大學(xué)物理演示(趙)光的偏振

1、機(jī)械波穿過狹縫機(jī)械波穿過狹縫光波是光波是橫波橫波 光的偏振光的偏振 .機(jī)械橫波與機(jī)械橫波與縱波的區(qū)別縱波的區(qū)別偏振態(tài)偏振態(tài): 在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)光矢量的各種在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)光矢量的各種振動(dòng)狀態(tài)振動(dòng)狀態(tài) 19 光的偏振光的偏振19.1 自然光和偏振光自然光和偏振光1 . 自然光自然光021IIIyx 自然光的圖示：自然光的圖示：2. 線偏振光線偏振光 在垂直光傳播方向的平面內(nèi)，在垂直光傳播方向的平面內(nèi)，光矢量只沿一個(gè)固定的方向振光矢量只沿一個(gè)固定的方向振動(dòng)，這種光叫動(dòng)，這種光叫線偏振光線偏振光。 在垂直光傳播方向的平面內(nèi)，光矢量大小在所有方向上都在垂直光傳播方向的平面內(nèi)，光

2、矢量大小在所有方向上都相等，各光矢量之間沒有固定的位相關(guān)系，相等，各光矢量之間沒有固定的位相關(guān)系，-自然光自然光。3. 部分偏振光部分偏振光 部分偏振光是介于偏振光和自然光之間的情形，部分偏振光是介于偏振光和自然光之間的情形， 部分偏振光都可看成自然光和線偏振光的混合。部分偏振光都可看成自然光和線偏振光的混合。部分偏振光圖示：部分偏振光圖示：或或4. 橢圓偏振光和圓偏振光橢圓偏振光和圓偏振光 若光矢量大小不斷改變，其端點(diǎn)在垂直傳播方向的平若光矢量大小不斷改變，其端點(diǎn)在垂直傳播方向的平面內(nèi)的投影為橢圓面內(nèi)的投影為橢圓(圓圓)，這種光叫，這種光叫橢圓橢圓(圓圓)偏振光偏振光。 橢圓偏振光可以看成兩

3、個(gè)橢圓偏振光可以看成兩個(gè)頻率相同頻率相同,互相互相垂直垂直,有一定相位差有一定相位差的線偏振光的合成。的線偏振光的合成。圓偏振光圓偏振光12(21)2AAk、合成光振動(dòng)矢量末端軌跡是圓。合成光振動(dòng)矢量末端軌跡是圓。滿足橢圓方程：滿足橢圓方程：K（時(shí)，為線偏振光）)cos(,)cos(2211tAytAx)(sin)cos(21221221222212AAxyAyAx6.6.偏振度偏振度 minmaxminmaxIIIIP線偏振光線偏振光1P自然光自然光0P部分偏振光部分偏振光10P橢圓偏振光橢圓偏振光10P)(sin)cos(21221221222212AAxyAyAx = = 0yx仍仍為為

4、線線偏偏振振光光橢圓偏振光橢圓偏振光右旋右旋左旋左旋42434523475.5.橢圓偏振光橢圓偏振光020起偏器和檢偏器起偏器和檢偏器1. 1. 起偏器和檢偏器起偏器和檢偏器起偏器：能產(chǎn)生線偏振光的裝置起偏器：能產(chǎn)生線偏振光的裝置檢偏檢偏器：能檢驗(yàn)線偏振光的裝置器：能檢驗(yàn)線偏振光的裝置 能產(chǎn)生線偏振光的裝置也常常用來檢驗(yàn)線偏振光，即能產(chǎn)生線偏振光的裝置也常常用來檢驗(yàn)線偏振光，即起偏器同時(shí)也可作為起偏器同時(shí)也可作為檢偏檢偏器器檢偏檢偏 ：旋轉(zhuǎn)檢偏器，每轉(zhuǎn)過：旋轉(zhuǎn)檢偏器，每轉(zhuǎn)過 90o 交替出現(xiàn)極大和消光，則交替出現(xiàn)極大和消光，則入射光為線偏振光。入射光為線偏振光。19.2 19.2 線偏振光的起

5、偏和檢偏線偏振光的起偏和檢偏 馬呂斯定律馬呂斯定律2、二向色性、二向色性 自然光入射到偏振片，自然光中某一方向光振動(dòng)被吸收，自然光入射到偏振片，自然光中某一方向光振動(dòng)被吸收，而與此垂直方向的光振動(dòng)則通過，而與此垂直方向的光振動(dòng)則通過，-產(chǎn)生線偏振光。產(chǎn)生線偏振光。 產(chǎn)生線偏振光方法之一產(chǎn)生線偏振光方法之一 對互相垂直的兩個(gè)光振動(dòng)有選擇吸收的這種性能，稱對互相垂直的兩個(gè)光振動(dòng)有選擇吸收的這種性能，稱為二向色性（為二向色性（1928年，美國大學(xué)生蘭德（年，美國大學(xué)生蘭德（E.H.lade），），利用硫酸碘奎寧實(shí)現(xiàn)二向色性）利用硫酸碘奎寧實(shí)現(xiàn)二向色性） 透射線偏振光光矢量的振透射線偏振光光矢量的振動(dòng)

6、方向?yàn)橥ü夥较?，或透光?dòng)方向?yàn)橥ü夥较?，或透光軸，也叫偏振化方向。軸，也叫偏振化方向。 二向色性二向色性聚乙烯薄膜浸入碘溶聚乙烯薄膜浸入碘溶液做偏振片液做偏振片3. 馬呂斯定律馬呂斯定律*一束光強(qiáng)為一束光強(qiáng)為 I0 的的線偏振光線偏振光，透過檢偏器的透射光強(qiáng)為：，透過檢偏器的透射光強(qiáng)為：20cosII 是線偏振光的光振動(dòng)方向與檢是線偏振光的光振動(dòng)方向與檢偏器透振方向之間夾角偏器透振方向之間夾角起偏器和檢偏器起偏器和檢偏器0cosAA通光方向通光方向x0APyyAxA 例例1 有兩個(gè)偏振片有兩個(gè)偏振片,偏振化方向間的偏振化方向間的夾角為夾角為 時(shí)時(shí) , 自然光入射，自然光入射， 出射光強(qiáng)為出射光

7、強(qiáng)為 ; 當(dāng)它們偏振化方向間的當(dāng)它們偏振化方向間的夾角夾角為為 時(shí)，另一束單色自然光穿過它們時(shí)，另一束單色自然光穿過它們 , 出射光出射光強(qiáng)為強(qiáng)為 ，且，且 . 求兩束單色自然光的強(qiáng)度之比求兩束單色自然光的強(qiáng)度之比 .30601I2I21II 10I20I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 和和 . 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 .220I210I經(jīng)過檢偏器后經(jīng)過檢偏器后30cos22101II 60cos22202II 3160cos30cos22201021IIII212cosII 3p1p0I0I1I3p2p1p2I3I2p3p1p012

8、1II 20cos2I 在兩塊正交偏振片在兩塊正交偏振片 之間插入另一塊偏之間插入另一塊偏振片振片 ，光強(qiáng)為，光強(qiáng)為 的自然光垂直入射于偏振片的自然光垂直入射于偏振片 ，討論轉(zhuǎn)動(dòng)討論轉(zhuǎn)動(dòng) 透過透過 的光強(qiáng)的光強(qiáng) 與轉(zhuǎn)角的關(guān)系與轉(zhuǎn)角的關(guān)系 .I31p,p2p2p3p0I1p討論討論)2(cos223 II202cos2II 220223sincos21sinIII2sin81203II 若若 在在 間變化，間變化， 如何變化如何變化？203I0,23, ,2, 03I8,47,45,43,403II 0I1I3p2p1p2I3I2p3p1p19.3 19.3 反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振

9、2n1n反射光中垂直入射面振動(dòng)占優(yōu)反射光中垂直入射面振動(dòng)占優(yōu)折射光中平行入射面振動(dòng)占優(yōu)折射光中平行入射面振動(dòng)占優(yōu)布儒斯特定律布儒斯特定律 入射角滿足入射角滿足 時(shí)時(shí)120nniarctg反射光是線偏振光，振動(dòng)垂直入射面反射光是線偏振光，振動(dòng)垂直入射面 2n1n0i0r0i布儒斯特角布儒斯特角起偏角起偏角由折射定律由折射定律200ri折射光是部分線偏振光。折射光是部分線偏振光。 玻片堆玻片堆 許多玻璃片疊起來，折射光近似完全線偏振許多玻璃片疊起來，折射光近似完全線偏振光，是平行于入射面振動(dòng)。光，是平行于入射面振動(dòng)。 對于一般的光學(xué)玻璃對于一般的光學(xué)玻璃 , 反射光的強(qiáng)度約占反射光的強(qiáng)度約占入射光

10、強(qiáng)度的入射光強(qiáng)度的7.5% , 大部分光將透過玻璃大部分光將透過玻璃.利用玻璃片堆產(chǎn)生線偏振光利用玻璃片堆產(chǎn)生線偏振光0i0i0i0iiii討論討論討論下列光線的反射和折射（討論下列光線的反射和折射（起偏角起偏角 ）.0i自然光自然光I0 +線偏振光線偏振光I11P2P 例：自然光例：自然光I0與線偏振光與線偏振光I1同時(shí)垂直入射到偏振片同時(shí)垂直入射到偏振片P1上，上， P2繞軸繞軸 轉(zhuǎn)動(dòng)，求出射光強(qiáng)度的變化。轉(zhuǎn)動(dòng)，求出射光強(qiáng)度的變化。 解：解： 210cos21III I I 2210cos)cos21( III例：一束光是自然光與線偏振光的混合，當(dāng)它通過一偏振片時(shí)，例：一束光是自然光與線偏

11、振光的混合，當(dāng)它通過一偏振片時(shí)， 透射光的強(qiáng)度取決于偏振片的取向，可以變化透射光的強(qiáng)度取決于偏振片的取向，可以變化5倍。求入射倍。求入射 光中兩種光的強(qiáng)度各占總?cè)肷涔鈴?qiáng)度的比例。光中兩種光的強(qiáng)度各占總?cè)肷涔鈴?qiáng)度的比例。 解：解：線偏振光線偏振光01xII 自然光自然光02)1(IxI 12max21III 2min21II 32 x （C C）用偏光鏡消除了用偏光鏡消除了反射偏振光反射偏振光 使使玻璃門內(nèi)的人物玻璃門內(nèi)的人物清晰可見清晰可見（A A）玻璃門表面的玻璃門表面的反光很強(qiáng)反光很強(qiáng)（B B）用偏光鏡減弱用偏光鏡減弱了反射偏振光了反射偏振光19.4 19.4 雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象1.雙折

12、射晶體雙折射晶體入射光入射光O光光e光光O光光尋常光，尋常光，e 光光非常光，非常光，二者均為線偏振光二者均為線偏振光方解石晶體方解石晶體（CaCO3）二、二、 光軸光軸 主平面主平面 主截面主截面光軸：當(dāng)光在晶體內(nèi)沿某個(gè)特殊方向傳播時(shí)不發(fā)生雙折射，光軸：當(dāng)光在晶體內(nèi)沿某個(gè)特殊方向傳播時(shí)不發(fā)生雙折射， 該方向稱為晶體的光軸。例如方解石的光軸方該方向稱為晶體的光軸。例如方解石的光軸方向向單軸晶體：只有一個(gè)光軸的晶體單軸晶體：只有一個(gè)光軸的晶體雙軸晶體：有兩個(gè)光軸的晶體雙軸晶體：有兩個(gè)光軸的晶體光軸僅代表一個(gè)方向，與光軸僅代表一個(gè)方向，與AB平行的線都是光軸平行的線都是光軸102AB光軸光軸787

13、878102102方解石方解石( (冰洲石冰洲石) ) 石英石英 云母云母 藍(lán)寶石藍(lán)寶石主平面：晶體中光的傳播方向與晶體光軸構(gòu)成的平面主平面：晶體中光的傳播方向與晶體光軸構(gòu)成的平面。主截面：晶體表面的法線與晶體光軸構(gòu)成的平面。主截面：晶體表面的法線與晶體光軸構(gòu)成的平面。主截面是由許多平行平面構(gòu)成。主截面是由許多平行平面構(gòu)成。1. 實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)表明，o光和光和e光都是線偏振光，光都是線偏振光， o o光的振動(dòng)垂直光的振動(dòng)垂直o o光的主平面光的主平面 e e光的振動(dòng)在光的振動(dòng)在e e光的主平面內(nèi)光的主平面內(nèi)2. 當(dāng)入射光的入射面和晶體的主截面重合時(shí)當(dāng)入射光的入射面和晶體的主截面重合時(shí)（垂直晶體

14、入射）（垂直晶體入射） o光與光與e光的主平面相重合，光的主平面相重合， o光與光與e光的振動(dòng)方向相互垂直。光的振動(dòng)方向相互垂直。3. 一般情況一般情況o、e 光的主平面有一小夾角，光的主平面有一小夾角， 仍可認(rèn)為仍可認(rèn)為o、e 光的振動(dòng)面相互垂直光的振動(dòng)面相互垂直oe2.惠更斯原理對雙折射的描述惠更斯原理對雙折射的描述O光、光、e光的波陣面光的波陣面e 光：傳播速度與方向有關(guān)光：傳播速度與方向有關(guān)O光：各方向的傳播速度相等光：各方向的傳播速度相等常數(shù)oovcnt ovt ev正晶體正晶體光軸光軸負(fù)晶體負(fù)晶體光軸光軸t ovt eveecnv垂直光軸方向上，垂直光軸方向上，e 光與光與O光速度

15、差別最大光速度差別最大光的傳播速度取決于光光的傳播速度取決于光矢量振動(dòng)方向與晶體光軸的夾角矢量振動(dòng)方向與晶體光軸的夾角正晶體：正晶體： eoVV eonn 即即 的晶體，的晶體， 負(fù)晶體：負(fù)晶體： eoVV 即即 eonn 的晶體，的晶體，如石英、碳、冰如石英、碳、冰.如方解石、紅寶石如方解石、紅寶石惠更斯作圖法惠更斯作圖法( (負(fù)晶體為例負(fù)晶體為例) ) 光軸光軸 界面，自然光正入射界面，自然光正入射 光軸光軸自然光自然光O光光e光光e 光的速度等于光的速度等于O光速度光速度光軸光軸 界面，自然光正入射界面，自然光正入射光軸光軸自然光自然光O光光e光光e 光的速度大于光的速度大于O 光速度光

16、速度光軸光軸 界面，自然光界面，自然光斜入射斜入射光軸光軸O光光e光光晶體晶體光軸光軸O光光e光光光軸光軸與界面斜交，自然光與界面斜交，自然光正入射正入射波射線波射線 波法線波法線 3.晶體偏振器件（自然光入射）晶體偏振器件（自然光入射）自然光自然光尼克耳棱鏡尼克耳棱鏡6584. 1on4864. 1en55. 1cn玻璃玻璃 n=1.655方解石方解石光軸光軸格蘭格蘭湯姆孫棱鏡湯姆孫棱鏡 6584. 1on4864. 1en655. 1cno68o48e 光光O 光光光軸光軸沃拉斯頓棱鏡沃拉斯頓棱鏡 兩個(gè)由方解石制成的兩個(gè)由方解石制成的直角棱鏡膠合而成直角棱鏡膠合而成五、五、晶體波片（線偏振

17、光入射）晶體波片（線偏振光入射）晶體薄片，光軸平行于晶體薄片，光軸平行于薄片薄片表面表面光軸光軸方向方向自然光自然光o光光e光光d負(fù)晶體負(fù)晶體dnneo)(dnneo)(2光線正入射光線正入射cosAAesinAAo?2,0?4兩束光出現(xiàn)固定的相位差兩束光出現(xiàn)固定的相位差相干光相干光線偏振光線偏振光橢圓偏振光橢圓偏振光橢圓偏橢圓偏振光振光線偏振光線偏振光光軸光軸dzxy AeAoA光軸光軸光軸光軸41)(dnneo2)(2dnneo波片41線偏振光線偏振光橢圓偏振光橢圓偏振光?橢圓偏振光橢圓偏振光線偏振光線偏振光橢圓偏振光橢圓偏振光22線偏振光線偏振光橢圓偏振光橢圓偏振光光軸平行橢圓的長軸或短

18、軸光軸平行橢圓的長軸或短軸光軸光軸d)(4eonnd2/正橢圓正橢圓偏振光偏振光/4 時(shí)圓偏振光圓偏振光21)(dnneodnneo)(2波片21全波片dnneo)(2)(2dnneo光軸光軸入A線偏振光的振動(dòng)面轉(zhuǎn)過線偏振光的振動(dòng)面轉(zhuǎn)過2 角角19.5 光偏振狀態(tài)的檢驗(yàn)光偏振狀態(tài)的檢驗(yàn)第一步：用偏振片第一步：用偏振片線偏振光，自然光，圓偏振光，部分偏振光，橢圓偏振光線偏振光，自然光，圓偏振光，部分偏振光，橢圓偏振光偏振片偏振片( (轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)) )線偏振光線偏振光 I 變、有消光變、有消光圓偏振光圓偏振光自然光自然光I 不變不變部分偏振光部分偏振光 I 變、無消光變、無消光橢圓偏振光橢圓偏振光第

19、二步：第二步：再用再用1/4波片波片 + 偏振片偏振片 四四分分之之一一波波片片偏振片偏振片( (轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)) )自然光自然光圓偏振光圓偏振光自然光自然光I 不變不變線偏振光線偏振光有消光有消光橢圓偏振光橢圓偏振光線偏振光線偏振光*有消光有消光部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光I 變變 無消光無消光第一步第一步第二步第二步令入射光通過偏振片令入射光通過偏振片I ，改變改變 I 的偏振方向，觀的偏振方向，觀察透射光強(qiáng)變化。察透射光強(qiáng)變化。觀察現(xiàn)象觀察現(xiàn)象觀察現(xiàn)象觀察現(xiàn)象結(jié)論結(jié)論結(jié)論結(jié)論有消光有消光線偏振光線偏振光有消光有消光圓偏振光圓偏振光無消光無消光自然光自然光強(qiáng)度無變化強(qiáng)度無變化自然光或

20、圓偏振光自然光或圓偏振光a. 令入射光依次通過令入射光依次通過四分之一四分之一 波片和偏振波片和偏振片片II，改變，改變 II的透振方的透振方向向P2，觀察透光強(qiáng)度變，觀察透光強(qiáng)度變化化。有消光有消光無消光無消光橢圓偏振光橢圓偏振光 部分偏振光部分偏振光強(qiáng)度有變化，但無消光強(qiáng)度有變化，但無消光部分偏振光或橢圓偏振光部分偏振光或橢圓偏振光b. 四分之一波片的光四分之一波片的光軸方向必須與光強(qiáng)度軸方向必須與光強(qiáng)度最大的方向相一致。最大的方向相一致。I1P4 2PII4II2P19.6 19.6 偏振光的干涉偏振光的干涉1.1.典型裝置典型裝置甲區(qū)：甲區(qū)：線偏振光，線偏振光， 振幅振幅A1，光強(qiáng)光強(qiáng)

21、0121II乙區(qū)：乙區(qū)：dnneoC)(21P1A光軸光軸方向方向o光光e光光d1I線偏振光線偏振光 單色單色自然光自然光I01P2PC 光軸光軸d?甲區(qū)甲區(qū)丙區(qū)丙區(qū)乙區(qū)乙區(qū) oAeAsin1AAocos1AAe兩束線偏振光兩束線偏振光 一束橢圓偏振光一束橢圓偏振光 C2P丙區(qū)：丙區(qū)：eA2oA2cossincos12AAAoocossinsin12AAAeednneoC)(2ecos2222222oeoAAAAA2sin2sin21220IIoA2與晶體種類、波長、波片厚度有關(guān)與晶體種類、波長、波片厚度有關(guān),1P1A oAeA2PeA2oA2d 單色單色自然光自然光I01P2PC 光軸光軸甲

22、區(qū)甲區(qū)丙區(qū)丙區(qū)乙區(qū)乙區(qū)若若P1與與P2平行平行212sinsinAAAoo212coscosAAAee2()Coenn d 無附加相位差無附加相位差CoeoeAAAAAcos2222222若晶體種類、波長確定若晶體種類、波長確定 “等厚干涉等厚干涉”2.2.色偏振色偏振dnneoC)(2若白光入射：若白光入射：有的波長干涉相消，有的波長干涉相消，有的波長干涉相長，屏上呈現(xiàn)出一有的波長干涉相長，屏上呈現(xiàn)出一定的色彩，這種現(xiàn)象叫色偏振定的色彩，這種現(xiàn)象叫色偏振檢驗(yàn)材料有無雙折射效應(yīng)檢驗(yàn)材料有無雙折射效應(yīng)分析物質(zhì)內(nèi)部的某些結(jié)構(gòu)分析物質(zhì)內(nèi)部的某些結(jié)構(gòu)偏光顯微術(shù)偏光顯微術(shù)例：一塊厚例：一塊厚0.025m

23、m的方解石晶片，表面與光軸平行并放置在兩的方解石晶片，表面與光軸平行并放置在兩 個(gè)正交偏振片之間，晶片的光軸與兩偏振片的偏振化方向均個(gè)正交偏振片之間，晶片的光軸與兩偏振片的偏振化方向均 成成450角。用白光垂直入射到第一塊偏振片上角。用白光垂直入射到第一塊偏振片上, 從第二塊偏振從第二塊偏振 片出射的光線中，缺少了那些波長的光。片出射的光線中，缺少了那些波長的光。(假定假定 為常數(shù)）為常數(shù)）,6584. 1 on4864. 1 en解：解：d1P2PC 光軸光軸dnneoC)(2 dnneo)(21P1A oAeA2PeA2oA2045 相干相消相干相消 )12( kkdnneo)( 缺少的波

24、長缺少的波長10, 9, 8, 7, 6 knm430,478,538,614,717 若兩偏振片平行呢？若兩偏振片平行呢？例：單色光源例：單色光源S位于凸透鏡位于凸透鏡C的焦點(diǎn)上，的焦點(diǎn)上，P為偏振片，為偏振片，L為四分之一波片，其光為四分之一波片，其光軸與軸與P的偏振化方向成的偏振化方向成 角，角，MM為反射鏡。為反射鏡。若入射到偏振片的光強(qiáng)為若入射到偏振片的光強(qiáng)為I0, 求求經(jīng)過各光學(xué)元件后，光返回到透鏡時(shí)的強(qiáng)度經(jīng)過各光學(xué)元件后，光返回到透鏡時(shí)的強(qiáng)度I。( (不計(jì)吸收、散射等損耗不計(jì)吸收、散射等損耗) )PC 光軸光軸SL0IIM解：解：1I0121II2I12II線偏振光線偏振光橢圓偏振光