大學(xué)物理第8章

1、18.1 光的偏振態(tài)光的偏振態(tài)8.2 偏振片的偏振片的起偏和檢偏起偏和檢偏8.3 反射和折射的偏振反射和折射的偏振 8.4 光的雙折射光的雙折射光的偏振光的偏振（polarization of light）2光的干涉和衍射現(xiàn)象顯示了光的波動(dòng)特性，但還不能完全光的干涉和衍射現(xiàn)象顯示了光的波動(dòng)特性，但還不能完全斷定光是縱波還是橫波。斷定光是縱波還是橫波。 光的偏振現(xiàn)象從實(shí)驗(yàn)上清楚地顯示出光的橫波性，這一點(diǎn)與光的偏振現(xiàn)象從實(shí)驗(yàn)上清楚地顯示出光的橫波性，這一點(diǎn)與光的電磁理論的預(yù)言一致。光的電磁理論的預(yù)言一致。 偏振偏振光波電矢量振動(dòng)的空間分布對(duì)于光的傳播方向光波電矢量振動(dòng)的空間分布對(duì)于光的傳播方向失去

2、對(duì)稱性的現(xiàn)象。只有橫波才能產(chǎn)生偏振失去對(duì)稱性的現(xiàn)象。只有橫波才能產(chǎn)生偏振 現(xiàn)象，故光現(xiàn)象，故光的偏振是光的波動(dòng)性的又一例證。的偏振是光的波動(dòng)性的又一例證。 利用光的偏振現(xiàn)象發(fā)明了立體電影，照相技術(shù)中用于消除利用光的偏振現(xiàn)象發(fā)明了立體電影，照相技術(shù)中用于消除不必要的反射光或散射光。光在晶體中的傳播與偏振現(xiàn)象不必要的反射光或散射光。光在晶體中的傳播與偏振現(xiàn)象密切相關(guān)，利用偏振現(xiàn)象可了解晶體的光學(xué)特性，制造用密切相關(guān)，利用偏振現(xiàn)象可了解晶體的光學(xué)特性，制造用于測(cè)量的光學(xué)器件，以及提供諸如巖礦鑒定、光測(cè)彈性及于測(cè)量的光學(xué)器件，以及提供諸如巖礦鑒定、光測(cè)彈性及激光調(diào)制等技術(shù)手段。激光調(diào)制等技術(shù)手段。 3

3、光是電磁波在人眼視覺范圍內(nèi)的波段光是電磁波在人眼視覺范圍內(nèi)的波段400nm 760nm。對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫光。紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫光。電磁波是橫波電磁波是橫波研究光的振動(dòng)方向的特性即光的偏振性。研究光的振動(dòng)方向的特性即光的偏振性。光的生理作用、感光現(xiàn)象，實(shí)際是電矢量在起作用光的生理作用、感光現(xiàn)象，實(shí)際是電矢量在起作用 即是電場(chǎng)強(qiáng)度即是電場(chǎng)強(qiáng)度E 矢量。矢量。 1 光的偏振態(tài)光的偏振態(tài)4000紫紫7600紅紅4簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化合成兩個(gè)相互垂合成兩個(gè)相互垂直的方向直的方向. .紙紙面面內(nèi)內(nèi)的的光光振振動(dòng)動(dòng)垂垂直直紙紙面面的的光光振振動(dòng)動(dòng) |均均等等分分布布。對(duì)對(duì)自自然然光光 偏偏振振

4、光光部分偏振光部分偏振光完全（線）偏振光完全（線）偏振光E E沒有優(yōu)勢(shì)方向沒有優(yōu)勢(shì)方向自然光的分解自然光的分解5某些物質(zhì)對(duì)于光的互相垂直的分振動(dòng)具有選擇吸收的性能某些物質(zhì)對(duì)于光的互相垂直的分振動(dòng)具有選擇吸收的性能二二向向色色性性人造偏振片人造偏振片偏振化方向偏振化方向容許光容許光振動(dòng)矢量通過的方向振動(dòng)矢量通過的方向。自然光通過偏振片自然光通過偏振片偏振光偏振光起偏起偏明明明明,但減弱但減弱=/2暗暗如果入射光是部分偏振光如果入射光是部分偏振光,旋轉(zhuǎn)偏振片旋轉(zhuǎn)偏振片,透射光有明暗變化透射光有明暗變化,但但不會(huì)出現(xiàn)全暗不會(huì)出現(xiàn)全暗;入射光是自然光入射光是自然光,透射光無明暗變化透射光無明暗變化.檢

5、偏檢偏.2 偏振片的偏振片的起偏和檢偏起偏和檢偏6起偏和檢偏起偏和檢偏7.2cosIII00線偏振光，透射光強(qiáng)強(qiáng)度為證證:0NM偏振片的偏振化方向。是其振幅。入射光振動(dòng)方向，ONAOM0將將A0分解成分解成A0cos A0sin A0A0cos A0sin （透射光振幅）的光矢量分量能通過只有平行于AcosAON0設(shè)：透射光強(qiáng)設(shè)：透射光強(qiáng)I，入射光強(qiáng)，入射光強(qiáng)I02AI2202202020coscosAAAAII20cosII 馬呂斯定律馬呂斯定律8例：例：有兩塊偏振片有兩塊偏振片A和和B,偏振化方向的夾角為偏振化方向的夾角為600。(1)入射光入射光是自然光是自然光,設(shè)偏振片無吸收設(shè)偏振片無

6、吸收,求穿過求穿過A和和B后的透射光與入射后的透射光與入射光的光強(qiáng)比光的光強(qiáng)比;(2)入射光是線偏振光入射光是線偏振光,振動(dòng)方向與第一塊偏振振動(dòng)方向與第一塊偏振片的偏振化方向的夾角為片的偏振化方向的夾角為300,求穿過求穿過A,B后透射光與入射光后透射光與入射光的光強(qiáng)比的光強(qiáng)比;(3)如果偏振片的吸收系數(shù)為如果偏振片的吸收系數(shù)為0.1,再求再求(2)的結(jié)果的結(jié)果.N1N2600I0I1I2解解:(1)自然光通過偏振片自然光通過偏振片A,光強(qiáng)被光強(qiáng)被吸收一半吸收一半,有有:.I21I01 .81III8160cosI21I0200202 ，020130cosII )2( 02020021260c

7、os30cosI60cosII 163II02 ）（考考慮慮吸吸收收1 . 0130cos)3(0201II, ) 1 . 01 (60cosII0212 %2 .15II02 9i n1n23 反射和折射的偏振反射和折射的偏振 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):反射光和折射光一般都是部分反射光和折射光一般都是部分偏振光偏振光,反射光中垂直于入射面反射光中垂直于入射面的光振動(dòng)占優(yōu)的光振動(dòng)占優(yōu).折射光中平行于折射光中平行于入射面的光振動(dòng)占優(yōu)入射面的光振動(dòng)占優(yōu).n1n2i0 當(dāng)當(dāng) i為某一入射角為某一入射角i0時(shí)，時(shí)，反射光成為完全偏振光反射光成為完全偏振光。120nntgi 布儒斯特定律布儒斯特定律10兩個(gè)相關(guān)

8、結(jié)論兩個(gè)相關(guān)結(jié)論1.入射角為入射角為i0時(shí)，折射光與反射光垂直時(shí)，折射光與反射光垂直。證：證：) 1 (120201sinnnsinisinnsinin)2(120nntgi0cossin:2,1i）有（）聯(lián)立（20i2.n1水水n2玻璃玻璃i000)2(ctgiitgtg120nntgi 2101nntgi所以，光從玻璃向水界面入射時(shí)的布儒斯特所以，光從玻璃向水界面入射時(shí)的布儒斯特角就是光從水向玻璃界面入射時(shí)的折射角角就是光從水向玻璃界面入射時(shí)的折射角。光從水向玻璃界面入射時(shí)的布儒斯特角為光從水向玻璃界面入射時(shí)的布儒斯特角為i0，問光從玻璃向水界面入射時(shí)的布儒斯特角為問光從玻璃向水界面入射時(shí)

9、的布儒斯特角為多少多少？11玻璃堆玻璃堆光從空氣射向玻璃光從空氣射向玻璃012057)15 .1()(arctgnnarctgi線偏振光線偏振光bi124 光的雙折射光的雙折射 一束入射光經(jīng)某些晶體折射后可分成兩束光線一束入射光經(jīng)某些晶體折射后可分成兩束光線的現(xiàn)象稱為雙折射。的現(xiàn)象稱為雙折射。1. 尋常光和非常光尋常光和非常光 實(shí)驗(yàn)表明，雙折射現(xiàn)象中的兩束折實(shí)驗(yàn)表明，雙折射現(xiàn)象中的兩束折射光線都是射光線都是線偏振光，分別稱為尋常光線偏振光，分別稱為尋常光和非常光和非常光。n1n2irore(各向異各向異性媒質(zhì)性媒質(zhì))自然光自然光o光光e光光尋常光（尋常光（o o光）：光）： 遵從折射定律遵從折

10、射定律oninsinsin21非常光（非常光（e e光）光）: : 一般不遵從折射定律一般不遵從折射定律常數(shù)eisin/sin折射面與入射面不一定重合。折射面與入射面不一定重合。 13用偏振片檢查用偏振片檢查o光和光和e光，發(fā)現(xiàn)它們都是偏振光，但振動(dòng)方光，發(fā)現(xiàn)它們都是偏振光，但振動(dòng)方向不一樣，為了便于描述向不一樣，為了便于描述o光和光和e光的偏振情況及其相互關(guān)光的偏振情況及其相互關(guān)系，需要引入幾個(gè)與晶體有關(guān)的概念。系，需要引入幾個(gè)與晶體有關(guān)的概念。（1）光軸光軸o光在晶體中各方向上速度相同光在晶體中各方向上速度相同,折射率折射率n=c/u相同相同;e光各向速度不同光各向速度不同,折射率折射率不

11、同不同.在晶體中有一個(gè)確定的在晶體中有一個(gè)確定的方向方向, o光和光和e光沿此方向傳播速光沿此方向傳播速度相等度相等,折射率相等折射率相等,不發(fā)生雙折射不發(fā)生雙折射.o光折射率光折射率:ocn0e光折射率光折射率:ecen注意：光軸僅標(biāo)志一定的方向，并不限于某一條特殊的直線。注意：光軸僅標(biāo)志一定的方向，并不限于某一條特殊的直線。雙折射的實(shí)質(zhì)是雙折射的實(shí)質(zhì)是o光和光和e光在晶體中的傳播速度不同。光在晶體中的傳播速度不同。14給出兩個(gè)給出兩個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)：實(shí)驗(yàn)事實(shí)：1 ) 在光軸方向在光軸方向 e光的速度等于光的速度等于o 光速度，即光速度，即等于等于vo2 ) 在垂直光軸方向在垂直光軸方向 o 光光

12、e 光兩個(gè)速度差別最大光兩個(gè)速度差別最大; 與與o 光速度差別最大的速度記做光速度差別最大的速度記做ve, 且且ve為常數(shù)。為常數(shù)。v0 ve并且有以下兩種情況并且有以下兩種情況（2）負(fù)晶與正晶負(fù)晶與正晶凡屬凡屬v0 ne）晶體稱為負(fù)晶。晶體稱為負(fù)晶。凡屬凡屬v0 ve ，（即，（即n0 ne） 晶體稱為正晶。晶體稱為正晶。定義：定義： eevcn 為晶體對(duì)為晶體對(duì)e光的主折射率，即光的主折射率，即e光光在垂直于光軸方向的折射率。在垂直于光軸方向的折射率。 15方解石方解石 1.4864 1.6584石英石英 1.5534 1.5443（對(duì)波長(zhǎng)為（對(duì)波長(zhǎng)為589.3納米的鈉黃光）納米的鈉黃光）

13、enon方解石晶體（負(fù)晶）方解石晶體（負(fù)晶）CaCO3石英（正晶）石英（正晶）16光軸在入射面內(nèi)光軸在入射面內(nèi)光軸垂直入射面光軸垂直入射面o 光的子波面光的子波面 一定是球面一定是球面e 光的子波面光的子波面 肯定不是球面肯定不是球面 是什么樣呢是什么樣呢?o o光的子波面光的子波面e e光的子波面光的子波面e光的子波面是以光軸為軸的旋轉(zhuǎn)橢球面光的子波面是以光軸為軸的旋轉(zhuǎn)橢球面v0 veo光在晶體中各方向上速度相同光在晶體中各方向上速度相同, e光各向速度不同。光各向速度不同。思考思考在垂直光軸方向在垂直光軸方向, o 光光e 光兩個(gè)速度差別最大光兩個(gè)速度差別最大.e光垂直于光軸方向傳播時(shí)，光

14、垂直于光軸方向傳播時(shí)，ve為常數(shù)。為常數(shù)。17 O光振動(dòng)方向垂直于該光線（在晶體光振動(dòng)方向垂直于該光線（在晶體中）與光軸組成的平面。中）與光軸組成的平面。 e 光振動(dòng)方向平行于該光線（在晶體中）光振動(dòng)方向平行于該光線（在晶體中）與光軸組成的平面。與光軸組成的平面。O光振動(dòng)方向垂直于主平面。光振動(dòng)方向垂直于主平面。e 光振動(dòng)方向在主平面內(nèi)。光振動(dòng)方向在主平面內(nèi)。(3) 主平面主平面光線與光軸組成的平面叫該光線的主平面光線與光軸組成的平面叫該光線的主平面181.尼科爾棱鏡的構(gòu)造尼科爾棱鏡的構(gòu)造如圖取長(zhǎng)度適當(dāng)?shù)姆浇馐w如圖取長(zhǎng)度適當(dāng)?shù)姆浇馐w, ,將其兩端的天然晶面將其兩端的天然晶面加以適當(dāng)研磨加以適當(dāng)研磨, ,將晶體剖開將晶體剖開, ,再用加拿大樹膠將剖面粘再用加拿大樹膠將剖面粘合構(gòu)成一長(zhǎng)方形棱鏡。合構(gòu)成一長(zhǎng)方形棱鏡。2.尼科爾棱鏡原理尼科爾棱鏡原理利用棱鏡的雙折射現(xiàn)象利用棱鏡的雙折射現(xiàn)象, ,將一束自然光分成尋常光和非常光將一束自然光分成尋常光和非常光, ,然后利用全反射原理把尋常光反射到棱鏡側(cè)壁上然后利用全反射原理把尋常光反射到棱鏡側(cè)壁上, ,只讓非常只讓非常光通過棱鏡光通過棱鏡, ,從面而獲得一束振動(dòng)方向固定的線偏振光。從面而獲得一束振動(dòng)方向固定的線偏振光。5. 晶體偏振器件晶體偏振器件1948o22o68oO光光e光光e光光加拿大樹膠加拿大樹膠n=1.550光軸光軸e光光