大學(xué)物理第15章b-光的偏振課件

1、光的偏振1一 橫波的偏振性 沿縱波的傳播方向作任意平面，波的運(yùn)動(dòng)情況相同，具有對(duì)稱性，即 縱波的振動(dòng)相對(duì)于傳播方向是軸對(duì)稱的。15-6 自然光和偏振 馬呂斯定律15.6.1自然光和偏振光2橫波的振動(dòng)相對(duì)于傳播方向不是軸對(duì)稱的。3光矢量振動(dòng)面v0HE1、偏振 波的振動(dòng)方向相對(duì)于傳播方向的不對(duì)稱性，叫偏振。這就是說(shuō)，橫波具有偏振性，而縱波不具備偏振性。 2、振動(dòng)面的概念 振動(dòng)方向與傳播方向組成的平面。 光是橫波，應(yīng)該具有偏振性。4二 自然光1、自然光是非偏振光其根源仍在熱原子發(fā)光具有間歇性和獨(dú)立性。光波雖然是橫波，但普通光源發(fā)出的光是自然光，不是偏振光。普通光源中每個(gè)原子所發(fā)出的光其位相關(guān)系及振動(dòng)

2、方向都是隨機(jī)的。5cExyz 一串光波列是橫波。但從宏觀上看，光源發(fā)出的光中包含了所有方向的光振動(dòng)，振動(dòng)面可以分布在一切可能的方位，任何方向光矢量對(duì)時(shí)間的平均值是相等的。所以自然光的光振動(dòng)對(duì)光的傳播方向是軸對(duì)稱而又均勻分布的。6 光振動(dòng)的振幅在垂直于光波的傳播方向上，既有時(shí)間分布的均勻性，又有空間分布的均勻性，具有這種特性的光就叫自然光 。 ( 或者說(shuō)，具有各個(gè)方向的光振動(dòng)，且又無(wú)固定的位相關(guān)系的光)。結(jié)論：自然光的橫波性被發(fā)光的隨機(jī)性所破壞或掩蓋。72、自然光的分解一個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)總可以分解為兩個(gè)相互垂直的振動(dòng)。且一般 例如，一個(gè)振幅為的振動(dòng)可分解為8自然光在各個(gè)方向上都有振動(dòng)，其中每個(gè)振動(dòng)都可

3、以這樣分解，即由對(duì)稱性知，有所以，沒(méi)有一個(gè)方向的振動(dòng)優(yōu)于其它方向。這個(gè)結(jié)果與坐標(biāo)系無(wú)關(guān)。9xy. 表示該光的振動(dòng)面就在紙平面內(nèi)。 表示該光的振動(dòng)方向垂直于紙平面；3、自然光的表示 由于自然光的波振幅在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，在各個(gè)方向上的分布平均相等，因此將波振幅在該平面內(nèi)向任意的兩個(gè)正交方向進(jìn)行分解，都可以得到兩個(gè)振動(dòng)方向互相垂直且振幅相等的振動(dòng)，故此自然光常用下圖表示：10三 線偏振光如果光波的光矢量的方向始終不變，只沿一個(gè)固定方向振動(dòng)時(shí)，這種光稱為線偏振光. E播傳方向振動(dòng)面11四 部分偏振光這種光在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，各方向的振動(dòng)都有，但它們的振幅大小不相等，稱為部分偏振光.

4、例：晴朗蔚藍(lán)色的天空中所散射的日光多是部分偏振光，散射光與入射光的方向越接近垂直，散射光的偏振度越高。12右旋圓偏振光右旋橢圓偏振光 y yx z傳播方向 /2x某時(shí)刻右旋圓偏振光E隨z的變化E 0五、圓偏振光, 橢圓偏振光13一 偏振片的起偏和檢偏1、偏振器：把自然光變成為全偏振光的儀器。有些晶體（例如硫酸金雞鈉堿 ）對(duì)互相垂直的兩個(gè)分振動(dòng)光矢量具有選擇性吸收，這種現(xiàn)象稱作晶體的二向色性。15.6.2 起偏和檢偏 馬呂斯定律起偏： 把自然光變成偏振光。14偏振器透光軸自然光偏振光自然光通過(guò)這種晶體薄片后，只剩下一個(gè)方向的振動(dòng)，而另一個(gè)方向的振動(dòng)則被吸收。這種晶體薄片就可做偏振片。15 起 偏

5、 偏振化方向： 當(dāng)自然光照射在偏振片上時(shí)，它只讓某一特定方向的光通過(guò)，這個(gè)方向叫此偏振片的偏振化方向 .也叫透光軸。 偏振化方向起偏器 2、偏振片的偏振化方向16檢偏器 檢 偏起偏器17 自然光通過(guò)起偏器后成為偏振光，這時(shí)旋轉(zhuǎn)偏振片就可得到不同方向的偏振光?？墒侨搜蹖?duì)光振動(dòng)的方向不敏感，無(wú)論怎樣旋轉(zhuǎn)偏振片，都感覺(jué)不到光強(qiáng)的變化。3、自然光、偏振光、部分偏振光的檢驗(yàn) 如果入射的是線偏振光，若偏振化方向與線偏振光的振動(dòng)方向成90角，則線偏振光將完全不能通過(guò)。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片時(shí)，在視場(chǎng)中就可看到光強(qiáng)的明顯變化，并有消光現(xiàn)象。18偏振片轉(zhuǎn)一周消光線偏光部分偏光強(qiáng)度變，無(wú)消光自然光強(qiáng)度不變透光軸 如果

6、入射的是部分偏振光，則轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片時(shí)，視場(chǎng)中光強(qiáng)有變化，但不十分明顯，無(wú)消光現(xiàn)象。應(yīng)用：制成安全汽車燈； 在大房間內(nèi)的風(fēng)洞上裝上兩塊可自由旋轉(zhuǎn)的偏振片，可使室內(nèi)光線具有浪漫色彩。19 光強(qiáng)為I0的線偏振光，當(dāng)其振動(dòng)方向與偏振片的偏振化方向的成角時(shí)，則透過(guò)偏振片的光強(qiáng)為： 注意兩點(diǎn)：入射光必須是線偏振光，不是自然光；是與cos2正比，而不是與cos正比。二 馬呂斯定律（1880 年）AI0I20偏振器自然光檢偏器I1I2 如果入射到檢偏片的線偏振光是穿過(guò)起偏器的光，則公式中的角就是兩偏振片的偏振化方向之間的夾角。21NM證明檢偏器起偏器NM 馬呂斯定律22例15-6 光強(qiáng)為I0的自然光先后通過(guò)兩平

7、行放置、偏振方向相互垂直的偏振片P1 、P2后出射，當(dāng)P1、P2 間放入第三塊偏振片P3時(shí)，求出射光強(qiáng)。解：I0I0/2I1I2馬呂斯定律：23若 在 間變化， 如何變化？END2415-43 使自然光通過(guò)兩個(gè)偏振化方向夾角為60的偏振片時(shí)，透射光強(qiáng)為 ，今在這兩個(gè)偏振片之間再插入一偏振片，它的偏振化方向與前兩個(gè)偏振片均成30，問(wèn)此時(shí)透射光與 之比為多少?解：由馬呂斯定律 2515-7 反射與折射時(shí)光的偏振 光在兩種介質(zhì)界面上的行為比較復(fù)雜。例如傳播方向可能改變，能流（即振幅）將重新分配，位相可能突變。下面的討論表明，在界面上可能還有偏振特性的改變。26 入射面 入射光線和法線所成的平面 .

8、反射光 部分偏振光，垂直于入射面的振動(dòng)大于平行于入射面的振動(dòng) .光反射與折射時(shí)的偏振空氣玻璃一、反射光和折射光的偏振27 折射光 部分偏振光，平行于入射面的振動(dòng)大于垂直于入射面的振動(dòng) . 理論和實(shí)驗(yàn)證明：反射光的偏振化程度與入射角有關(guān) .28 二布儒斯特定律當(dāng)入射角為某角度 i0 ，即滿足時(shí)，反射光中只有垂直入射面的矢量而成為線偏振光，但折射光仍為部分偏振光，這一規(guī)律稱之為布儒斯特定律。29使反射光成為全偏振光時(shí)的入射角i0稱為布儒斯特 角。n2n1 當(dāng)入射角為布儒斯特角時(shí)，反射線和折射線互相 垂直，即有30證明：由折射定律由布儒斯特定律有：i0i0n1n2自然光完全偏光部分偏光90o31 必

9、須說(shuō)明的是：雖然反射光是E矢量垂直于入射面的線偏振光，但反射光中的垂直分量只占入射光中全部垂直分量的15%，即反射偏振光非常微弱-這也說(shuō)明了折射光依然是部分偏振光。32布儒斯特定律（1812年）反射光為完全偏振光，且振動(dòng)面垂直入射面，折射光為部分偏振光當(dāng) 時(shí)，玻璃空氣 二布儒斯特定律33證明：由折射定律由布儒斯特定律有：i0i0n1n2自然光完全偏光部分偏光90o討論(1)反射光和折射光互相垂直 .34 (2)根據(jù)光的可逆性，當(dāng)入射光以 角從 介質(zhì)入射于界面時(shí)，此 角即為布儒斯特角 .玻璃玻璃35三、應(yīng)用 對(duì)于一般的光學(xué)玻璃 , 反射光的強(qiáng)度約占入射光強(qiáng)度的7.5% , 大部分光將透過(guò)玻璃.利

10、用玻璃片堆產(chǎn)生線偏振光36用玻璃片堆獲取偏振光37 在激光器的諧振腔中開(kāi)有布儒斯特窗，故激光是 偏振光。 也可用玻璃片作檢偏器。在強(qiáng)光下攝影時(shí)，反光強(qiáng)烈，為使成像后光線諧調(diào)、柔和，可在攝影機(jī)前頭加偏振片，旋轉(zhuǎn)偏振片可減少入射的反射光光強(qiáng)。在雪地，海洋上反射光很強(qiáng)，為保護(hù)視力可帶裝有偏振片的眼鏡，或在望遠(yuǎn)鏡前加偏振片。38討論討論光線的反射和折射(起偏角 )39 例 一自然光自空氣射向一塊平板玻璃，入射角為布儒斯特角 ,問(wèn) 在界面 2 的反射光是什么光？1空氣玻璃240 注意：一次起偏垂直入射面的振動(dòng)僅很小部分被反射（約15%）所以反射偏振光很弱 .一般應(yīng)用玻璃片堆產(chǎn)生偏振光.1空氣玻璃2END

11、41例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(shí)能量不被吸收.問(wèn)：(1)一束光強(qiáng)為I0的單色光，從空氣入射到棱鏡左側(cè)界面折射進(jìn)入棱鏡.若要求入射光全部能進(jìn)入棱鏡，對(duì)入射光和入射角有何要求？(2)若要求光束經(jīng)棱鏡從右側(cè)折射出來(lái)，強(qiáng)度仍保持不變，則對(duì)棱鏡頂角有何要求？42解(1)若要求入射光全部折射到棱鏡里，則要求其反射光強(qiáng)度為零.對(duì)于自然光這條件無(wú)法滿足.若入射光為光振動(dòng)平行入射面的線偏振光，則在入射角等于起偏振角的情況下，反射光束的強(qiáng)度為零，入射光將全部進(jìn)入棱鏡.因此要求入射光是振動(dòng)方向平行于入射面的線偏振光.入射角i01為43(2)當(dāng)進(jìn)入棱鏡的光射到棱鏡右側(cè)界面，因

12、它只包含平行入射面的光振動(dòng)，只要以起偏振角入射，則其反射光的強(qiáng)度仍然為零，進(jìn)入棱鏡的光將全部折射出棱鏡而保持強(qiáng)度不變.這時(shí)投射到界面AC的起偏振角i02為因?yàn)?從圖14.10上的幾何關(guān)系可以看出44一 雙折射的尋常光和非尋常光動(dòng) 光 學(xué)雙折射現(xiàn)象波 動(dòng) 光 學(xué)恒量玻璃折 射 定 律方解石晶體15-8 光的雙折射45光光當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)o光不動(dòng)，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)雙折射紙面方解石 晶體46光光雙折射當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)o光不動(dòng)，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)紙面方解石 晶體47光光當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)o光不動(dòng)，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)雙折射紙面方解石 晶體48光光當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)o光不動(dòng)，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)雙折射紙面方解

13、石 晶體49光通過(guò)雙折射晶體50 但是，如果將光束射向各向異性的晶體中時(shí)，例如將一束光投向方解石（冰州石），透過(guò)方解石的光則有兩束。所謂各向異性，是指晶體的物理性質(zhì)與方向有關(guān)。 各向(同)異性的微觀本質(zhì) 若組成固體的晶粒在空間的取向是無(wú)規(guī)則的，就表現(xiàn)出各向同性；若組成固體的晶粒在空間有一定的取向，就表現(xiàn)出各向異性。光從空氣射向水、玻璃、或呈熔融態(tài)的石英(各向同性)時(shí):51 能產(chǎn)生雙折射的晶體是非立方晶系的晶體。 如方解石(冰洲石CaCO3）、石英、電氣石、紅寶石等。 晶體(固體)的各向異性例：云母只容易沿一個(gè)平面劈開(kāi)； 結(jié)晶的石墨在每?jī)蓚€(gè)相對(duì)面之間并不具有相同的電阻。 鎳晶體只在一個(gè)確定的方向

14、上容易被磁化。52 尋常光線(ordinary rays)服從折射定律的光線(extraordinray rays) 非常光線不服從折射定律的光線（除非沿主截面入射，在其他情況，非常光不在入射面內(nèi).即使入射角為0，折射角也不等于0. ） 不管入射光束方位如何，o光總在入射面內(nèi)。 如果將光束正入射在方解石上，并將方解石圍繞著入射光束旋轉(zhuǎn)，則發(fā)現(xiàn)其中一光束不動(dòng)，而另一光束跟著旋轉(zhuǎn)一周。53實(shí)驗(yàn)證明： O 光和 光均為偏振光.ACBoeDeo54 產(chǎn) 生 雙 折 射 的 原 因O光波陣面 光波陣面光軸 尋常光線 在晶體中各方向上傳播速度相同. 常量55O光波陣面 光波陣面光軸 非常光線 晶體中各方向

15、上傳播速度不同,隨方向改變而改變.為主折射率56方解石晶體在方解石這類晶體中存在一個(gè)特殊的方向，當(dāng)光線沿這一方向傳播時(shí)不發(fā)生雙折射現(xiàn)象 .光軸AB光軸注意:光軸不是指一條特定的直線，而是一特定的方向。凡是與此方向平行的直線方向均為光軸方向。二 晶體的光軸與光線的主平面1、光軸57 單軸晶體和多軸晶體 一般晶體只有一個(gè)光軸，稱為單軸晶體，例如冰洲石、石英、紅寶石等； 也有些晶體有兩個(gè)光軸或更多的光軸，它們稱為雙軸晶體或多軸晶體， 如云母、硫磺、蘭寶石等。我們只討論單軸晶體。58 2、主平面：晶體中某條折射光線與晶體光軸構(gòu)成的平面。e光光軸e光的主平面o光光軸o光的主平面o光的振動(dòng)面垂直于o光的主

16、平面e光的振動(dòng)面在e光的主平面內(nèi)3、主截面： 由晶體光軸和晶體表面法線方向組成的平面。o光和e光都是線偏振光59光軸 主截面:如果某入射面與光軸共面，則該入射面就稱之為主截面。若入射面為主截面，則o光、光的主平面重合. 當(dāng)入射面是主截面時(shí)， O 光的振動(dòng)垂直主截面； 光的振動(dòng)平行于主截面.此時(shí)、光的振動(dòng)方向互相垂直。光軸 光 光END主截面60三 用惠更斯原理解釋雙折射現(xiàn)象 發(fā)生雙折射現(xiàn)象，主要是因?yàn)榫w的物理性質(zhì)是各向異性。晶體中的介電常數(shù)r與方向有關(guān)，因而光在晶體中的傳播速度 與光的傳播方向有關(guān),從而光在介質(zhì)中的折射率與方向有關(guān)。 1、雙折射中的速度特征o光在各個(gè)方向上的傳播速度相同：e光

17、在各方向上的傳播速度不相同： 61 e光不滿足普通的折射定律，但仍然把ne 叫作它的 折射率。但此時(shí)ne不再是常數(shù)。在各向異性的晶體內(nèi)，傳播速度既和振動(dòng)方向(指 o，e)有關(guān)，又和傳播方向(是否沿光軸)有關(guān)。其中n0 ，ne 叫作晶體的主折射率. 沿光軸方向 沿垂直光軸方向62 2、o光和e光的子波面 o光的子波面在各向同性媒質(zhì)中，一子波源發(fā)出的波沿各方向的傳播速度均為Vc/n ，經(jīng)t后，形成的波面是一個(gè)半徑為Vt的球面。 o光在單軸晶體中的傳播規(guī)律與在各向同性媒質(zhì)中一樣。 因此，o光的子波面是球面。經(jīng)t后，形成的波面是一個(gè)半徑為Vot的球面。63 e光的子波面 e光沿各個(gè)方向傳播速度不同。沿

18、光軸方向的傳播速度與o光一樣也是Vo；垂直于光軸方向的速度是Ve。經(jīng)t后，e光的子波面是繞光軸方向旋轉(zhuǎn)的橢球面。在光軸方向，半徑為 Vot ；在垂直光軸方向，半徑為Vet.VoVe光軸643、正晶體和負(fù)晶體正晶體 Vo Ve e光的波面在o光波面內(nèi)。 負(fù)晶體 Ve Vo e光的波面在o光波面外。在垂直于光軸的方向上65o光和e光的子波面在光軸方向上相切；在垂直光軸方向上，兩波面相距最遠(yuǎn)。 光軸正晶體負(fù)晶體o光e光光軸66閱讀1 人為雙折射現(xiàn)象某些非晶體在受到外界作用(如機(jī)械力，電場(chǎng)或磁場(chǎng)等作用)時(shí)，失去各向同性的性質(zhì)，也呈現(xiàn)出雙折射現(xiàn)象，稱為人為雙折射現(xiàn)象.1.光彈性效應(yīng)應(yīng)力雙折射 本來(lái)是透明的各向同性的介質(zhì)在機(jī)械應(yīng)力作用下，顯示光學(xué)上的各向異性，這種現(xiàn)象叫做光彈