大學(xué)物理：第12章 光的偏振（Polarization of Light）

1、十二、光的偏振（十二、光的偏振（Polarization of Light） （一）光的偏振現(xiàn)象（一）光的偏振現(xiàn)象 1、偏振是橫波的特性、偏振是橫波的特性ZXYuEu偏振：光矢量只在垂直于傳播方向的平面內(nèi)某一方向偏振：光矢量只在垂直于傳播方向的平面內(nèi)某一方向 振動(dòng)，或某一方向振動(dòng)較強(qiáng)。振動(dòng)，或某一方向振動(dòng)較強(qiáng)。偏振現(xiàn)象是橫波區(qū)別于縱波的重要標(biāo)志。偏振現(xiàn)象是橫波區(qū)別于縱波的重要標(biāo)志。只有橫波有偏振現(xiàn)象。只有橫波有偏振現(xiàn)象。2、自然光、偏振光及其表示、自然光、偏振光及其表示1）、定義：）、定義：E自然光：在垂直于傳播方向的平面上光矢量自然光：在垂直于傳播方向的平面上光矢量 具有各個(gè)方向的振動(dòng)，且振

2、動(dòng)具有各個(gè)方向的振動(dòng)，且振動(dòng) 概率相等，在垂直傳播方向的平面概率相等，在垂直傳播方向的平面 上上 矢量振幅完全相等。矢量振幅完全相等。EEXY偏振光（線偏振光）：在垂直傳播方向的偏振光（線偏振光）：在垂直傳播方向的 平面上，只有一個(gè)確定的方向有平面上，只有一個(gè)確定的方向有 光矢量光矢量 的振動(dòng)。的振動(dòng)。EXY部分偏振光：在垂直傳播方向的平面上，部分偏振光：在垂直傳播方向的平面上， 光矢量光矢量 在某一方向的振動(dòng)較強(qiáng)。在某一方向的振動(dòng)較強(qiáng)。E2）、表示方法：）、表示方法：振動(dòng)面：光矢量的振動(dòng)方向與傳播方向振動(dòng)面：光矢量的振動(dòng)方向與傳播方向 所構(gòu)成的平面。所構(gòu)成的平面。用短線（或雙箭頭）表示紙面內(nèi)

3、的光振動(dòng)；用短線（或雙箭頭）表示紙面內(nèi)的光振動(dòng)；點(diǎn)表示垂直于紙面的振動(dòng)；點(diǎn)表示垂直于紙面的振動(dòng)；疏密程度表示該振動(dòng)方向的振動(dòng)強(qiáng)度。疏密程度表示該振動(dòng)方向的振動(dòng)強(qiáng)度。自然光自然光部分偏振光部分偏振光線偏振光線偏振光3、線偏振光的獲得方法和檢驗(yàn)方法、線偏振光的獲得方法和檢驗(yàn)方法1）、獲得方法：）、獲得方法：（1）起偏法：）起偏法：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。透明玻璃片透明玻璃片

4、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）等材料的簿膜偏振片：偏振片：自然光自然光偏振光偏振光偏振化方向偏振化方向具有豎直偏振方向具有豎直偏振方向的偏振膜。吸收了的偏振膜。吸收了水平方向的光振動(dòng)水平方向的光振動(dòng)（2）反射法：）反射法： 自然光以一定條件入射到兩介質(zhì)界面上，反射光自然光以一定條件入射到兩介質(zhì)界面上，反射光和折射光分別為部分偏振光。和折射光分別為部分偏振光。（3）利用玻璃堆多次反射和折射獲得完全偏振光（線）利用玻璃堆多次反射和折射獲得完全偏振光（線偏振光）。偏振光）。（4）利用雙折射晶體的棱鏡獲得。）利用雙折射晶體的棱鏡獲得。2）、檢驗(yàn)方法：）、檢驗(yàn)方法：

5、 用偏振片檢驗(yàn)用偏振片檢驗(yàn)變暗變暗I0I0/2自然光自然光I0/24、馬呂斯定律、馬呂斯定律 若若P1 P2的偏振化方向間的夾角不為的偏振化方向間的夾角不為0，也不為，也不為90度，度，則出射的光強(qiáng)為多少？則出射的光強(qiáng)為多少？I0I0P1自然光自然光變暗變暗E E/0EP2cos0/EE sin0EE 垂直方向的分量被偏振片吸收，故出射的光強(qiáng)：垂直方向的分量被偏振片吸收，故出射的光強(qiáng)：202202/coscosIEEI或：或：20cosII20cosII馬呂斯定馬呂斯定律律(其中其中 )012II自馬呂斯定律：強(qiáng)度為馬呂斯定律：強(qiáng)度為I0的偏振光透過檢偏振片后的偏振光透過檢偏振片后 強(qiáng)度變?yōu)閺?qiáng)

6、度變?yōu)镮=I0cos2 。（ 為入射的偏振光的振動(dòng)方向與偏振片偏振化方為入射的偏振光的振動(dòng)方向與偏振片偏振化方向間的夾角。）向間的夾角。）（二）反射和折射時(shí)的偏振（二）反射和折射時(shí)的偏振 布儒斯特定律布儒斯特定律 1、反射和折射光中的偏振現(xiàn)象、反射和折射光中的偏振現(xiàn)象1、反射光中垂直振動(dòng)、反射光中垂直振動(dòng) 強(qiáng)于平行的振動(dòng)；強(qiáng)于平行的振動(dòng)；2、折射光中平行的振、折射光中平行的振 動(dòng)強(qiáng)于垂直振動(dòng)；動(dòng)強(qiáng)于垂直振動(dòng)；3、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。in2n1ir實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：2 2、布儒斯特定律（、布儒斯特定律（1812181

7、2年）年）這個(gè)特定的角稱為這個(gè)特定的角稱為 布儒斯特角；布儒斯特角；此時(shí)折射光仍為此時(shí)折射光仍為 部分偏振光；部分偏振光；入射角為起偏振角入射角為起偏振角 時(shí)，反射光與折射時(shí)，反射光與折射 光互相垂直光互相垂直,是完全是完全 偏偏振光振光。n2n10i0r注意：注意：當(dāng)入射角等于一特定角，使反射光與折射光相互當(dāng)入射角等于一特定角，使反射光與折射光相互垂直時(shí)垂直時(shí),反射光只有垂直于入射面的振動(dòng)而無平行反射光只有垂直于入射面的振動(dòng)而無平行于入射面的振動(dòng)。于入射面的振動(dòng)。0201sinsininrn0090ir又002021001sinsincossiniintginirn解決辦法：多次反射解決辦法

8、：多次反射 和折射。和折射。玻璃堆：玻璃堆：0i問題：問題：1）反射光強(qiáng)一般）反射光強(qiáng)一般 較??；較??；0i2）折射光仍為部）折射光仍為部 分偏振光。分偏振光。n2n10i0r3、通過反射與折射獲得偏振光、通過反射與折射獲得偏振光*（三）雙折射（三）雙折射（Double Refraction）1、雙折射、尋常光和非常光、雙折射、尋常光和非常光自然光透射在晶體界面上而折射，自然光透射在晶體界面上而折射，晶體內(nèi)晶體內(nèi)的折射光分為的折射光分為兩束光，此現(xiàn)象稱兩束光，此現(xiàn)象稱雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象。自然光自然光O光光e光光方解石方解石原因：原因：光學(xué)各向異光學(xué)各向異性性：光在許多晶體：光在許多晶體中的傳

9、播速度和光中的傳播速度和光的傳播方向與振動(dòng)的傳播方向與振動(dòng)方向有關(guān)。方向有關(guān)。1 1）、尋常光和非尋常光（）、尋常光和非尋常光（16871687年惠更斯研究）年惠更斯研究）（1）兩束光均是偏振光，一束叫尋常光（）兩束光均是偏振光，一束叫尋常光（O光），光）， 一束一束叫非尋常光（叫非尋常光（e光）光） （2）O光遵守折射定律，而光遵守折射定律，而e光不遵守所知的折射定律。光不遵守所知的折射定律。2）、晶體的光軸）、晶體的光軸光軸光軸-當(dāng)光在晶體中傳播時(shí)，不發(fā)生雙折射的方向。當(dāng)光在晶體中傳播時(shí)，不發(fā)生雙折射的方向。787868102光軸光軸光軸僅代表一個(gè)方向，與光軸僅代表一個(gè)方向，與OO平行的線

10、都是光軸。平行的線都是光軸。有兩個(gè)光軸的晶體稱有兩個(gè)光軸的晶體稱雙軸晶體雙軸晶體（云母、硫磺等）（云母、硫磺等）僅有一個(gè)光軸的晶體稱僅有一個(gè)光軸的晶體稱單軸晶單軸晶體體（如方解石、石英）（如方解石、石英）oo3）、主截面、主平面）、主截面、主平面主截面：晶面法線與光軸組成的平面。主截面：晶面法線與光軸組成的平面。主平面：任一已知光線與光軸組成的平面。主平面：任一已知光線與光軸組成的平面。注意：注意：（1）一般）一般o光主平面與光主平面與e光主平面不重合光主平面不重合（2）o光的振動(dòng)方向與主平面垂直，光的振動(dòng)方向與主平面垂直，e光的振動(dòng)方向在主光的振動(dòng)方向在主 平面內(nèi)平面內(nèi)（3）入射面與主截面重

11、合時(shí)，讓光垂直于光軸入射，對）入射面與主截面重合時(shí)，讓光垂直于光軸入射，對不同的晶體，不同的晶體， e光折射率：光折射率： n e可以可以也可也可也可也可v0evv 0正晶體正晶體-負(fù)晶體負(fù)晶體-evv 0光軸光軸正晶體正晶體負(fù)晶體負(fù)晶體o光光e光光光軸光軸evv 0正晶體正晶體-負(fù)晶體負(fù)晶體-evv 0o光光e光光晶體晶體光軸光軸光軸光軸（負(fù)晶體）（負(fù)晶體）1）入射面與主截面平行的情況）入射面與主截面平行的情況A）光軸與晶體表面有一夾角（斜入射）光軸與晶體表面有一夾角（斜入射）2、用惠更斯原理解釋雙折射現(xiàn)象、用惠更斯原理解釋雙折射現(xiàn)象（負(fù)晶體）（負(fù)晶體）2）入射面與主截面平行的情況）入射面與

12、主截面平行的情況B）光軸與晶體表面有一夾角（正入射）光軸與晶體表面有一夾角（正入射）自然光自然光光軸光軸（負(fù)晶體）（負(fù)晶體）C）光軸與晶體表面平行（正入射）光軸與晶體表面平行（正入射）自自然然光光o光光e光光光軸光軸O e二光通過厚度二光通過厚度d晶體的光程差：晶體的光程差：dnnoe)(4/2/四分之一波片四分之一波片二分之一波片（半波片）二分之一波片（半波片）結(jié)論：結(jié)論：evv 0enn 0有雙折射。有雙折射。自自然然光光o光光e光光光軸光軸（負(fù)晶體）（負(fù)晶體）D）光軸與晶體表面垂直（正入射）光軸與晶體表面垂直（正入射）o光光e光光光軸光軸自然光自然光負(fù)晶體負(fù)晶體o光光e光光光軸光軸光軸光

13、軸A）光軸與晶體表面平行（斜入射）光軸與晶體表面平行（斜入射）（負(fù)晶體）（負(fù)晶體）3）入射面與主截面垂直的情況）入射面與主截面垂直的情況沿光軸方沿光軸方向觀察向觀察AABCC3、利用雙折射產(chǎn)生偏振光的裝置、利用雙折射產(chǎn)生偏振光的裝置自然光自然光光軸光軸6871尼科爾棱鏡（尼科爾棱鏡（WNicol 1928年）年）no=1.658ne=1.486o光光e光光n加拿大加拿大=1.550O光以光以76入射到加拿大樹膠，產(chǎn)生入射到加拿大樹膠，產(chǎn)生全反射后被吸收。全反射后被吸收。7670658. 1550. 1arcsin臨介ie光出射成為偏振光光出射成為偏振光AC方解石方解石ADCB可用于起偏和檢偏可

14、用于起偏和檢偏（a）S0（b）S02（c）S2表示兩尼科耳棱鏡主截面的夾角表示兩尼科耳棱鏡主截面的夾角（*四）橢圓偏振光和圓偏振光四）橢圓偏振光和圓偏振光 偏振光的干涉偏振光的干涉1、波片：光軸平行于晶面的雙折射晶體的薄片。、波片：光軸平行于晶面的雙折射晶體的薄片。2、（、（1）當(dāng)偏振光的振動(dòng)面與波片的光軸成）當(dāng)偏振光的振動(dòng)面與波片的光軸成 角角 入射到厚度為入射到厚度為l的波片內(nèi)分成的波片內(nèi)分成o、e 兩光；兩光的頻率相同、周相差恒定、振動(dòng)方向兩光；兩光的頻率相同、周相差恒定、振動(dòng)方向 相互垂直。相互垂直。 （2）o、e兩光的光程差為兩光的光程差為 o、e兩光的相位差為兩光的相位差為 ()o

15、ennl2()oennl000 ,903、橢圓偏振光、橢圓偏振光:線偏振光通過晶片后產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象得到線偏振光通過晶片后產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象得到 o、e兩光，兩光， o、e兩光的合成光矢量的末端兩光的合成光矢量的末端 軌跡為橢圓。（軌跡為橢圓。（ o、e光振幅不相等）光振幅不相等） 圓偏振光：合成光矢量的末端軌跡為圓。（圓偏振光：合成光矢量的末端軌跡為圓。（ o、e光振光振 幅相等）幅相等）線偏振光通過線偏振光通過 片后，其合成光為線偏振光，但振動(dòng)片后，其合成光為線偏振光，但振動(dòng)方向相對于原入射光振動(dòng)方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度。方向相對于原入射光振動(dòng)方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度。24、（、（1）二分之一波片（）二分之一波

16、片（ 片）：片）： 能使能使o、e兩光周相差為兩光周相差為 或或 的奇數(shù)倍（即光的奇數(shù)倍（即光 程差為程差為 或或 的奇數(shù)倍）的晶體。的奇數(shù)倍）的晶體。222（2）四分之一波片（）四分之一波片（ 片）：片）：4當(dāng)入射偏振光的振向與晶片光軸成當(dāng)入射偏振光的振向與晶片光軸成 時(shí)，時(shí)， 片片可以使入射偏振光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)可以使入射偏振光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn) 。222能使能使o、e兩光周相差為兩光周相差為 或或 的奇數(shù)倍（即光程差為的奇數(shù)倍（即光程差為 ）的晶體。）的晶體。242線偏振光通過線偏振光通過 片后，合成光為橢圓偏振光，若片后，合成光為橢圓偏振光，若 ，o、e兩光振幅相等，則合成為圓偏振光。兩光振幅相等，則合成為圓偏振光。40455、偏振光的干涉：、偏振光的干涉：S2光軸光軸12主截面主截面AoA2oAeA2eA進(jìn)入晶片前進(jìn)入晶片前o、e光相位差為光相位差為0；經(jīng)過晶片后經(jīng)過晶片后o、e光相位差為：光相位差為：2()oennl12主截面主截面AoA2oAeA2eA經(jīng)過第二個(gè)尼科耳棱鏡（或偏振片）后：經(jīng)過第二個(gè)尼科耳棱鏡（或偏振片）后：22cossincossincos sinooee