儒斯特定律此時(shí)有：此時(shí)有：i0+r = 90o二、折射起偏玻璃片堆二、折射起偏玻璃片堆利用玻璃片堆使折

9、射光趨近與利用玻璃片堆使折射光趨近與P偏振光偏振光用玻璃片用玻璃片堆能增強(qiáng)堆能增強(qiáng)反射偏振反射偏振光的強(qiáng)度光的強(qiáng)度i0接近線偏振光接近線偏振光玻璃玻璃片堆片堆線偏振光線偏振光.14思考思考 在拍攝玻璃窗內(nèi)的物體時(shí)，如何去掉反在拍攝玻璃窗內(nèi)的物體時(shí)，如何去掉反射光的干擾？射光的干擾？有反射光干擾的櫥窗有反射光干擾的櫥窗在照相機(jī)鏡頭前加偏振片消在照相機(jī)鏡頭前加偏振片消除了反射光的干擾除了反射光的干擾.15一、雙折射現(xiàn)象一、雙折射現(xiàn)象1. 1. 雙折射雙折射in1n2rore(各向異各向異性介質(zhì)性介質(zhì))自然光自然光o光光e光光2.2.尋常（尋常（o o）光和非尋常（光和非尋常（e e）光光o o光光

10、 ：遵從折射定律遵從折射定律orninsinsin21 e e光光 ：一般不遵從折射定律一般不遵從折射定律.constsinsin erie e光折射線也光折射線也不一定不一定在入射面內(nèi)在入射面內(nèi)。 一束光入射到各向異一束光入射到各向異性介質(zhì)時(shí)，折射光分成兩性介質(zhì)時(shí)，折射光分成兩束的現(xiàn)象。束的現(xiàn)象。16.4 雙折射雙折射（birefringencebirefringence）現(xiàn)象現(xiàn)象.16 方解石方解石oee o 演示演示以入射方向?yàn)橐匀肷浞较驗(yàn)檩S旋轉(zhuǎn)方解石軸旋轉(zhuǎn)方解石方解石方解石偏偏振振片片雙折射的兩雙折射的兩束光振動(dòng)方束光振動(dòng)方向相互垂直向相互垂直.173. 3. 晶體的光軸晶體的光軸(o

11、ptical axis of crystal)光在晶體內(nèi)沿某個(gè)特殊方向傳播時(shí)光在晶體內(nèi)沿某個(gè)特殊方向傳播時(shí)不發(fā)不發(fā)例如，方解石晶體（冰洲石）例如，方解石晶體（冰洲石） 光軸是一個(gè)特殊的光軸是一個(gè)特殊的方向，方向，一個(gè)光軸的晶體，一個(gè)光軸的晶體，如方解石如方解石。兩個(gè)光軸的晶體，兩個(gè)光軸的晶體，如云毋。如云毋。 由由鈍隅鈍隅引出的與三個(gè)棱邊引出的與三個(gè)棱邊成等角的方向就是成等角的方向就是光軸。光軸。光軸光軸AB10278該該方向方向稱為晶體的稱為晶體的光軸。光軸。生雙折射，生雙折射，于此方向的直線均為光軸。于此方向的直線均為光軸。凡平行凡平行單軸晶體：?jiǎn)屋S晶體：雙軸晶體：雙軸晶體：.184. 4

12、. 主平面主平面（principal plane）o光光光軸光軸o光的光的主平面主平面e光光光軸光軸e光的光的主平面主平面10 o光振動(dòng)垂直主平面，光振動(dòng)垂直主平面，e光振動(dòng)在主平面光振動(dòng)在主平面內(nèi)。內(nèi)。 晶體中光的傳播方向與晶體光軸晶體中光的傳播方向與晶體光軸構(gòu)成的平面叫該束光的構(gòu)成的平面叫該束光的主平面主平面。 晶體解理面的法線與晶體光軸構(gòu)成晶體解理面的法線與晶體光軸構(gòu)成的平面稱為晶體的主截面。的平面稱為晶體的主截面。.192o 通常通常o、e光主平面不重合，兩者振動(dòng)方光主平面不重合，兩者振動(dòng)方向不垂直。當(dāng)入射面與主截面重合時(shí)，兩向不垂直。當(dāng)入射面與主截面重合時(shí)，兩者主平面與主截面重合，振

13、動(dòng)方向垂直。者主平面與主截面重合，振動(dòng)方向垂直。5. 折射率折射率( (refractive index) ) 光矢量垂直與光軸振動(dòng)的光波折射率光矢量垂直與光軸振動(dòng)的光波折射率no、平行與光軸振動(dòng)的光波折射率平行與光軸振動(dòng)的光波折射率ne稱為晶體稱為晶體的的主折射率主折射率。 單軸晶體中，單軸晶體中，o光折射率始終是光折射率始終是no；e光的折射率介于光的折射率介于no ne之間，當(dāng)傳播方向之間，當(dāng)傳播方向垂直于光軸方向時(shí)，折射率是垂直于光軸方向時(shí)，折射率是ne。.20二、尼科耳棱鏡（二、尼科耳棱鏡（Nicol prism) )制作：制作：原理：原理：5501n.6581no.4861ne.全

14、反射全反射.21一、偏振光干涉裝置一、偏振光干涉裝置二、偏振光干涉的分析二、偏振光干涉的分析AoA2oNMCAAeA2e sinAAo cosAAe 在在P P2 2 后：后：在在P P1 1 后：后： cossincos2 AAAoo cossinsin2 AAAee偏振化方向偏振化方向偏振片偏振片N 單色自然光單色自然光偏振片偏振片M偏振化方向偏振化方向 d晶片晶片C光軸方向光軸方向相干相干屏屏16.5 偏振光的干涉偏振光的干涉.22通過(guò)晶體通過(guò)晶體C C后的相位差是后的相位差是oecnnd 2再通過(guò)再通過(guò)P P2 2 后：后： oecnnd2), 2 , 1(,2122 knnkdkoe

15、 （明）（明） oennkdk )12(單色光入射，單色光入射，d不均勻，則屏上為等厚條紋。不均勻，則屏上為等厚條紋。AoA2oNMCA1AeA2e （暗）（暗）.23石英劈尖的偏振光干涉（等厚條紋）石英劈尖的偏振光干涉（等厚條紋）單色光入射，單色光入射，d不均勻，則屏上為等厚條紋。不均勻，則屏上為等厚條紋。.24于某種顏色干涉相消，而呈現(xiàn)它的于某種顏色干涉相消，而呈現(xiàn)它的互補(bǔ)色，互補(bǔ)色，若白光入射，且晶片若白光入射，且晶片d 均勻，均勻，則：屏上則：屏上由由若若d不均勻，則屏上出現(xiàn)彩色條紋。不均勻，則屏上出現(xiàn)彩色條紋。硫酸鈉晶片的色偏振圖片硫酸鈉晶片的色偏振圖片.2516.6 偏振現(xiàn)象應(yīng)用偏

16、振現(xiàn)象應(yīng)用一、人工雙折射一、人工雙折射 人為使各向同性介質(zhì)轉(zhuǎn)化造成各人為使各向同性介質(zhì)轉(zhuǎn)化造成各向異性介質(zhì)，而產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，稱為向異性介質(zhì)，而產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，稱為人人工雙折射工雙折射。1. 1. 光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)（photoelastic effect） 由于受力作用，使各向同性介質(zhì)由于受力作用，使各向同性介質(zhì)轉(zhuǎn)化造成各向異性介質(zhì)，稱為轉(zhuǎn)化造成各向異性介質(zhì)，稱為光彈效應(yīng)。光彈效應(yīng)。SFknnoe 在一定應(yīng)力范圍內(nèi)：在一定應(yīng)力范圍內(nèi)：k k是比例系數(shù)是比例系數(shù).26P1P2 dFSF干涉干涉有機(jī)玻璃有機(jī)玻璃C模模型型的的光光彈彈圖圖象象釣釣鉤鉤的的圖圖象象光光彈彈.272. 2. 電光效應(yīng)電光

17、效應(yīng)（photoelastic effect） 由于電場(chǎng)作用，使各向同性介質(zhì)由于電場(chǎng)作用，使各向同性介質(zhì)轉(zhuǎn)化造成各向異性介質(zhì)，稱為轉(zhuǎn)化造成各向異性介質(zhì)，稱為電光效應(yīng)。電光效應(yīng)。45 P2l+-克爾盒克爾盒dP145 2kEEnnoe 克爾效應(yīng)克爾效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)應(yīng)用應(yīng)用：可作為可作為光開關(guān)光開關(guān)（響應(yīng)時(shí)間（響應(yīng)時(shí)間 10-9s），）， 用于高速攝影、用于高速攝影、激光通訊、激光通訊、光速測(cè)距等光速測(cè)距等.28二、旋光現(xiàn)象（二、旋光現(xiàn)象（roto-optical phenomenaroto-optical phenomena) )1. 1. 物質(zhì)的旋光性物質(zhì)的旋光性（optical

18、activity） 除石英外，氯酸鈉、乳酸、松節(jié)油、糖除石英外，氯酸鈉、乳酸、松節(jié)油、糖的水溶液等也都具有的水溶液等也都具有旋光性。旋光性。1811年，法國(guó)物理學(xué)家年，法國(guó)物理學(xué)家阿喇果阿喇果（Arago）其其振動(dòng)面能發(fā)生旋轉(zhuǎn)，振動(dòng)面能發(fā)生旋轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)，線偏振光沿光軸方向通過(guò)石英晶體時(shí)線偏振光沿光軸方向通過(guò)石英晶體時(shí)這稱為這稱為旋光現(xiàn)象。旋光現(xiàn)象。 旋光物質(zhì)旋光物質(zhì)d光軸光軸 a 旋光旋光率率旋轉(zhuǎn)的角度：旋轉(zhuǎn)的角度：da .29旋光率旋光率 a 與旋光物質(zhì)和入射波長(zhǎng)有關(guān)，與旋光物質(zhì)和入射波長(zhǎng)有關(guān)，對(duì)于溶液，與濃度有關(guān)：對(duì)于溶液，與濃度有關(guān)：可以有可以有左旋體左旋體和和右旋體右旋體.物質(zhì)旋光

19、性和物質(zhì)原子排列結(jié)構(gòu)有關(guān)的，物質(zhì)旋光性和物質(zhì)原子排列結(jié)構(gòu)有關(guān)的，cd 2. 2. 磁致旋光磁致旋光（magnetic opticity） 一些物質(zhì)在磁場(chǎng)作用下，也會(huì)產(chǎn)生旋光一些物質(zhì)在磁場(chǎng)作用下，也會(huì)產(chǎn)生旋光現(xiàn)象，稱為現(xiàn)象，稱為磁光效應(yīng)磁光效應(yīng)。水、二硫化碳、水、二硫化碳、 食鹽等食鹽等是磁致旋光物質(zhì)。是磁致旋光物質(zhì)。.30 d磁致旋光物質(zhì)磁致旋光物質(zhì)B旋轉(zhuǎn)的角度旋轉(zhuǎn)的角度 : :BdV V V 費(fèi)德爾常量，費(fèi)德爾常量，1154Tm1010 V磁致旋光效應(yīng)的應(yīng)用：磁致旋光效應(yīng)的應(yīng)用： 研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究物質(zhì)結(jié)構(gòu) 測(cè)電流和磁場(chǎng)測(cè)電流和磁場(chǎng) 磁光調(diào)制磁光調(diào)制.311.1. 馬呂斯馬呂斯2.2.布儒斯特

20、布儒斯特 3.3.雙折射雙折射 .32例例1.1.兩個(gè)偏振片組成結(jié)構(gòu)，在它們偏振化方兩個(gè)偏振片組成結(jié)構(gòu)，在它們偏振化方向成向成30o角時(shí)，觀測(cè)一束自然光；又在角時(shí)，觀測(cè)一束自然光；又在60o角角時(shí)，觀測(cè)另一束自然光。兩次測(cè)得透射光強(qiáng)時(shí)，觀測(cè)另一束自然光。兩次測(cè)得透射光強(qiáng)度相同，求兩束自然光強(qiáng)度。度相同，求兩束自然光強(qiáng)度。解：解：設(shè)兩束自然光強(qiáng)度是設(shè)兩束自然光強(qiáng)度是I1、I2透射光強(qiáng)度是：透射光強(qiáng)度是：22221211I21II21Icoscos，則21II31II122221coscos.33例例2.2.求：透射光強(qiáng)求：透射光強(qiáng)偏振片，透射光強(qiáng)為偏振片，透射光強(qiáng)為 ，若這兩個(gè)偏振片之，若這兩個(gè)偏振片之間再插入另一偏振片，它的偏振化方向與前間再插入另一偏振片，它的偏振化方向與前兩個(gè)偏振片均成兩個(gè)偏振片均成 角。角。1I030060使自然光通過(guò)兩個(gè)偏振化方向成使