大二上光學(xué)一班52201311072359administrator

1、15-3偏振光的強(qiáng)度偏振光的強(qiáng)度 5-3-1 偏振器(Polarizer) 自然光通過一個(gè)光學(xué)元件，成為偏振光 產(chǎn)生線偏振光 - 線偏振器； 產(chǎn)生橢圓偏振光 - 橢圓偏振器。 偏振器偏振器2兩向色性的有機(jī)晶體，如硫酸碘奎寧、電氣石或聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后，在高溫下拉伸、烘干，然后粘在兩個(gè)玻璃片之間就形成了偏振片。它有一個(gè)特定的方向，只讓平行與該方向的振動通過。偏振片（偏振片（Polaroid）1928年一位年一位19歲的美國大學(xué)生歲的美國大學(xué)生 （E.H.Land）發(fā)明的。）發(fā)明的。是獲得線偏振光的平面片狀器件，通常用是獲得線偏振光的平面片狀器件，通常用P表示。表示。起偏的原理起偏的原理

2、：利用某種光學(xué)的不對稱性利用某種光學(xué)的不對稱性, , 如物質(zhì)的二向色如物質(zhì)的二向色性，散射，反射和折射，雙折射性，散射，反射和折射，雙折射. .34起偏與檢偏起偏與檢偏:Polarizing sheets 、polarizer and analyzer 偏振片、起偏與檢偏偏振片、起偏與檢偏起偏起偏-從自然光獲得偏振光從自然光獲得偏振光檢偏檢偏-檢查某束光是否是偏振光；檢查某束光是否是偏振光；起偏振器起偏振器-從自然光獲得偏振光的裝置；從自然光獲得偏振光的裝置；檢偏振器檢偏振器-檢查某束光是否是偏振光的裝置。檢查某束光是否是偏振光的裝置。 1) polarizing sheets 偏振片偏振片透

3、明玻璃片透明玻璃片涂有金雞納霜或碧硒（電涂有金雞納霜或碧硒（電氣石）等材料的簿膜氣石）等材料的簿膜5偏振片、起偏與檢偏：偏振片、起偏與檢偏：1 1）偏振片）偏振片透明玻璃片透明玻璃片涂有金雞納霜或碧硒（電涂有金雞納霜或碧硒（電氣石）等材料的簿膜氣石）等材料的簿膜unpolarized light 自然光自然光polarized light 偏振光偏振光Polarizing direction 偏振化方向偏振化方向The sheet will tran-smit only those Evectors in a certain characteristic po-larizing directi

4、on.6Applications of polarizing sheets 偏振片的用途偏振片的用途a)polarizer 作起偏振器作起偏振器I0I0/2b)analyzer 作檢偏振器作檢偏振器偏振光偏振光變暗變暗自然光自然光不變暗不變暗I0I0/2I0/2I0自然光自然光I0/2I0/27 從自然光（非偏振光）產(chǎn)生偏振光的途徑： 晶體的雙折射。 反射和折射； 二向色性（選擇性吸收）； 散射；85-3-2 Malus 定律 如圖所示，線偏振器只讓某個(gè)振動方向的光通過，該方向定義為線偏振器的透射軸。 透射軸一個(gè)光強(qiáng)為I 自 的自然光經(jīng)過偏振器后，光強(qiáng) = ？I 自I 0=?9計(jì)算光強(qiáng)為 I

5、自 的自然光自然光經(jīng)過偏振器后的光強(qiáng) I0 ：透射軸aE自E0221cos21222020自自自IEdEIaa對自然光，a 在（0，2）間隨機(jī)變化，各個(gè)方向機(jī)會均等。 acos0自EE 200EI 10線偏振光通過另一個(gè)偏振片后的光強(qiáng)遵從Malus 定律定律 透射軸 入射到檢偏器的線偏振光光強(qiáng)為 I0 時(shí), 其透射光強(qiáng)度： 20cosII- Malus 定律 起偏器起偏器 (Polarizer） 檢偏器檢偏器 (Analyzer) 11 20cosIIMalus 定律的討論： I (90o 0 消光。 I (0o I 0 光強(qiáng)極大； 通過通過消光消光現(xiàn)象可以確定入射光是否為現(xiàn)象可以確定入射光是

6、否為線偏振光線偏振光12檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，光強(qiáng)兩亮兩暗在線偏振光的光路中插入檢偏器，檢偏器旋轉(zhuǎn)一周在線偏振光的光路中插入檢偏器，檢偏器旋轉(zhuǎn)一周 13 在自然光和圓偏振光的光路中插入檢偏器，檢偏器旋轉(zhuǎn)一周在自然光和圓偏振光的光路中插入檢偏器，檢偏器旋轉(zhuǎn)一周在光路中插入檢偏器，屏上光強(qiáng)減半。檢偏器旋轉(zhuǎn)，屏上亮暗無變化。 14部分偏振光和橢圓偏振光的光路中插入檢偏器，檢偏器旋轉(zhuǎn)一周部分偏振光和橢圓偏振光的光路中插入檢偏器，檢偏器旋轉(zhuǎn)一周 檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，屏上光強(qiáng)兩強(qiáng)兩弱。15 根據(jù)上面的實(shí)驗(yàn)，可以區(qū)分出線偏振光，但是無法區(qū)分自然光和圓偏振光，也無法區(qū)分是部分偏振光還是橢圓偏振光，關(guān)于自然光和圓偏振光、

7、部分偏振光和橢圓偏振光的區(qū)分，以后講解。16例題：有三個(gè)偏振片堆疊在一起，第一塊與第三塊的例題：有三個(gè)偏振片堆疊在一起，第一塊與第三塊的偏振片化方向相互垂直，第二塊和第一塊的偏振化方偏振片化方向相互垂直，第二塊和第一塊的偏振化方向相互平行，然后第二塊偏振片以恒定的角速度向相互平行，然后第二塊偏振片以恒定的角速度 w 繞光傳播的方向旋轉(zhuǎn)，設(shè)入射自然光的光強(qiáng)為繞光傳播的方向旋轉(zhuǎn)，設(shè)入射自然光的光強(qiáng)為 I0。求：出射光的光強(qiáng)隨時(shí)間的變化關(guān)系。求：出射光的光強(qiáng)隨時(shí)間的變化關(guān)系。自然光P1 P2 P3I0wI17自然光I01P2P3PIP3P2P12)2(coscos2220aaII82sin2sinc

8、os20220tII解：解：80I42431860 例題：例題： 有兩個(gè)偏振片有兩個(gè)偏振片, ,一個(gè)用作起偏器一個(gè)用作起偏器, 一個(gè)用一個(gè)用作檢偏器，當(dāng)它們偏振化方向間的夾角為作檢偏器，當(dāng)它們偏振化方向間的夾角為 30度度 時(shí)時(shí) , , 一束單色自然光穿過它們一束單色自然光穿過它們, , 出射光強(qiáng)為出射光強(qiáng)為 I1； 當(dāng)它當(dāng)它們偏振化方向間的夾角為們偏振化方向間的夾角為 60度度 時(shí)，另一束單色自時(shí)，另一束單色自然光穿過它們?nèi)还獯┻^它們 , , 出射光強(qiáng)為出射光強(qiáng)為 I2, , 且且 I1=I2 . 求兩束求兩束單色自然光的強(qiáng)度之比單色自然光的強(qiáng)度之比 .2I檢偏器檢偏器起偏器起偏器021II

9、自然光a20cos21II線偏光a30cos22101II 60cos22202II 設(shè)兩束自然光：設(shè)兩束自然光：0201II ，=19 解解 設(shè)兩束單色自然光的強(qiáng)度分別為設(shè)兩束單色自然光的強(qiáng)度分別為I10 和和 I20 . 經(jīng)過起偏器后光強(qiáng)分別為經(jīng)過起偏器后光強(qiáng)分別為 和和202I102I經(jīng)過檢偏器后經(jīng)過檢偏器后2101cos 302II 2202cos 602II 21012220cos 6013cos 30IIII 檢偏器檢偏器起偏器起偏器021II自然光a20cos21II線偏光a2045例題： 楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)中，下述情況能否看到干涉條紋？簡單說明理由。（1）在單色自然光源S后加一偏振體

10、P；（2）在（1）情況下，再加P1、P2，P1與P2透光方向垂直，P與P1、P2透光方向成 角。（3）在（2）情況下，再在E前加偏振片P3，P3與P透光方向一致。215-4 反射反射和和折射折射產(chǎn)生偏振光產(chǎn)生偏振光 在介質(zhì)分界面上，由于光（電磁場）和物質(zhì)的相互作用，不僅傳播方向改變，振動狀態(tài)也會變化； 因此光在兩種介質(zhì)的分界面上反射和折射時(shí)，反射光和折射光的偏振性質(zhì)與入射光不同； 自然光通過反射和折射可以產(chǎn)生偏振光。n1n2221) Polarization phenomenon of reflection and refractiona、反射光中垂直振動、反射光中垂直振動 強(qiáng)于平行的振動；強(qiáng)

11、于平行的振動；b、折射光中平行的振、折射光中平行的振 動強(qiáng)于垂直振動；動強(qiáng)于垂直振動；c、反射光折射光偏振、反射光折射光偏振 化的程度隨入射角化的程度隨入射角 的不同而不同。的不同而不同。in2n1ir235-4-1 分界面上振幅和光強(qiáng)的分配關(guān)系- Fresnel 公式公式 任一光振動可分解成兩個(gè)垂直分振動， 因此入射光、折射光、反射光都可作振動分解。 分界面的光場遵從電磁場的邊界條件n1n224 定義兩個(gè)垂直分振動分量:S振動振動和P振動振動 - 在入射面內(nèi)圖示：光振動的分解S振動振動P振動振動- 垂直于入射面 S振動 - 垂直于紙面 （入射面）向外作圖慣例：ksp P振動 的方向： n1n

12、225 邊界條件：(透明介質(zhì))E 、H 的切線分量連續(xù)D 、B 的法線分量連續(xù)2211sinsininin 折射定律： EDHB 各向同性的均勻介質(zhì)中 物質(zhì)方程 電磁波：HE1v速度：26反射系數(shù) 透射系數(shù) S 振動：P 振動： 反射系數(shù) 透射系數(shù) 212111sin-siniiiiEErsss211212sincossin2iiiiEEtsss212111tan-taniiiiEErppp21211212-cossincossin2iiiiiiEEtppp可知：S 振動和P 振動彼此獨(dú)立彼此獨(dú)立，只與i1和i2 有關(guān)Fresnel 公式：公式：n1n2i1i2i127定義反射率反射率 R：反

13、射光波和入射光波的能流之比 透射率透射率 T：透射光波和入射光波的能流之比 反射光束和入射光束的橫截面相同橫截面橫截面橫截面入射折射反射2122122sinsiniiiirRss2122122tantaniiiirRpp2rR入射光強(qiáng)反射光強(qiáng)入射光能流反射光能流（單位時(shí)間內(nèi)）28橫截面橫截面橫截面入射折射反射 能量守恒 R + T = 1（無吸收）（無吸收） 2 tT入射光強(qiáng)透射光強(qiáng)入射光能流透射光能流 透射光束和入射光束的橫截面不同Ts = 1-RsTp = 1-Rp2122122sinsiniiiirRss2122122tantaniiiirRpp29 i1 = 0o 時(shí)：22121nnn

14、nRRps04. 0 i1 = 90o 時(shí)：0 . 1psRR2122122sinsiniiiirRss2122122tantaniiiirRpp圖示： 時(shí)的反射率隨入射角變化的曲線n1=1, n2 =1.5302122122sinsiniiiirRss2122122tantaniiiirRpp5-4-2 反射和折射產(chǎn)生的偏振 反射光中 S振動多于P振動 自然光入射時(shí)，反射光和透射光成為部分偏振光 由反射率曲線可知， psRR 特殊情形： 221ii0pR時(shí)反射光中只有 S 振動-線偏振光線偏振光31由折射定律2211sinsinnin221ii時(shí)， 對應(yīng)的入射角 Brewster 角角 ：1

15、21tannnib121tannnib 玻璃： n1=1, n2 =1.5 57 oMalus 實(shí)驗(yàn)線偏振光線偏振光n1n2線偏振光自然光部分偏振光32Brewsters law 布儒斯特定律（布儒斯特定律（18121812年）年）0i當(dāng)入射角當(dāng)入射角 等于一特定角等于一特定角 時(shí)，使之滿足：時(shí)，使之滿足：1i21120nnntgi時(shí)，反射光只有垂直于時(shí)，反射光只有垂直于入射面的振動而無平行于入射面的振動。入射面的振動而無平行于入射面的振動。this particular angle of incidence is called the polarizing angle. refracted

16、light is still partial polarized light.n2n10i0r note：33自然光經(jīng)過反射和折射后產(chǎn)生部分偏振光n1n2i1i2i1212212tantaniiiiRP自然光部分偏振光部分偏振光221ii0pR時(shí)線偏振光線偏振光n1n2線偏振光自然光部分偏振光反射起偏 221iii1i234 反射起偏時(shí)，反射率 15 %0.15 自然光以Brewster 角入射 時(shí)， P 振動無反射，全部透射。 S振動的透過率=(0.85)40 0.0015 例如：20片時(shí), 通過多層介質(zhì)堆，S振動經(jīng)多次反射，最后的透射光成為單一P振動的線偏振光 。212212sinsini

17、iiiRs玻璃堆起偏器35Solve: by using a stack of glass platesa stack of glass plates玻璃片堆：玻璃片堆：0iproblems問題：問題：1) The intensity of reflected light is low.0i2) refracted light is still partial polarized light.n2n10i0rPolarization of light by a stack of glass plates.ci解：解：tan1.3337 2ccii 仰角為ci38激光器諧振腔中的Brewster

18、窗P振動100%透過 Brewster 角的應(yīng)用39外腔式激光管加裝布儒斯特窗外腔式激光管加裝布儒斯特窗 減少反射損失。減少反射損失。假如封閉管子兩端的玻璃窗口是垂直于管軸線假如封閉管子兩端的玻璃窗口是垂直于管軸線的玻璃片，那么自然光每經(jīng)過一個(gè)窗口表面就的玻璃片，那么自然光每經(jīng)過一個(gè)窗口表面就有大約有大約4%的反射損失的反射損失(96%透入透入)。光在。光在M1 M2之間每個(gè)單程要之間每個(gè)單程要4次穿過窗口表面。這樣，光來次穿過窗口表面。這樣，光來回反射時(shí)，反射損耗太大就不能形成激光。回反射時(shí)，反射損耗太大就不能形成激光。 i0i0激光輸出激光輸出布儒斯特窗布儒斯特窗M1M2i0i0半波損半波

19、損當(dāng)光從當(dāng)光從光疏光疏到到光密質(zhì)光密質(zhì)，正入射正入射及及掠入射掠入射時(shí)反射光均時(shí)反射光均有半波損有半波損當(dāng)光從當(dāng)光從光密光密到到光疏質(zhì)光疏質(zhì)，正入射正入射時(shí)反射光無半波損時(shí)反射光無半波損（掠入射掠入射時(shí)發(fā)生全反射）時(shí)發(fā)生全反射） 任何情況入射任何情況入射，經(jīng)薄膜上下界面反射的光束，經(jīng)薄膜上下界面反射的光束1 1，2 2之間之間的光的光程差需引入附加半波程差；而反射光束程差需引入附加半波程差；而反射光束2 2，3 3，4.4.之無需引入之無需引入1212;nnn nnn無1111;nnn nnn1i1i2izx1sE1sE1pE1pE1k1k垂直入射11sssEEr11PPpEEr)sin()s

20、in(2121iiii1212tan()tan()iiii021 ii2121, 1, 1nnnnEyexy1sE1sE1pE1pE2121, 1, 1nnnn21nn 從光疏到光密，反射引起的相位突變，相當(dāng)于產(chǎn)生了/2的附加光程差，稱為半波損失，E突變。光密到光疏，沒有半波損失1i1i2izx1sE1sE1pE1pE1k1k掠入射11sssEEr11PPpEEr)sin()sin(2121iiii1212tan()tan()iiii2/1i2121, 1, 1nnnnEyezy1sE1sE1pE1pE2121, 1, 1nnnn21nn 反射光有半波損失。如果從光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)，入射角大于

21、全反射臨界角，情況復(fù)雜。2n1n1n只有第一列反射光產(chǎn)生了半波損失透射光都不需要考慮半波損失445-5 選擇性吸收產(chǎn)生偏振光選擇性吸收產(chǎn)生偏振光-物質(zhì)的二向色性物質(zhì)的二向色性 某些物質(zhì)可以選擇性地 吸收吸收 掉兩個(gè)垂直振動分量中的一個(gè)，剩下另一個(gè)分量 產(chǎn)生偏振 5-5-1 線形導(dǎo)線光柵 導(dǎo)線中的自由電子吸收掉平行于導(dǎo)線的電場振動 455-5-2 人造偏振片人造偏振片 碘溶液中浸過的有機(jī)分子薄膜經(jīng)過拉伸，如浸碘的聚乙烯醇薄膜（形成平行的長鏈大分子，碘原子中的自（形成平行的長鏈大分子，碘原子中的自由電子可沿長鏈運(yùn)動）由電子可沿長鏈運(yùn)動） 人造偏振片人造偏振片觀看立體電影時(shí)使用的偏振眼鏡偏振眼鏡應(yīng)用

22、之一：46立體電影立體電影4748偏振片在液晶顯示上應(yīng)用偏振片在液晶顯示上應(yīng)用49在拍攝玻璃窗內(nèi)的物體時(shí)，去掉反射光的干擾在拍攝玻璃窗內(nèi)的物體時(shí)，去掉反射光的干擾未裝偏振片未裝偏振片裝偏振片裝偏振片50（B B）用偏光鏡消除了反射偏振光用偏光鏡消除了反射偏振光, ,使玻璃門內(nèi)的人物清晰可見使玻璃門內(nèi)的人物清晰可見（A A）玻璃門表面的反光很強(qiáng)玻璃門表面的反光很強(qiáng)駕駛員戴上偏振太陽鏡可以防止馬路反射光的炫目。駕駛員戴上偏振太陽鏡可以防止馬路反射光的炫目。照相機(jī)安上偏振鏡可以產(chǎn)生不同的效果，看出來了嗎？照相機(jī)安上偏振鏡可以產(chǎn)生不同的效果，看出來了嗎？ 52偏光顯微鏡偏光顯微鏡(polarizing

23、 microscope)(polarizing microscope)研究對象：具有雙折射性質(zhì)的旋光物質(zhì)。研究對象：具有雙折射性質(zhì)的旋光物質(zhì)。特點(diǎn)：在鏡筒中加了兩塊偏振片。特點(diǎn)：在鏡筒中加了兩塊偏振片。原理：無樣品時(shí)，兩偏振片互相垂直，視野是暗的原理：無樣品時(shí)，兩偏振片互相垂直，視野是暗的。：纖維、染色體、淀粉：纖維、染色體、淀粉粒、細(xì)胞壁粒、細(xì)胞壁 常細(xì)胞對偏振光是左旋，而腫瘤常細(xì)胞對偏振光是左旋，而腫瘤細(xì)胞對偏振光是右旋。細(xì)胞對偏振光是右旋。普通顯微鏡偏光顯微鏡535-5-3 二向色性晶體二向色性晶體 對不同波長，吸收本領(lǐng)不同，透射光有顏色 沿光軸方向入射時(shí)，呈現(xiàn)黑色 二向色性二向色性 垂

24、直于光軸方向的 光振動被吸收 透射光成為偏振光（電氣石電氣石）545-6 散射產(chǎn)生偏振光散射產(chǎn)生偏振光 5-6-1 光的散射光的散射 物質(zhì)微粒對光的反射和折射 呈現(xiàn)光的散射現(xiàn)象 大量微粒不規(guī)則地分布于透明介質(zhì)內(nèi)，當(dāng)微粒濃度增加時(shí) 散射現(xiàn)象愈加明顯55 Rayleigh 散射定律 ：41sI圖示：散射曲線散射強(qiáng)度散射強(qiáng)度Mie 區(qū)區(qū)Rayleigh區(qū)區(qū) 散射分類： Rayleigh散射(分子散射) :微粒的線度 a 入射光波長 56波長越短的光受到的散射越厲害41sI575-6-2 散射光的偏振散射光的偏振 考慮分子散射，分子在入射光的作用下受拍振動， 發(fā)出次級波散射光 散射光也是橫波，振動垂直于傳播方向，因此自然 光入射所激起的散射光，在不同的方向有不同的偏振性 垂直于入射光方向的 散射光為線偏振光； 其它方向的散射光為部分偏振光。 沿原入射光方向前進(jìn) 的散射光為自然光； 當(dāng)陽光射入地球大氣層時(shí)，遇到大氣分子而被散射，在高空沒有多少塵粒子，故以分子當(dāng)陽光射入地球大氣層時(shí)，遇到大氣分子而被散射，在高空沒有多少塵粒子，故以分子散射散射(瑞利散射瑞利散射)為主，散射光的光強(qiáng)與入射光的波長四次方成反比。陽光所含的七種色中，為主，散射光的光強(qiáng)與入射光的波長四次方成反比。陽光所含的七種色中，紫、藍(lán)、青光等的波長短，被分子散射便強(qiáng)烈，而