大學(xué)物理課件：12-12 光的偏振狀態(tài)

1、12-12 光的偏振狀態(tài)12-13 起偏和檢偏 馬呂斯定律12-14 反射和折射時(shí)光的偏振12-15 光的雙折射12-16 橢圓偏振光和圓偏振光 偏振光的干涉 人為雙折射17-17* 旋光現(xiàn)象三、 光的偏振12-12 光的偏振狀態(tài)偏振現(xiàn)象說明光是橫波。光矢量：電磁波中引起生理作用的主要是電場矢量，故稱電場矢量為光矢量。光波的振動(dòng)面：光矢量的振動(dòng)方向與光波傳播方向構(gòu)成的平面。干涉和衍射現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性。v0HE（1）線偏振光 振動(dòng)方向只限于某一固定方向的光 叫做線偏振光。由于線偏振光的光矢量保持在固定的振動(dòng)面內(nèi)，因此又名平面偏振光E播傳方向振動(dòng)面面對(duì)光傳播方向看（光振動(dòng)平行板面）（光振動(dòng)垂直

2、板面）線偏振光的表示法：（2）自然光 通常光源發(fā)出的光，它的振動(dòng)面不只限于一個(gè)固定方向而是在各個(gè)方向上均勻分布，沒有優(yōu)勢方向，這種光叫做自然光。自然光沒有偏振性。傳播方向 振動(dòng)方向自然光可分解為振動(dòng)方向相互垂直的、等幅的、無固定相位關(guān)系的不相干線偏振光。光強(qiáng)各自等于自然光光強(qiáng)的一半。自然光的表示法：沒有優(yōu)勢方向自然光的分解特點(diǎn)：等間距（3）部分偏振光可看成自然光和線偏振光的疊加。部分偏振光可分解為兩束振動(dòng)方向相互垂直的、不等幅的、不相干的線偏振光部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光的表示法：平行板面的光振動(dòng)較強(qiáng)垂直板面的光振動(dòng)較強(qiáng)+偏振度 (degree of polarization)描寫部

3、分偏振光的偏振性: I 部分偏振光的總強(qiáng)度In 部分偏振光中包含的自然光的強(qiáng)度Ip 部分偏振光中包含的線偏振光的強(qiáng)度完全偏振光：P = 1自然光（或非偏振光）：P = 0部分偏振光：0 P 1（3）圓和橢圓偏振光（綠點(diǎn)為光矢量的端點(diǎn)）圓偏振光橢圓偏振光右旋左旋光的偏振狀態(tài)可規(guī)為四類：完全偏振光(線偏振光) 、自然光 (非偏振光) 、部分偏振光、圓或橢圓偏振光。xyz傳播方向EEEEEE左旋圓偏光的光矢量E隨z的變化l/2起偏 由自然光獲得偏振光的過程。起偏器-產(chǎn)生起偏作用的光學(xué)儀器。偏振片是一種常用的起偏器，它只能透過沿某個(gè)方向的光矢量。該透光方向稱為偏振化方向或透光方向。偏振化方向 (透振方

4、向)自然光 I0偏振片線偏振光 I12-13 起偏和檢偏 馬呂斯定律1. 起偏和檢偏透過光的振動(dòng)方向平行于偏振化方向.自然光自然光垂直入射偏振片, 緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片, 觀察光強(qiáng)的變化.自然光.自然光偏振片：偏振化方向用平行線表示 自然光通過旋轉(zhuǎn)的偏振片，變?yōu)榫€偏振光；出射光強(qiáng)不變，總是入射光強(qiáng)的一半，即 I=I0/2檢偏：偏振片也可以作為檢偏器來使用，用于檢查入射光是否為偏振光。.起偏器檢偏器自然光線偏振光 自然光通過起偏器后變?yōu)榫€偏振光，然后通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，觀察出射光強(qiáng)的變化情況.自然光線偏振光.自然光線偏振光兩偏振片的偏振化方向平行時(shí)，光強(qiáng)最強(qiáng)；垂直時(shí)光強(qiáng)為零，稱為消光；旋轉(zhuǎn)一周出現(xiàn)兩次最

5、亮和兩次最暗。偏振片P2可用來判斷入射光是否為偏振光, 稱為檢偏器2. 馬呂斯定律設(shè)入射線偏振光的光強(qiáng)為 I1，透過檢偏器后的光強(qiáng)變?yōu)?I 2，則有：-線偏振光振動(dòng)方向與檢偏器偏振化方向之間的夾角I1I2P馬呂斯定律P2 A1A2=A1cos 設(shè)入射線偏振光的光矢量振幅為A1，P2為檢偏器的偏振化方向。入射光的振動(dòng)方向與P2的夾角為。馬呂斯定律的證明： 因?yàn)橹挥衅叫杏谄窕较虻墓馐噶坎拍芡高^檢偏器，因此透射光的振幅-光矢量沿P2方向的分量為：透射光的光強(qiáng)為：例1 光強(qiáng)的調(diào)制。在透振方向正交的起偏器M和檢偏器N之間，插入一片以角速度 旋轉(zhuǎn)的理想偏振片P（ t=0 時(shí)P/M），入射自然光強(qiáng)為I0

6、，試求由系統(tǒng)出射的光強(qiáng)是多少？解：如圖所示，M與N的偏振化方向互相垂直。設(shè)經(jīng)過M, P, N后的光強(qiáng)分別為I1, I2, I3。則：I1I2I3t = 0, 90, 180, 270時(shí)，輸出光強(qiáng)為零。t = 45, 135, 225, 315時(shí)，輸出光強(qiáng)最強(qiáng)為每旋轉(zhuǎn)P一周，輸出光強(qiáng)有“四明四零”。I1I2I3例2 一束自然光入射到重疊起來的四片偏振片上, 它們的偏振化依次順時(shí)針(迎著透射光看)偏開30角。求入射光中有百分之幾的光強(qiáng)透過這組偏振片(不計(jì)偏振片的吸收).解: 設(shè)入射光的光強(qiáng)為I0, 透過第1、2、3、4片的光強(qiáng)分別為I1 、I2 、I3 、I4,可見透射光強(qiáng)為入射光的21%.例3

7、用偏振片平行放置作為起偏器和檢偏器, 在它們的偏振化方向成30角時(shí), 觀測一光源; 再將夾角改為60 , 換一個(gè)光源，兩次測得光強(qiáng)相等。求兩光源照到起偏器的光強(qiáng)之比.解: 設(shè)兩光源照起偏器的光強(qiáng)分別為I1和I2，則起偏器后的光強(qiáng)分別為I1 / 2和I2 / 2。 依題意，設(shè)檢偏器后的光強(qiáng)分別為 和 ，由馬呂斯定律：12-14 反射和折射時(shí)光的偏振 當(dāng)自然光照射到介質(zhì)分界面時(shí)，其反射和折射光會(huì)產(chǎn)生偏振現(xiàn)象。下圖代表空氣和玻璃的分界面當(dāng) i 等于某一特定角度 iB 時(shí)，反射光中平行于入射面的振動(dòng)變?yōu)榱?，只有垂直于入射面的振?dòng)，即反射光為振動(dòng)方向垂直于入射面的完全線偏振光。這一特定角度 iB 稱為起

8、偏振角(布儒斯特角)。折射光仍為部分偏振光。n1n2iir自然光反射和折射后產(chǎn)生部分偏振光 n1n2iBiBrB線偏振光S起偏角布儒斯特角（起偏角）取決于界面兩側(cè)介質(zhì)的折射率。 n2-折射光傳播介質(zhì)，n1-入射光與反射光傳播介質(zhì)。布儒斯特定律實(shí)驗(yàn)證明, 當(dāng)入射角i = iB時(shí), 即反射光與折射光互相垂直。 得：根據(jù)折射定律，有： n1n2iBiBr線偏振光S起偏角例如(玻璃)，則：(空氣)，實(shí)驗(yàn)表明：反射光雖然是線偏振的，但強(qiáng)度不大。例如自然光從空氣射入玻璃表面時(shí)，線偏振反射光僅占入射自然光總能量的15%，絕大部分垂直分量和全部平行分量都在折射光內(nèi)?；ビ?.51.51.51.01.01.01.

9、0 為增加反射光的強(qiáng)度和折射光的偏振化程度，可采用玻璃片堆的辦法。 一束自然光以起偏角56.3入射到20層平板玻璃上，在玻璃片下表面處的反射，其入射角33.7也正是光從玻璃射向空氣的起偏振角，則反射光仍是垂直于入射面振動(dòng)的偏振光。 當(dāng)玻璃片足夠多時(shí)，透射光接近完全偏振光，其振動(dòng)面就在折射面內(nèi)，并與反射光的振動(dòng)面相互垂直。玻璃片堆可做起偏器例1 已知光從空氣射入某材料，布儒斯特角iB為58，求它的折射率？若光從水中（水的折射率為1.33）入射該材料，求布儒斯特角？該材料對(duì)水的相對(duì)折射率是多少？解: 設(shè)該材料的折射率為n，空氣的折射率為1。根據(jù)布儒斯特定律得，若放在水中，則有所以，該材料對(duì)水的相對(duì)折射率為1.20 例2 如圖，自然光由空氣入射到折射率n2=1.33的水面上，入射角為i 時(shí)使反射光為完全偏振光。今有一塊玻璃浸入水中，其折射率n3=1.5, 若光由玻璃面反射也成為完全偏振光，求水面與玻璃之間的夾角。解： 由圖可知，=i2 - 為所求的角。 根據(jù)反射光成為完全偏振光的條件： =900- i 又因 i和i2 是布儒斯特角， 由布儒斯特定律可得：例3 用