大物大二上第16章光學(xué)偏振

1、第16章 光學(xué) 16.1 光的傳播與偏振16.2 光的干涉16.3 光的衍射 十七世紀(jì)下半葉牛頓：光的微粒說惠更斯：光的波動(dòng)說十九世紀(jì)初托馬斯 楊：雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、直邊衍射現(xiàn)象菲涅爾：光的波動(dòng)理論十九世紀(jì)中葉麥克斯韋：光的電磁波理論十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初愛因斯坦：光子假設(shè) 光的量子說 簡(jiǎn)短的歷史回顧幾何光學(xué): 以光的直線傳播為基礎(chǔ)，研究光在透明介質(zhì)中的傳播問題。波動(dòng)光學(xué): 以光的波動(dòng)性為基礎(chǔ)，研究光的傳播及其規(guī)律。量子光學(xué): 以光和物質(zhì)相互作用時(shí)所顯示出的粒子性為基礎(chǔ)，來研究光的一系列規(guī)律?，F(xiàn)代光學(xué): 反映了光學(xué)進(jìn)一步與各個(gè)科技領(lǐng)域的緊密結(jié)合。16.1 原子發(fā)光模型 一、光源和光譜: 光源：發(fā)光的

2、物體類型： 普通光源(自發(fā)輻射) 激光光源(受激輻射)熱（輻射）光源白熾燈、弧光燈、太陽(yáng)非熱輻射光源（冷光源）氣體放電管、日光燈、螢火蟲 光譜光的強(qiáng)度按頻率（或波長(zhǎng)）的分布光源種類：1、線譜(或帶譜)光源，如氣體放電管、鈉光燈、水銀燈、日光燈等；2、連續(xù)譜光源（或熱輻射光源）如白熾燈、弧光燈、太陽(yáng)等。H2HgNa400nm500nm600nm700nm原子發(fā)光激發(fā)態(tài)壽命 10-1110-8 s自發(fā)輻射一定頻率，長(zhǎng)度有限的光波列二、原子發(fā)光模型E1E2基態(tài)激發(fā)態(tài)能級(jí)普朗克常數(shù):原子光波列普通光源發(fā)光的兩個(gè)特點(diǎn)：隨機(jī)性：不同原子的發(fā)光是隨機(jī)的，同一原子先后每次的發(fā)光也是隨機(jī)的, 所發(fā)出的各波列在振

3、動(dòng)方向, 頻率, 振幅和振動(dòng)初位相都各不相同。間歇性：各原子發(fā)光是斷斷續(xù)續(xù)的,平均發(fā)光時(shí)間t 約為10-8秒,所發(fā)出的是一段一段長(zhǎng)為 L=ct 的光波列。普通光源發(fā)光:大量原子持續(xù)、隨機(jī)地發(fā)射的光波列：頻譜寬度或理論可證明：波矢 0oII0I0 /2有限長(zhǎng)的單色波列單色波:或16.2 光的偏振現(xiàn)象一、（完全）偏振光1、線偏振態(tài)（平面偏振態(tài)）光矢量在傳播中始終保持在一個(gè)固定平面上振動(dòng)。垂直平行2、圓偏振態(tài)光矢量繞著光的傳播方向旋轉(zhuǎn)，光矢量的端點(diǎn)軌跡是一個(gè)圓右旋圓偏振光與左旋圓偏振光:右旋圓偏振光迎著光線看，矢量順時(shí)針轉(zhuǎn)的稱右旋圓偏振光, 光矢量逆時(shí)針轉(zhuǎn)的稱左旋圓偏振光 y y /2某一時(shí)刻 E

4、的波形圖如下，判斷是左旋還是 旋圓偏振光右旋 yz 0左旋xy圓偏振態(tài)可分解為兩束振動(dòng)方向相互垂直的、等幅的、周相差為/2 線偏振光。圓偏振光波不僅攜帶能量和動(dòng)量，還有角動(dòng)量3、橢圓偏振態(tài) 光矢量繞著光的傳播方向旋轉(zhuǎn)，光矢量的端點(diǎn)軌跡是一個(gè)橢圓。 也有右旋橢圓偏振光與左旋橢圓偏振光右旋橢圓偏振光 橢圓偏振態(tài)可分解為兩束振動(dòng)方向相互垂直的、不等幅的、周相差恒定的 線偏振光的疊加。二個(gè)相互垂直、同頻率、相位差確定的線偏振光的疊加當(dāng) 時(shí)為橢圓偏振光當(dāng) ，且振幅相等時(shí)為圓偏振光橢圓（圓）偏振光 光源上一個(gè)原子一次發(fā)出的是一個(gè)線偏振光 波列，持續(xù)時(shí)間約10-8秒。各原子是獨(dú)立地、隨機(jī)地發(fā)光的。光矢量的大

5、小、方向、初位相等等也是隨機(jī)的。在我們觀察的時(shí)間t 內(nèi),在哪個(gè)方向都不占優(yōu)勢(shì)了，它們對(duì)其傳播方向形成軸對(duì)稱分布。二、自然光（非偏振光）這種大量振幅相同、有各種振動(dòng)方向、彼此沒有固定相位關(guān)系的光矢量的組合叫非偏振光或自然光沒有優(yōu)勢(shì)方向自然光的光強(qiáng)自然光用圖表示為一束自然光可分解為兩束振動(dòng)方向相互垂直的、等幅的、不相干的線偏振光。自然光的分解三、部分偏振光光強(qiáng)的分布不是軸對(duì)稱光矢量的振動(dòng)方向不具有軸對(duì)稱分布，而是在某一方向占優(yōu)勢(shì),稱部分偏振光，它介于自然光與線偏振光之間。部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光的圖示四、偏振片偏振片是以利用晶體的各向異性（對(duì)某一方向的光振動(dòng)有強(qiáng)烈吸收：消光方向，另一方

6、向可以通光：稱為偏振化方向）起偏.類似機(jī)械波通過狹縫通光方向線偏振光通過偏振片P前后的光強(qiáng)關(guān)系：五、 Malus 定 律I0IP式中 是線偏振光的光振動(dòng)方向與檢偏器透振方向間的夾角P E0E=E0cos消光改變，I 隨之改變線偏振光偏振片屏一束光強(qiáng)為I0的線偏振光，透過檢偏器以后，透射光的光強(qiáng)為 I=I0cos2 稱為馬呂斯定律。若光源為自然光自然光偏振片屏自然光入射，出射光強(qiáng)為證明：六、 檢偏用偏振器件分析、檢驗(yàn)光束的偏振狀態(tài)稱“檢偏”。偏振片既可“起偏”設(shè)入射光是自然光、線偏振光、或部分偏振光，如何用偏振片來區(qū)分它們？又可“檢偏”例：如圖， 在兩偏振化方向垂直的P1與P2之間放置另一偏振片

7、P3，求 I2=?， 但，對(duì)部分偏振光通過偏振片 立體電影在拍攝玻璃窗內(nèi)的物體時(shí)，去掉反射光的干擾未裝偏振片裝偏振片 The photograph is Anaglyph image. You can see in 3D with Red-Blue glasses 16.3 反射和折射時(shí)光的偏振實(shí)驗(yàn)表明:反射光中垂直入射面的分量比例大； 折射光中平行入射面的分量比例大。入射角 i 變, 反射、折射光的偏振度也變自然光反射和折射后產(chǎn)生部分偏振光一、布儒斯特角當(dāng) i=ib 時(shí),反射光中只有垂直入射面的分量，并且有 線偏振光起偏振角ib起偏角，或稱布儒斯特角由折射定律有布儒斯特定律例: 若 n1=1.00(空氣)，n2=1.50(玻璃)?；ビ嗫諝獠ＡРＡЭ諝?- 423350.100.1 185600.150.1 1b1btanitani二、布儒斯特定律線偏振光起偏振角 要提高反射線偏振光的強(qiáng)度，可利用玻璃片堆的多次反射?？諝獠Ａ?b= 4233 i玻璃空氣 b= 1856i(反射光是完全線偏振光 強(qiáng)度幾乎50%)ibibibibibib三、玻璃片堆a(bǔ) stack of glass plates演示：玻璃片堆應(yīng)用：外腔式激光管加裝布儒斯特窗,可得到偏振性極好的激光，同時(shí)還可減少反射損失。假如封閉管子兩