第30講-光的偏振PPT課件

1、2021/7/2312021/7/232 光波是橫波。光波是橫波。 光波中光矢量的振動(dòng)方向總是和光的傳播方向光波中光矢量的振動(dòng)方向總是和光的傳播方向垂直，光波的這一基本特性垂直，光波的這一基本特性稱為光的偏振稱為光的偏振。 在垂直于光波傳播方向的平面上，光矢量有不在垂直于光波傳播方向的平面上，光矢量有不同的振動(dòng)方向和振動(dòng)狀態(tài)，這些振動(dòng)方向和振動(dòng)狀同的振動(dòng)方向和振動(dòng)狀態(tài)，這些振動(dòng)方向和振動(dòng)狀態(tài)態(tài)稱為光的偏振態(tài)稱為光的偏振態(tài)。 偏振是光的波動(dòng)性的第三個(gè)表現(xiàn)。光的偏振說(shuō)偏振是光的波動(dòng)性的第三個(gè)表現(xiàn)。光的偏振說(shuō)明光是橫波。明光是橫波。2021/7/233一、橫波的偏振性一、橫波的偏振性首先我們看看橫波

2、與縱波的不同點(diǎn)。首先我們看看橫波與縱波的不同點(diǎn)。振動(dòng)面與狹縫振動(dòng)面與狹縫平行平行的橫波可順暢通過(guò)；的橫波可順暢通過(guò)；縱波遇到狹縫沒(méi)有方向選擇效應(yīng)。縱波遇到狹縫沒(méi)有方向選擇效應(yīng)。14.1 14.1 光的偏振狀態(tài)光的偏振狀態(tài)振動(dòng)面與狹縫振動(dòng)面與狹縫垂直垂直的橫波受到極大阻礙；的橫波受到極大阻礙；2021/7/234電磁波是橫波，如何用實(shí)驗(yàn)證明呢？電磁波是橫波，如何用實(shí)驗(yàn)證明呢？如果正入射電磁波的電場(chǎng)振動(dòng)平面平行于線柵，如果正入射電磁波的電場(chǎng)振動(dòng)平面平行于線柵，電場(chǎng)必驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線中的自由電子沿導(dǎo)線作強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)必驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線中的自由電子沿導(dǎo)線作強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)電磁波的能量被吸收而不能透射過(guò)去電磁波的能量被吸收而不能

3、透射過(guò)去如果入射電磁波的電場(chǎng)振動(dòng)平面如果入射電磁波的電場(chǎng)振動(dòng)平面垂直于線柵，其能量不被吸收，垂直于線柵，其能量不被吸收，該電磁波必然透射過(guò)去。該電磁波必然透射過(guò)去。 這個(gè)結(jié)論很容易用微這個(gè)結(jié)論很容易用微波和普通金屬導(dǎo)線做的線波和普通金屬導(dǎo)線做的線柵證實(shí)。柵證實(shí)。想象做一個(gè)金屬導(dǎo)線柵想象做一個(gè)金屬導(dǎo)線柵2021/7/235二、光的五種偏振態(tài)二、光的五種偏振態(tài) 像太陽(yáng)、白熾燈等像太陽(yáng)、白熾燈等普通光源所發(fā)出的光普通光源所發(fā)出的光，是大，是大量原子、分子或離子發(fā)光的總和，不同原子或者是量原子、分子或離子發(fā)光的總和，不同原子或者是同一原子在不同時(shí)刻所發(fā)出的同一原子在不同時(shí)刻所發(fā)出的波列振動(dòng)方向是各不波

4、列振動(dòng)方向是各不相同的相同的，彼此互不關(guān)聯(lián)，在垂直于光的傳播方向的，彼此互不關(guān)聯(lián)，在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)隨機(jī)分布。平面內(nèi)隨機(jī)分布。 從大量原子發(fā)光的統(tǒng)計(jì)平均上看，光波中包含從大量原子發(fā)光的統(tǒng)計(jì)平均上看，光波中包含了所有方向的光振動(dòng)，了所有方向的光振動(dòng)，沒(méi)有哪一個(gè)方向的光振動(dòng)比沒(méi)有哪一個(gè)方向的光振動(dòng)比其它方向更占優(yōu)勢(shì)，因此沿各方向所有光矢量的振其它方向更占優(yōu)勢(shì)，因此沿各方向所有光矢量的振幅都相同幅都相同，我們把具有這種特性的光稱為，我們把具有這種特性的光稱為自然光自然光。顯然普通光源所發(fā)出的光都是自然光。顯然普通光源所發(fā)出的光都是自然光。1.自然光自然光2021/7/236通常把自然光中的

5、通常把自然光中的各個(gè)方向的光振各個(gè)方向的光振動(dòng)都分解為兩個(gè)相互垂直的分振動(dòng)動(dòng)都分解為兩個(gè)相互垂直的分振動(dòng)。 這樣，就可以把自然光等價(jià)地看作是兩個(gè)相互這樣，就可以把自然光等價(jià)地看作是兩個(gè)相互垂直的、垂直的、振幅相等的、不相干的振幅相等的、不相干的光振動(dòng)光振動(dòng)的疊加的疊加，每，每一個(gè)獨(dú)立光振動(dòng)的光強(qiáng)都等于自然光光強(qiáng)的一半。一個(gè)獨(dú)立光振動(dòng)的光強(qiáng)都等于自然光光強(qiáng)的一半。 表示自然光時(shí)，用圓點(diǎn)和短線表示自然光時(shí)，用圓點(diǎn)和短線分別代表垂直紙面和平行紙面的兩分別代表垂直紙面和平行紙面的兩個(gè)獨(dú)立光振動(dòng)。點(diǎn)和線均勻分布，個(gè)獨(dú)立光振動(dòng)。點(diǎn)和線均勻分布，數(shù)目相同，表示這兩個(gè)分量在自然數(shù)目相同，表示這兩個(gè)分量在自然光

6、中各占一半。光中各占一半。由于普通光源發(fā)光的隨機(jī)性，由于普通光源發(fā)光的隨機(jī)性，這兩個(gè)相這兩個(gè)相互垂直的光振動(dòng)沒(méi)有確定的相位關(guān)系，互垂直的光振動(dòng)沒(méi)有確定的相位關(guān)系，因此它們因此它們是不相干的。是不相干的。 2021/7/237 在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，如果在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，如果光矢量只沿一個(gè)固定的方向振動(dòng)光矢量只沿一個(gè)固定的方向振動(dòng)，這種，這種光稱為光稱為線偏振光線偏振光，也稱，也稱完全偏振光完全偏振光。 線偏振光的光矢量方向和光的傳播方向構(gòu)成的線偏振光的光矢量方向和光的傳播方向構(gòu)成的平面叫做平面叫做振動(dòng)面振動(dòng)面。因?yàn)榫€偏振光沿傳播方向各處的。因?yàn)榫€偏振光沿傳播方向各處的光矢量都在同一

7、個(gè)振動(dòng)面上，因此線偏振光光矢量都在同一個(gè)振動(dòng)面上，因此線偏振光也稱為也稱為平面偏振光平面偏振光，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱偏振光偏振光。光矢量光矢量振動(dòng)面振動(dòng)面2.線偏振光線偏振光2021/7/238線偏振光的表示法：線偏振光的表示法：光振動(dòng)平行板面光振動(dòng)平行板面光振動(dòng)垂直板面光振動(dòng)垂直板面波的振動(dòng)方向相對(duì)傳播方向的波的振動(dòng)方向相對(duì)傳播方向的不對(duì)稱性不對(duì)稱性光矢量在與光傳播方向垂直的光矢量在與光傳播方向垂直的平面內(nèi)的振動(dòng)狀態(tài)。平面內(nèi)的振動(dòng)狀態(tài)。偏振偏振光的偏振態(tài)光的偏振態(tài)2021/7/2393. .部分偏振光部分偏振光部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法： 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

8、垂直板面的光振動(dòng)較強(qiáng)光振動(dòng)較強(qiáng)部分偏振光是介于自然光和部分偏振光是介于自然光和線偏振光之間的一種偏振光線偏振光之間的一種偏振光 如果在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)如果在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)各方向都有各方向都有光振動(dòng)，但是各方向的振幅大小不同，存在一個(gè)占光振動(dòng)，但是各方向的振幅大小不同，存在一個(gè)占優(yōu)勢(shì)的振動(dòng)方向優(yōu)勢(shì)的振動(dòng)方向，我們把這種光稱為，我們把這種光稱為部分偏振光部分偏振光?？梢钥闯墒亲匀还夂途€偏振可以看成是自然光和線偏振光的混合。光的混合。 2021/7/2310 除了以上光的三類基本偏振狀態(tài)之外，還有一除了以上光的三類基本偏振狀態(tài)之外，還有一種種完全偏振光完全偏振光叫做叫做橢圓偏振光橢

9、圓偏振光。 這種光的這種光的光矢量沿著光的傳播方向前進(jìn)時(shí)，繞光矢量沿著光的傳播方向前進(jìn)時(shí)，繞傳播方向均勻地轉(zhuǎn)動(dòng)傳播方向均勻地轉(zhuǎn)動(dòng)。4.橢圓和圓偏振光橢圓和圓偏振光 如果光矢量的如果光矢量的大小保持不變大小保持不變，則光矢量的端點(diǎn)，則光矢量的端點(diǎn)描繪出的是一個(gè)圓，我們稱為描繪出的是一個(gè)圓，我們稱為圓偏振光圓偏振光。 0 y yx z傳播方向傳播方向 / 2x某時(shí)刻右旋圓偏振光某時(shí)刻右旋圓偏振光E隨隨z的變化的變化E 如果光矢量的如果光矢量的大小也在不斷變化大小也在不斷變化，則光矢量的端點(diǎn)描則光矢量的端點(diǎn)描繪出一個(gè)橢圓，因繪出一個(gè)橢圓，因此我們稱為此我們稱為橢圓偏橢圓偏振光振光。2021/7/23

10、11規(guī)定規(guī)定迎著光線看迎著光線看光矢量光矢量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)右旋光右旋光；光矢量光矢量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)左旋光左旋光；右旋圓右旋圓偏振光偏振光左旋橢圓左旋橢圓偏振光偏振光2021/7/2312橢圓偏振光和圓偏振光都屬于完全偏振光。橢圓偏振光和圓偏振光都屬于完全偏振光。2021/7/231314.2 14.2 起偏和檢偏起偏和檢偏自然光不是偏振的，那么我們?nèi)绾潍@得偏振光呢？自然光不是偏振的，那么我們?nèi)绾潍@得偏振光呢？ 這完全類似于曾經(jīng)遇到過(guò)的問(wèn)題，自然光不是這完全類似于曾經(jīng)遇到過(guò)的問(wèn)題，自然光不是相干光，如何用人工方法獲得相干光？相干光，如何用人工方法獲得相干光？一、一、 起偏器起偏器 一

11、個(gè)光學(xué)器件，輸入的是自然光，輸出的是某一個(gè)光學(xué)器件，輸入的是自然光，輸出的是某種形式的偏振光，這種器件就叫種形式的偏振光，這種器件就叫起偏器起偏器。是一種。是一種能能把兩個(gè)正交的偏振態(tài)分離開(kāi)的光學(xué)元件。把兩個(gè)正交的偏振態(tài)分離開(kāi)的光學(xué)元件。1. 金屬線柵起偏器金屬線柵起偏器 金屬線柵的作用實(shí)質(zhì)上是把一個(gè)偏振態(tài)過(guò)濾掉，金屬線柵的作用實(shí)質(zhì)上是把一個(gè)偏振態(tài)過(guò)濾掉，讓另一個(gè)與其正交的偏振態(tài)通過(guò)。讓另一個(gè)與其正交的偏振態(tài)通過(guò)。2021/7/2314 比起微波（米波、分米波），可見(jiàn)光波的波長(zhǎng)比起微波（米波、分米波），可見(jiàn)光波的波長(zhǎng)要小的多（零點(diǎn)幾微米）！要小的多（零點(diǎn)幾微米）！ 但這樣的線柵竟然有人做出來(lái)了

12、，其工藝令人但這樣的線柵竟然有人做出來(lái)了，其工藝令人贊嘆叫絕。贊嘆叫絕。 1960年，有報(bào)道說(shuō)，做出了一個(gè)年，有報(bào)道說(shuō)，做出了一個(gè)2160 條條 / mm 的金屬線柵。發(fā)明者蒸的金屬線柵。發(fā)明者蒸發(fā)一束金（或銀、鋁），以掠入射角發(fā)一束金（或銀、鋁），以掠入射角度射到一個(gè)塑料的復(fù)制光柵上，金屬度射到一個(gè)塑料的復(fù)制光柵上，金屬原子凝聚在光柵的每一個(gè)臺(tái)階邊緣，原子凝聚在光柵的每一個(gè)臺(tái)階邊緣，形成極細(xì)的導(dǎo)線。這種線柵在紅外波形成極細(xì)的導(dǎo)線。這種線柵在紅外波段是可用的。段是可用的。這種線柵就是一個(gè)起偏器。這種線柵就是一個(gè)起偏器。然而要做一個(gè)讓光波起偏的線柵談何容易！然而要做一個(gè)讓光波起偏的線柵談何容易！

13、2021/7/2315 二向色性起偏器本身在物理上是各向異性的，二向色性起偏器本身在物理上是各向異性的，這種各向異性是不對(duì)稱的根源，使它表現(xiàn)出對(duì)一個(gè)這種各向異性是不對(duì)稱的根源，使它表現(xiàn)出對(duì)一個(gè)電場(chǎng)分量產(chǎn)生強(qiáng)烈的不對(duì)稱吸收（或選擇吸收），電場(chǎng)分量產(chǎn)生強(qiáng)烈的不對(duì)稱吸收（或選擇吸收），而對(duì)另一個(gè)分量卻基本透明。這就是而對(duì)另一個(gè)分量卻基本透明。這就是廣義的二向色廣義的二向色性性。2. 二向色性晶體起偏器二向色性晶體起偏器 有一些天然材料，由于它們的晶體結(jié)構(gòu)的各向有一些天然材料，由于它們的晶體結(jié)構(gòu)的各向異性，本身表現(xiàn)出異性，本身表現(xiàn)出二向色性二向色性沿晶體的不同方向光沿晶體的不同方向光學(xué)性質(zhì)不同，并且與

14、波長(zhǎng)有關(guān)。學(xué)性質(zhì)不同，并且與波長(zhǎng)有關(guān)。因而這種晶體看上因而這種晶體看上去是帶色的，垂直于光軸看是綠色的，沿著光軸方去是帶色的，垂直于光軸看是綠色的，沿著光軸方向看差不多是黑色的。（二向色性這個(gè)詞的來(lái)源意向看差不多是黑色的。（二向色性這個(gè)詞的來(lái)源意味著兩種顏色）味著兩種顏色）2021/7/2316 電氣石材料的內(nèi)部有一個(gè)特殊的方向稱為主軸電氣石材料的內(nèi)部有一個(gè)特殊的方向稱為主軸或或光軸光軸，是由它的原子配置決定的。，是由它的原子配置決定的。 入射光波的電場(chǎng)分量垂直于入射光波的電場(chǎng)分量垂直于光軸時(shí)被強(qiáng)烈吸收。光軸時(shí)被強(qiáng)烈吸收。 缺點(diǎn)是天然晶體太小，因此用處不大，缺點(diǎn)是天然晶體太小，因此用處不大，而

15、且透而且透光的部分也要吸收一些。光的部分也要吸收一些。 比如天然礦物比如天然礦物電氣石電氣石，它屬于珠寶類的次等寶，它屬于珠寶類的次等寶石，是一種硅酸硼化物。石，是一種硅酸硼化物。 其它材料如其它材料如紫蘇輝石紫蘇輝石礦物礦物一種鐵磁性的硅酸一種鐵磁性的硅酸鹽晶體，也有類似性質(zhì)。它在某一方向偏振的白光鹽晶體，也有類似性質(zhì)。它在某一方向偏振的白光下看起來(lái)是綠色的，換一個(gè)偏振方向則成粉紅色的。下看起來(lái)是綠色的，換一個(gè)偏振方向則成粉紅色的。 晶體越厚，吸收就越完全。晶體越厚，吸收就越完全。一般平行于光軸的幾毫米切片一般平行于光軸的幾毫米切片就可以作為起偏器使用了。就可以作為起偏器使用了。2021/7

16、/23173. 偏振片偏振片 1928年，美國(guó)哈佛大學(xué)年，美國(guó)哈佛大學(xué)19歲的學(xué)生歲的學(xué)生E.H.Land發(fā)明發(fā)明了第一個(gè)二向色性起偏器了第一個(gè)二向色性起偏器J 偏振片。偏振片。 Land 把把一種合成的二向色性晶體一種合成的二向色性晶體高碘硫酸奎高碘硫酸奎寧研磨成極細(xì)的粉末，形成亞微觀晶體，這些晶體是寧研磨成極細(xì)的粉末，形成亞微觀晶體，這些晶體是針狀的，然后用電場(chǎng)或磁場(chǎng)把它們排列成相互平行的針狀的，然后用電場(chǎng)或磁場(chǎng)把它們排列成相互平行的狀態(tài)，再用熱壓的方式將其狀態(tài)，再用熱壓的方式將其嵌入塑料薄膜中。這實(shí)際嵌入塑料薄膜中。這實(shí)際上是上是模擬了一個(gè)線柵模擬了一個(gè)線柵。 J 偏振片偏振片可以做成較

17、大面積，但熱壓入薄膜中的可以做成較大面積，但熱壓入薄膜中的晶體有顯著的散射效應(yīng)，因此晶體有顯著的散射效應(yīng)，因此 J 偏振片看上去發(fā)霧，偏振片看上去發(fā)霧，透明度不好透明度不好。2021/7/2318 到到1938年，年，Land又發(fā)明了又發(fā)明了H偏振片偏振片，這，這就是現(xiàn)就是現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中普遍使用的起偏器在實(shí)驗(yàn)室中普遍使用的起偏器。 H偏振片偏振片并不包含二向色性并不包含二向色性晶體晶體，它是用分子鏈模擬線柵。，它是用分子鏈模擬線柵。 Land把一片聚氯乙稀醇加熱，然后沿一個(gè)方向把一片聚氯乙稀醇加熱，然后沿一個(gè)方向拉伸，它那長(zhǎng)長(zhǎng)的碳?xì)浠衔锓肿渔溇蜁?huì)在拉伸過(guò)拉伸，它那長(zhǎng)長(zhǎng)的碳?xì)浠衔锓肿渔溇蜁?huì)在拉

18、伸過(guò)程中被伸直并排列整齊。然后程中被伸直并排列整齊。然后Land把拉伸成的薄膜把拉伸成的薄膜浸泡在含碘的墨水中。碘浸透了薄膜附著在直線型浸泡在含碘的墨水中。碘浸透了薄膜附著在直線型的長(zhǎng)鏈聚合分子上，有效地形成了一條條碘鏈。的長(zhǎng)鏈聚合分子上，有效地形成了一條條碘鏈。 碘中的傳導(dǎo)電子可以沿著鏈運(yùn)動(dòng)。入射光波中碘中的傳導(dǎo)電子可以沿著鏈運(yùn)動(dòng)。入射光波中平行于鏈長(zhǎng)方向振動(dòng)的電場(chǎng)分量驅(qū)動(dòng)電子，對(duì)電子平行于鏈長(zhǎng)方向振動(dòng)的電場(chǎng)分量驅(qū)動(dòng)電子，對(duì)電子做功，因而被強(qiáng)烈吸收。做功，因而被強(qiáng)烈吸收?？梢?jiàn)可見(jiàn)H 偏振片的透光軸垂直于薄膜拉伸方向。偏振片的透光軸垂直于薄膜拉伸方向。2021/7/2319二、馬呂斯定律二、馬

19、呂斯定律 從理想的起偏器（從理想的起偏器（H50）透出的線偏振光的光）透出的線偏振光的光強(qiáng)應(yīng)該是入射自然光光強(qiáng)的強(qiáng)應(yīng)該是入射自然光光強(qiáng)的1/2。 在光路上放一塊偏振片，繞光路中心軸線旋轉(zhuǎn)在光路上放一塊偏振片，繞光路中心軸線旋轉(zhuǎn)這一偏振片并在片后觀察這一偏振片并在片后觀察 若透射光強(qiáng)不發(fā)生任何變化，若透射光強(qiáng)不發(fā)生任何變化，則入射光為自然光或圓偏振光。則入射光為自然光或圓偏振光。 若光強(qiáng)發(fā)生變化，則可確定入若光強(qiáng)發(fā)生變化，則可確定入射光為偏振光射光為偏振光 因此用偏振片可以對(duì)光的偏振因此用偏振片可以對(duì)光的偏振態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)這個(gè)過(guò)程稱為這個(gè)過(guò)程稱為檢偏檢偏。 馬呂斯馬呂斯2021/7/232

20、0自然光通過(guò)檢偏器自然光通過(guò)檢偏器2021/7/2321線偏振光通過(guò)檢偏器線偏振光通過(guò)檢偏器2021/7/2322部分偏振光通過(guò)檢偏器部分偏振光通過(guò)檢偏器2021/7/2323圓偏振光通過(guò)檢偏器圓偏振光通過(guò)檢偏器2021/7/2324橢圓偏振光通過(guò)檢偏器橢圓偏振光通過(guò)檢偏器2021/7/2325ON振幅為振幅為A0的線偏振光，經(jīng)檢偏器后透射振幅為的線偏振光，經(jīng)檢偏器后透射振幅為A 。 垂直于垂直于ON 的分量不能通的分量不能通過(guò)檢偏器，只有平行于過(guò)檢偏器，只有平行于ON 的的分量能夠通過(guò)檢偏器。分量能夠通過(guò)檢偏器。0cosAA 為入射線偏振光的振動(dòng)為入射線偏振光的振動(dòng)方向與檢偏器光軸方向方向與

21、檢偏器光軸方向 ON 間的夾角間的夾角0A 0sinA 則可以將入射到檢偏器的光振則可以將入射到檢偏器的光振動(dòng)分解為平行于和垂直于動(dòng)分解為平行于和垂直于ON 的兩個(gè)分量。的兩個(gè)分量。設(shè)設(shè)A0cos定量分析定量分析2021/7/2326 因光強(qiáng)正比于光振動(dòng)的振幅，所以從檢偏器因光強(qiáng)正比于光振動(dòng)的振幅，所以從檢偏器透射出來(lái)的光強(qiáng)透射出來(lái)的光強(qiáng) I 與與 I0 之比為之比為 20200(cos )IAIA 即即20cosII 322 或或馬呂斯定律馬呂斯定律討論討論maxII0 或或 若若0I0I 2021/7/2327疊放的兩塊相同偏振片，吸收率均為疊放的兩塊相同偏振片，吸收率均為10，光軸，光軸

22、間夾角間夾角 60 ，輸入自然光，輸入自然光I0 。求輸出光強(qiáng)。求輸出光強(qiáng)。解：例題1 ： 1N2N1A2A自然光通過(guò)第一偏振片后自然光通過(guò)第一偏振片后振幅為振幅為A1，振動(dòng)方向沿，振動(dòng)方向沿N1由馬呂斯定律由馬呂斯定律10190%2II再經(jīng)過(guò)第二偏振片時(shí)，振動(dòng)方再經(jīng)過(guò)第二偏振片時(shí)，振動(dòng)方向平行于向平行于N2的分量可以通過(guò)。的分量可以通過(guò)。221cos 6090%II輸出光強(qiáng)為輸出光強(qiáng)為20110.90.924II00.101I2021/7/2328兩偏振片光軸垂直，若在其間插入第三塊，兩偏振片光軸垂直，若在其間插入第三塊，輸入自然光輸入自然光I0 。求輸出光強(qiáng)。求輸出光強(qiáng)。解：例題2 ： 1

23、N3N1A3A自然光通過(guò)第一偏振片后自然光通過(guò)第一偏振片后振幅為振幅為A1，振動(dòng)方向沿，振動(dòng)方向沿N1由馬呂斯定律由馬呂斯定律1012II再經(jīng)過(guò)再經(jīng)過(guò)第三偏振片第三偏振片時(shí)，振動(dòng)方時(shí)，振動(dòng)方向平行于向平行于N3的分量可以通過(guò)。的分量可以通過(guò)。231cosII 輸出光強(qiáng)為輸出光強(qiáng)為20221cossi2nII 2N2A201sin 28I 2021/7/2329由自然光和線偏振光混合成部分偏振光。由自然光和線偏振光混合成部分偏振光。隨著檢偏器的轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)現(xiàn)隨著檢偏器的轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)現(xiàn) Imax= 6 Imin ，求部分，求部分偏振光中這兩種成份的光強(qiáng)比。偏振光中這兩種成份的光強(qiáng)比。解：例題3 ：設(shè)自然光光強(qiáng)

24、為設(shè)自然光光強(qiáng)為I0，線偏振光光強(qiáng)為，線偏振光光強(qiáng)為I。 當(dāng)檢偏器的透光軸與線偏振光的振動(dòng)方向當(dāng)檢偏器的透光軸與線偏振光的振動(dòng)方向max012III0011622IIImin012II平行平行垂直垂直依題意依題意025II2021/7/2330 偏振片的應(yīng)用很廣泛，如汽車夜間行車時(shí)為了偏振片的應(yīng)用很廣泛，如汽車夜間行車時(shí)為了避免對(duì)方汽車大燈晃眼，可以在所有汽車的車窗玻避免對(duì)方汽車大燈晃眼，可以在所有汽車的車窗玻璃上和大燈前安裝光軸與水平方向成璃上和大燈前安裝光軸與水平方向成 逆時(shí)針逆時(shí)針 45角角的偏振片。的偏振片。 偏振片也可以制成太陽(yáng)鏡（減光約偏振片也可以制成太陽(yáng)鏡（減光約50），或），或

25、照相機(jī)的照相機(jī)的濾光鏡濾光鏡。 觀測(cè)日食時(shí)，用兩塊觀測(cè)日食時(shí)，用兩塊偏振片，可以隨意減光，偏振片，可以隨意減光，調(diào)整最佳觀測(cè)效果。調(diào)整最佳觀測(cè)效果。偏振片的應(yīng)用偏振片的應(yīng)用觀看觀看3D電影。電影。2021/7/2331寶石偏光鏡寶石偏光鏡觀察透明寶石的消光情況，判斷它們是均質(zhì)體、觀察透明寶石的消光情況，判斷它們是均質(zhì)體、 非均質(zhì)體或晶質(zhì)集合體，非均質(zhì)體或晶質(zhì)集合體，鑒定均質(zhì)寶石的異常雙折射現(xiàn)象，鑒定均質(zhì)寶石的異常雙折射現(xiàn)象，檢查寶石的多色性，檢查寶石的多色性，與石英楔子配合可測(cè)定寶石的光性符號(hào)等。與石英楔子配合可測(cè)定寶石的光性符號(hào)等。2021/7/233214.3 14.3 反射和折射時(shí)光的偏

26、振反射和折射時(shí)光的偏振一、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象1n2ni 自然光自然光部分偏振光部分偏振光反射和折射過(guò)程會(huì)使入射的自然光一定程度的偏振化反射和折射過(guò)程會(huì)使入射的自然光一定程度的偏振化部分部分偏振光偏振光2021/7/2333 反射光的偏振效應(yīng)是馬呂斯在反射光的偏振效應(yīng)是馬呂斯在1808年發(fā)現(xiàn)的。年發(fā)現(xiàn)的。 當(dāng)時(shí)法國(guó)科學(xué)院懸賞征求雙折射的數(shù)學(xué)理論，當(dāng)時(shí)法國(guó)科學(xué)院懸賞征求雙折射的數(shù)學(xué)理論，馬呂斯就著手研究這個(gè)問(wèn)題。一天傍晚，他站在家馬呂斯就著手研究這個(gè)問(wèn)題。一天傍晚，他站在家中的窗口研究方解石晶體。中的窗口研究方解石晶體。 2021/7/2334 這時(shí)夕陽(yáng)西照，夕陽(yáng)的象從離他家不遠(yuǎn)的盧森這時(shí)夕陽(yáng)西

27、照，夕陽(yáng)的象從離他家不遠(yuǎn)的盧森堡宮的窗戶上反射過(guò)來(lái)。他通過(guò)方解石觀察反射的堡宮的窗戶上反射過(guò)來(lái)。他通過(guò)方解石觀察反射的陽(yáng)光。使他意外的是，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方解石時(shí)，雙象中的陽(yáng)光。使他意外的是，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方解石時(shí)，雙象中的一個(gè)消失了！夜里他又從水面上和玻璃面上反射的一個(gè)消失了！夜里他又從水面上和玻璃面上反射的燭光來(lái)核實(shí)他的觀察。燭光來(lái)核實(shí)他的觀察。 雙折射的意義雙折射的意義和偏振光的實(shí)際本和偏振光的實(shí)際本性首次變得清楚了性首次變得清楚了（當(dāng)時(shí)，在波動(dòng)理（當(dāng)時(shí)，在波動(dòng)理論的范圍內(nèi)還沒(méi)有論的范圍內(nèi)還沒(méi)有偏振現(xiàn)象的圓滿解偏振現(xiàn)象的圓滿解釋）。釋）。2021/7/2335二、布儒斯特定律二、布儒斯特定律 1812年，

28、圣安德魯斯大年，圣安德魯斯大學(xué)的物理學(xué)教授、萬(wàn)花筒的學(xué)的物理學(xué)教授、萬(wàn)花筒的發(fā)明人發(fā)明人布儒斯特布儒斯特仔細(xì)地研究仔細(xì)地研究了反射過(guò)程中的偏振化現(xiàn)象，了反射過(guò)程中的偏振化現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)反射光的偏振化程度和反射光的偏振化程度和入射角有關(guān)入射角有關(guān)。 嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)表明，嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)表明，當(dāng)入射角等于某一特定值當(dāng)入射角等于某一特定值 i0 時(shí)，反射光是完全偏振的。時(shí)，反射光是完全偏振的。1n2n0i0 這時(shí)這時(shí)反射光的振動(dòng)方向反射光的振動(dòng)方向垂直于入射面，而且反射方垂直于入射面，而且反射方向與折射方向相互垂直向與折射方向相互垂直。2021/7/2336由折射定律由折射定律1020sinsinni

29、n 20sin(90)ni20cosni201tannin布儒斯特定律布儒斯特定律根據(jù)布儒斯特定律可測(cè)不透明介質(zhì)的折射率。根據(jù)布儒斯特定律可測(cè)不透明介質(zhì)的折射率。 布儒斯特定律還提供了一個(gè)方便的方法來(lái)確布儒斯特定律還提供了一個(gè)方便的方法來(lái)確定未標(biāo)明方向的起偏器的透光軸，只需要一片玻定未標(biāo)明方向的起偏器的透光軸，只需要一片玻璃或者一個(gè)水池就行了。璃或者一個(gè)水池就行了。 i0 布儒斯特角布儒斯特角002i 1n2n0i0 2021/7/2337 從電子論的觀點(diǎn)看，光和物質(zhì)的作用歸結(jié)為電從電子論的觀點(diǎn)看，光和物質(zhì)的作用歸結(jié)為電磁場(chǎng)和介質(zhì)中原子分子的作用。磁場(chǎng)和介質(zhì)中原子分子的作用。 光波的高頻電磁場(chǎng)

30、使原子、分子中的束縛電子光波的高頻電磁場(chǎng)使原子、分子中的束縛電子作強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)，這些進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài)的電子就要發(fā)射次作強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)，這些進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài)的電子就要發(fā)射次級(jí)電磁波（子波）。處于束縛態(tài)的這些電子相互間級(jí)電磁波（子波）。處于束縛態(tài)的這些電子相互間有強(qiáng)烈的耦合，因而它們發(fā)射的次波是相干的。有強(qiáng)烈的耦合，因而它們發(fā)射的次波是相干的。 反射光就是由這些次波相干相長(zhǎng)造成的。反射光就是由這些次波相干相長(zhǎng)造成的。 另一方面，電子振動(dòng)的平面也就是光的振動(dòng)平另一方面，電子振動(dòng)的平面也就是光的振動(dòng)平面，它應(yīng)該與光的傳播方向垂直。面，它應(yīng)該與光的傳播方向垂直。布儒斯特定律的物理機(jī)制布儒斯特定律的物理機(jī)制2021/7/2

31、3381n2n 入射到介質(zhì)表面的自然光引起介質(zhì)中電子的振入射到介質(zhì)表面的自然光引起介質(zhì)中電子的振動(dòng)，將這個(gè)振動(dòng)分解成兩個(gè)相互垂直的分量，一個(gè)動(dòng)，將這個(gè)振動(dòng)分解成兩個(gè)相互垂直的分量，一個(gè)分量垂直于入射面（屏幕平面），將其標(biāo)記為分量垂直于入射面（屏幕平面），將其標(biāo)記為“點(diǎn)點(diǎn)”成分；另一個(gè)分量在入射面內(nèi)，標(biāo)記為成分；另一個(gè)分量在入射面內(nèi)，標(biāo)記為“線成分線成分”。 而而“點(diǎn)點(diǎn)”成分的振動(dòng)方向與折射和反射方向都成分的振動(dòng)方向與折射和反射方向都垂直，因而垂直，因而“點(diǎn)點(diǎn)”成分的振動(dòng)狀態(tài)沿這兩個(gè)方向始成分的振動(dòng)狀態(tài)沿這兩個(gè)方向始終都能傳播。終都能傳播。 “線線”成分顯然垂直成分顯然垂直于折射線。當(dāng)入射角為布

32、于折射線。當(dāng)入射角為布儒斯特角時(shí)，折射線與反儒斯特角時(shí)，折射線與反射線垂直，即射線垂直，即“線線”成分成分的振動(dòng)方向與反射線平行，的振動(dòng)方向與反射線平行，這種振動(dòng)狀態(tài)當(dāng)然就不能這種振動(dòng)狀態(tài)當(dāng)然就不能在反射方向傳播了。在反射方向傳播了。0i2021/7/2339討論討論1n2n0i1n2n0i0 1n2n 1n2ni0 i 2021/7/2340 要想利用布儒斯特定律做一個(gè)有效的起偏器，要想利用布儒斯特定律做一個(gè)有效的起偏器，會(huì)碰到這樣一個(gè)問(wèn)題：會(huì)碰到這樣一個(gè)問(wèn)題：三、利用玻璃片堆產(chǎn)生線偏振光三、利用玻璃片堆產(chǎn)生線偏振光 為解決這個(gè)問(wèn)題，為解決這個(gè)問(wèn)題，阿喇果阿喇果在在1812年發(fā)明了年發(fā)明了平

33、板堆起偏器平板堆起偏器。 這種器件在可見(jiàn)光區(qū)用玻璃板制這種器件在可見(jiàn)光區(qū)用玻璃板制作，在紅外區(qū)用氯化銀板，在紫外區(qū)作，在紅外區(qū)用氯化銀板，在紫外區(qū)用石英或者是石英玻璃。用十片左右用石英或者是石英玻璃。用十片左右的顯微鏡載玻片，就可以做成一個(gè)粗的顯微鏡載玻片，就可以做成一個(gè)粗糙的玻璃片堆。糙的玻璃片堆。 反射光雖然完全偏振，但是很弱；透射光雖然反射光雖然完全偏振，但是很弱；透射光雖然較強(qiáng)，卻是部分偏振的。較強(qiáng)，卻是部分偏振的。2021/7/2341趨近線偏振光趨近線偏振光玻璃片堆玻璃片堆(約約15層層)最后獲得兩束振動(dòng)面最后獲得兩束振動(dòng)面互相垂直的線偏振光互相垂直的線偏振光i01n2n0i0 0

34、i依然是布儒斯特角依然是布儒斯特角2021/7/2342如果如果 i0也是布儒斯特角，也是布儒斯特角，求水面與玻璃之間求水面與玻璃之間的夾角的夾角。（。（n1= 1, n2= 1.33， n3= 1.5）解：例題4 ：根據(jù)布儒斯特定律知根據(jù)布儒斯特定律知0090i 由幾何關(guān)系知由幾何關(guān)系知201tan1.33nin3021.5tan1.33nin048 26i053 4i則則180090i+(-)+(-)09090i（+- ）+- ）0090ii 11301n2n 3n0i0i0 2021/7/2343 外腔式激光管加裝布儒斯特窗，可使出射光外腔式激光管加裝布儒斯特窗，可使出射光為全偏振光，并

35、減少反射損失。為全偏振光，并減少反射損失。i0i0激光輸出激光輸出外腔式激光器諧振腔外腔式激光器諧振腔布儒斯特窗布儒斯特窗M1M2i0i0激光器布儒斯特窗激光器布儒斯特窗2021/7/2344 櫥窗玻璃上的反射光、水面上的反射光常常影櫥窗玻璃上的反射光、水面上的反射光常常影響我們對(duì)窗內(nèi)展品、水下景致的鑒賞。響我們對(duì)窗內(nèi)展品、水下景致的鑒賞。 由于反射光具有偏振性，戴上偏振鏡，或在照由于反射光具有偏振性，戴上偏振鏡，或在照相機(jī)鏡頭前加裝相機(jī)鏡頭前加裝偏振濾光鏡偏振濾光鏡，就可以消除這種反射，就可以消除這種反射光，從而清晰地瀏覽櫥窗內(nèi)的展品以及水下的各種光，從而清晰地瀏覽櫥窗內(nèi)的展品以及水下的各種景物，并清晰地將它們拍攝下來(lái)。景物，并清晰地將它們拍攝下來(lái)。偏振濾光鏡的妙用偏振濾光鏡的妙用2021/7/23452021/7/23462021/7/23472021/7/23482021/7/23492021/7/23502021/7/23512021/7/2352*四、散射起偏四、散射起偏 上一節(jié)提到，光與介質(zhì)中原子分子相互作用，上一節(jié)提到，光與介質(zhì)中原子分子相互作用，使其中束縛電子作強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)而發(fā)射次級(jí)電磁波。使其中束縛電子作強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)而發(fā)射次級(jí)電磁波。 但在均勻介質(zhì)（如玻璃）中，原子分子按一定但在均勻介質(zhì)（如玻璃）中，原子分子按一定周期結(jié)構(gòu)排列（短程有序）