大學(xué)物理學(xué)_第3版_第14章光的偏振(20131128改編)

1、光的干涉、衍射光的干涉、衍射 光的光的波動性波動性光的偏振光的偏振 光波是光波是一、橫波的偏振性一、橫波的偏振性1. 振動面振動面2. 偏振偏振（1）縱波）縱波振動方向與傳播方向組成的平面振動方向與傳播方向組成的平面（2）橫波）橫波波的振動方向相對傳播方向具有對稱性波的振動方向相對傳播方向具有對稱性波的振動方向相對傳播方向是不對稱的波的振動方向相對傳播方向是不對稱的振動面振動面振動面振動面CC縱波縱波橫波橫波3機(jī)械橫波與縱波的區(qū)別機(jī)械橫波與縱波的區(qū)別機(jī)械波穿過狹縫機(jī)械波穿過狹縫振動方向振動方向相對傳播方向相對傳播方向的不對稱性的不對稱性電磁波（光波）有偏振現(xiàn)象，所以電磁波是橫波電磁波（光波）有

2、偏振現(xiàn)象，所以電磁波是橫波橫波：橫波： 振動方向相對傳播方向是不對稱的振動方向相對傳播方向是不對稱的縱波：振動方向相對傳播方向具有對稱性縱波：振動方向相對傳播方向具有對稱性2. 偏振偏振只有橫波才有偏振，縱波沒有，這是縱波和橫波最顯著的區(qū)別只有橫波才有偏振，縱波沒有，這是縱波和橫波最顯著的區(qū)別二、自然光二、自然光自然光自然光 ：一般光源發(fā)出的光，包含各個方向的光矢量，在所有：一般光源發(fā)出的光，包含各個方向的光矢量，在所有 可能的方向上的振幅都相等可能的方向上的振幅都相等 。自然光的分解自然光的分解: : 自然光可自然光可沿任意方向沿任意方向分解為兩個分解為兩個相互垂直、相互垂直、 振幅相等、互

3、不相干振幅相等、互不相干的線偏振光。的線偏振光。I0I020I20Iyx即使是橫波，在垂直光傳播方向上的平面內(nèi)，振動方向仍然即使是橫波，在垂直光傳播方向上的平面內(nèi)，振動方向仍然不確定，根據(jù)光振動方向不同，可把光分成五種：自然光、線不確定，根據(jù)光振動方向不同，可把光分成五種：自然光、線偏振光、部分偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光。偏振光、部分偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光。面對光線看面對光線看二、自然光二、自然光自然光的分解自然光的分解: : 自然光可自然光可沿任意方向沿任意方向分解為兩個分解為兩個相互垂直、相互垂直、 振幅相等、互不相干振幅相等、互不相干的線偏振光。的線偏振光。光強(qiáng)光強(qiáng):I0I020

4、I20Iyx20IIIyx 1. 每個方向上的光強(qiáng)都是自然光光強(qiáng)的一半每個方向上的光強(qiáng)都是自然光光強(qiáng)的一半20I0 xyIII 2. 兩個方向光強(qiáng)是非相干疊加兩個方向光強(qiáng)是非相干疊加3.自然光示意圖中自然光示意圖中點子與短線交替均勻，點子與短線交替均勻，表示自然光光矢量分布對稱、均勻。表示自然光光矢量分布對稱、均勻。自然光示意圖自然光示意圖 總結(jié)：總結(jié)：面對光線看面對光線看線偏振光線偏振光：在光傳播過程中，光矢量在光傳播過程中，光矢量 E 始終保持沿始終保持沿 某一個固定方向振動。某一個固定方向振動。三、線偏振光三、線偏振光E播播傳傳方方向向振振動動面面面對光線看面對光線看線偏振光的示意圖：線

5、偏振光的示意圖： 光振動方向垂直屏幕面光振動方向垂直屏幕面光振動方向平行屏幕面光振動方向平行屏幕面線偏振光也可以沿兩個相互垂直的方向分解線偏振光也可以沿兩個相互垂直的方向分解xyExEyE0 sincos00EEEEyx 四、四、 部分偏振光部分偏振光部分偏振光：部分偏振光：在垂直于光傳播方向的在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，沿各方向的光振動都有，振平面內(nèi)，沿各方向的光振動都有，振幅大小不同，幅大小不同，某一方向的光振動比與某一方向的光振動比與之垂直方向上的光振動占優(yōu)勢之垂直方向上的光振動占優(yōu)勢 .部分偏振光的示意圖部分偏振光的示意圖部分偏振光分解部分偏振光分解部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏

6、振光可以看成自然光和線偏振光的疊加（混合光）可以看成自然光和線偏振光的疊加（混合光） pbIII 0=部分偏振光部分偏振光自然光自然光+線偏振光線偏振光在垂直屏幕內(nèi)的光振動較強(qiáng)在垂直屏幕內(nèi)的光振動較強(qiáng)在屏幕內(nèi)的光振動較強(qiáng)在屏幕內(nèi)的光振動較強(qiáng)一、偏振片的起偏和檢偏一、偏振片的起偏和檢偏二向色性二向色性: 有些物質(zhì)對某一方向的光矢量有強(qiáng)烈的吸收，而對有些物質(zhì)對某一方向的光矢量有強(qiáng)烈的吸收，而對 與之垂直方向的光矢量吸收很少。與之垂直方向的光矢量吸收很少。這種性質(zhì)稱二這種性質(zhì)稱二 向色性向色性 .偏振片偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片：涂有二向色性材料的透明薄片 .偏振化方向偏振化方向 ： 自然光

7、照射在偏振片自然光照射在偏振片上時，它只讓某一特定方向的光通上時，它只讓某一特定方向的光通過，這個方向叫此偏振片的偏振化過，這個方向叫此偏振片的偏振化方向方向 （透光軸）。（透光軸）。自然光自然光線偏振光線偏振光偏振片上能透光的方向偏振片上能透光的方向 立體電影立體電影 在拍攝玻璃窗內(nèi)的物體時，在鏡頭上裝上偏振片，在拍攝玻璃窗內(nèi)的物體時，在鏡頭上裝上偏振片，去掉反射光的干擾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檢偏器檢偏器起偏器起偏器起偏：從自然光獲得偏振光起偏：從自然光獲得偏振光檢偏檢偏: 檢驗偏振光檢驗偏振光自然光自然光線偏振光線偏振光自然光自然光偏振片偏振片屏屏線偏振光線偏

8、振光光源光源P1討論：討論：透射光是線偏振光透射光是線偏振光透射線偏振光的光強(qiáng)透射線偏振光的光強(qiáng):(1) 自然光自然光入射入射 I0P1 緩慢轉(zhuǎn)動緩慢轉(zhuǎn)動201II I0I0 /2線偏振光線偏振光振動方向隨振動方向隨 P1偏振化方向改變偏振化方向改變透射光光強(qiáng)透射光光強(qiáng) 不變不變201II P1P2透射光是線偏振光透射光是線偏振光(2) 線偏振光線偏振光入射入射P2緩慢轉(zhuǎn)動緩慢轉(zhuǎn)動討論：討論：I1I2透射透射光強(qiáng)光強(qiáng) I2 及振動方向都隨及振動方向都隨 P2 偏振化方向改變偏振化方向改變有消光現(xiàn)象有消光現(xiàn)象P2 轉(zhuǎn)動一周，透射光強(qiáng)轉(zhuǎn)動一周，透射光強(qiáng)有兩次最強(qiáng)，兩次消光。有兩次最強(qiáng)，兩次消光。線

9、偏振光線偏振光偏振片偏振片屏屏P2I1I2P2 緩慢轉(zhuǎn)動緩慢轉(zhuǎn)動(3) 部分偏振光部分偏振光入射入射透射光是線偏振光透射光是線偏振光討論：討論：透射透射光強(qiáng)光強(qiáng) I2及振動方向都隨及振動方向都隨 P2偏振化方向改變偏振化方向改變沒有消光現(xiàn)象沒有消光現(xiàn)象P1P2I1I2P2 轉(zhuǎn)動一周，透射光強(qiáng)轉(zhuǎn)動一周，透射光強(qiáng)有兩次最強(qiáng)，兩次最弱，有兩次最強(qiáng)，兩次最弱，但沒有消光現(xiàn)象。但沒有消光現(xiàn)象。問題：問題：入射光分別是自然光、線偏振光、入射光分別是自然光、線偏振光、 或部分偏振光，用偏振片如何區(qū)或部分偏振光，用偏振片如何區(qū) 分它們？分它們？ 檢偏器檢偏器PI2I1偏振片轉(zhuǎn)一周偏振片轉(zhuǎn)一周透光軸透光軸有消光

10、有消光線偏光線偏光部分偏光部分偏光強(qiáng)度變化，沒有消光強(qiáng)度變化，沒有消光自然光自然光強(qiáng)度不變強(qiáng)度不變線偏振光，線偏振光，兩次最強(qiáng)，兩次最弱，兩次最強(qiáng)，兩次最弱，但沒有消光現(xiàn)象。但沒有消光現(xiàn)象。線偏振光線偏振光兩次最強(qiáng)，兩次消光。兩次最強(qiáng)，兩次消光。線偏振光線偏振光201II 1P1max20III ， 02 I， 消光消光透射光的振幅：透射光的振幅：I2 = I1 cos2 馬呂斯定律馬呂斯定律。二、二、 馬呂斯定律馬呂斯定律I2 線偏振光線偏振光 sin1E cos1E1E透射光的光強(qiáng)：透射光的光強(qiáng)： cos12EE 212cosII 透射光強(qiáng)最強(qiáng)透射光強(qiáng)最強(qiáng) I1線偏振光線偏振光檢偏器檢偏器

11、P討論：討論：注意：注意：1. 入射光必須是線偏振光，不是自然光；入射光必須是線偏振光，不是自然光；I2 = ？2. 理想偏振片，無吸收理想偏振片，無吸收2EI P194 例例14-1 一束光由自然光和線偏振光混合而成，當(dāng)它通過偏振一束光由自然光和線偏振光混合而成，當(dāng)它通過偏振片時，發(fā)現(xiàn)透射光的光強(qiáng)依賴偏振片透光軸方向的取向可變化片時，發(fā)現(xiàn)透射光的光強(qiáng)依賴偏振片透光軸方向的取向可變化5倍，求：入射光束中兩種成分的光的相對強(qiáng)度。倍，求：入射光束中兩種成分的光的相對強(qiáng)度。I0I1IP120I10I解：解：透射光最大光強(qiáng)：透射光最大光強(qiáng)：透射光最小光強(qiáng)：透射光最小光強(qiáng)：10max2III 20max

12、II 10III 012II 由由式式得：得：代入代入式式IIII32,3110 522010 IIII1I2P2P1I3 90o90o- 解：解： 至少要至少要2塊偏振片塊偏振片)90(cos223 oII 212cosII 2sin4213II 透透射射光光強(qiáng)強(qiáng)最最大大時時當(dāng)當(dāng),45o 41max3III P194 例例14-2要使一束線偏振光通過偏振片后振動方向轉(zhuǎn)過要使一束線偏振光通過偏振片后振動方向轉(zhuǎn)過90，至少需要讓這束光通過幾塊理想偏振片？在此情況下，透射光至少需要讓這束光通過幾塊理想偏振片？在此情況下，透射光強(qiáng)最大是原來光強(qiáng)的多少倍？強(qiáng)最大是原來光強(qiáng)的多少倍？ 2213sinco

13、sII IxI2 = I1 cos2 P191 例例20-1 兩塊性質(zhì)完全相同的偏振片兩塊性質(zhì)完全相同的偏振片P1、P2平行放置，其平行放置，其通光方向通光方向L1、L2間夾角為間夾角為 。光強(qiáng)為。光強(qiáng)為I0的自然光垂直入射，的自然光垂直入射，經(jīng)第一塊偏振片后的光強(qiáng)為經(jīng)第一塊偏振片后的光強(qiáng)為0.32I0，求經(jīng)過第二塊偏振片后的，求經(jīng)過第二塊偏振片后的出射光強(qiáng)。出射光強(qiáng)。6 解：解：201II 64.050.032.000 II 通過通過P2后的出射光強(qiáng)后的出射光強(qiáng)02021215.06cos32.064.0cosIIII 偏振片有吸收，透過率偏振片有吸收，透過率 I2I1 =0.32 I0P2

14、L2I0P1L1L11. 1. 實驗實驗反射光中反射光中, ,垂直入射面的光振動多于垂直入射面的光振動多于平行入射面的光振動。平行入射面的光振動。入射角入射角 i 改改變變, , 反射、折射光的偏反射、折射光的偏振程度也改變。振程度也改變。Sin2n1折射光中折射光中, ,平行入射面的光振動多于平行入射面的光振動多于垂直入射面的光振動。垂直入射面的光振動。RiRSiin2n12 Si iRRSRi0i02. 布儒斯特定律布儒斯特定律（1）當(dāng)入射角）當(dāng)入射角 i = i0 時，反時，反射光線是線偏振光。射光線是線偏振光。i0 布儒斯特角布儒斯特角(或或起偏角起偏角)（2）當(dāng)）當(dāng) i = i0 時

15、，折射光線與時，折射光線與反射光線相互垂直。反射光線相互垂直。20 i02201cossinsininnin 120tannni 布儒斯特定律布儒斯特定律2 線偏振光線偏振光自然光自然光部分偏振光部分偏振光介質(zhì)材料表面上時，檢驗出的反射光是線介質(zhì)材料表面上時，檢驗出的反射光是線偏振光，求該介質(zhì)的折射率。偏振光，求該介質(zhì)的折射率。P196例例14.3 利用布儒斯特定律可以測定不透明介質(zhì)的折射率利用布儒斯特定律可以測定不透明介質(zhì)的折射率 ，當(dāng)，當(dāng)一束平行自然光從空氣中以一束平行自然光從空氣中以58o角入射到某種角入射到某種例例: 若若 n1=1.00 (空氣空氣)，n2=1.50 (玻璃玻璃)?？?/p>

16、氣空氣 玻璃玻璃，185600.150.1tano0 arei解：解：6 .158tano12 nn120tannni 問題：自然光從空氣問題：自然光從空氣玻璃玻璃n2n1SRi0i0I0IR%5 .920 IIR反射光是線偏振光，但光強(qiáng)很弱。反射光是線偏振光，但光強(qiáng)很弱。%5 . 70 IIR折射光光強(qiáng)很強(qiáng)，但是部分偏振光，偏振化程度低。折射光光強(qiáng)很強(qiáng)，但是部分偏振光，偏振化程度低。接近線偏振光接近線偏振光3.玻璃片堆玻璃片堆P214 習(xí)題習(xí)題 14-3 一束光入射到兩種透明介質(zhì)的分界面一束光入射到兩種透明介質(zhì)的分界面上時，發(fā)現(xiàn)只有透射光而無反射光，試說明這束光上時，發(fā)現(xiàn)只有透射光而無反射光

17、，試說明這束光是怎樣入射的是怎樣入射的?其偏振狀態(tài)如何其偏振狀態(tài)如何?答：這束光是以布儒斯特角入射的其偏振態(tài)為平答：這束光是以布儒斯特角入射的其偏振態(tài)為平行入射面的線偏振光行入射面的線偏振光P214 習(xí)題習(xí)題14-7 投射到起偏器的自然光強(qiáng)度為投射到起偏器的自然光強(qiáng)度為I0，開始，開始時，起偏器和檢偏器的透光軸方向平行然后使檢偏時，起偏器和檢偏器的透光軸方向平行然后使檢偏器繞入射光的傳播方向轉(zhuǎn)過器繞入射光的傳播方向轉(zhuǎn)過130，45，60，試，試分別求出在上述三種情況下，透過檢偏器后光的強(qiáng)度分別求出在上述三種情況下，透過檢偏器后光的強(qiáng)度是是I0的幾倍的幾倍?解：由馬呂斯定律有解：由馬呂斯定律有0

18、o2018330cos2III 02024145cos2III 02038160cos2III 212cosII P214 習(xí)題習(xí)題 14-11 利用布儒斯特定律怎樣測定不透明利用布儒斯特定律怎樣測定不透明介質(zhì)的折射率介質(zhì)的折射率?若測得釉質(zhì)在空氣中的起偏振角為若測得釉質(zhì)在空氣中的起偏振角為58，求釉質(zhì)的折射率，求釉質(zhì)的折射率tan 581n 1.60n 解：布儒斯特定律解：布儒斯特定律6. 光強(qiáng)為光強(qiáng)為I0的自然光依次通過兩個偏振片的自然光依次通過兩個偏振片P1和和P2若若P1和和P2的偏振化方向的夾角的偏振化方向的夾角=30，則透射偏振，則透射偏振光的強(qiáng)度光的強(qiáng)度 I 是是 ( )(A)I

19、0/4(B)3I0/4(C)3I0/2(D)I0/8(E)3I0/8E0o208330cos2III 解：馬呂斯定律解：馬呂斯定律9. 自然光以自然光以60的入射角照射到不知其折射率的某一的入射角照射到不知其折射率的某一透明介質(zhì)表面時，反射光為線偏振光則知透明介質(zhì)表面時，反射光為線偏振光則知 ( )(A)折射光為線偏振光，折射角為折射光為線偏振光，折射角為30(B)折射光為部分偏振光，折射角為折射光為部分偏振光，折射角為30(C)折射光為線偏振光，折射角不能確定折射光為線偏振光，折射角不能確定(D)折射光為部分偏振光，折射角不能確定折射光為部分偏振光，折射角不能確定B6. 如果從一池靜水如果從

20、一池靜水(n=1.33)的表面反射出來的太的表面反射出來的太陽光是完全偏振的，那么太陽的仰角陽光是完全偏振的，那么太陽的仰角(見題見題10-2-1圖圖)大致等于大致等于 ，在這反射光中的，在這反射光中的E矢量的方矢量的方向應(yīng)向應(yīng) 解：布儒斯特定律解：布儒斯特定律33. 1tan00 nnioi530 o37 仰角仰角垂直于入射面垂直于入射面37o7.在題在題10-2-2圖中，前四個圖表示線偏振光入射于兩種介圖中，前四個圖表示線偏振光入射于兩種介質(zhì)分界面上，最后一圖表示入射光是自然光質(zhì)分界面上，最后一圖表示入射光是自然光n1、n2為兩為兩種介質(zhì)折射率，圖中入射角種介質(zhì)折射率，圖中入射角i0=ar

21、ctan(n2/n1)、ii0試在圖試在圖上畫出實際存在的折射光線和反射光線，并用點或短線把上畫出實際存在的折射光線和反射光線，并用點或短線把振動方向表示出來振動方向表示出來演示：玻璃片堆演示：玻璃片堆n2n1SRi0i0I0IR應(yīng)用：應(yīng)用：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,可得到偏振性可得到偏振性極好的激光，同時還可減少反射損失。極好的激光，同時還可減少反射損失。假如封閉管子兩端的玻璃窗口是垂直于管軸線的玻璃片，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)過一個窗口表面就有大約那么自然光每經(jīng)過一個窗口表面就有大約4%的反射損失。的反射損失。光在光在M1 M2之間來回反射時，每個單程要之間來回反射時，每個單程要4次穿過窗口表面。次穿過窗口表面。這樣反射損耗太大就不能形成激光。這樣反射損耗太大就不能形成激光。 i0i0激光輸出激光輸出線偏振光線偏振光布儒斯特窗布儒斯特窗M1M2i0i0激光器諧振腔激光器諧振腔P196例例14.4如圖所示為一玻璃三棱鏡，材料的折射率為如圖所示為一玻璃三棱鏡，材料的折射率為n1.50，設(shè)光在棱鏡中傳播時能量不被吸收設(shè)光在棱鏡中傳播時