高中物理競(jìng)賽-光學(xué)篇(基礎(chǔ)版)56光的偏振(共41張)課件

1、2020物理競(jìng)賽光的偏振1712 光的偏振性 馬呂斯定律1713 反射光和折射光的偏振1714 雙折射 偏振棱鏡1715 旋光現(xiàn)象1716 偏振光的干涉1717 非線(xiàn)性光學(xué)現(xiàn)象2020物理競(jìng)賽光的偏振1712 光的偏振性 馬呂斯定復(fù) 習(xí)圓孔衍射 光學(xué)儀器的分辨率衍射光柵X射線(xiàn)的衍射全息照相復(fù) 習(xí)圓孔衍射 光學(xué)儀器的分辨率一、光的偏振性1、橫波和縱波的區(qū)別偏振縱波：振動(dòng)方向與傳播方向一致，不存在偏振問(wèn)題； 橫波：垂直，存在偏振問(wèn)題。定義：振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱(chēng)性稱(chēng)為偏振性。說(shuō)明：只有橫波才具有偏振現(xiàn)象，偏振現(xiàn)象是橫波區(qū)別于縱波的最明顯的特征。1712 光的偏振性 馬呂斯定律一、光的偏振性1

2、、橫波和縱波的區(qū)別偏振定義：振動(dòng)方向?qū)τ?、光的偏振性：對(duì)于平面電磁波，電場(chǎng)強(qiáng)度矢量光矢量的振動(dòng)方向于傳播方向垂直。光矢量的振動(dòng)方向總是與光的傳播方向垂直的，即光矢量的橫向振動(dòng)狀態(tài)，相對(duì)于傳播方向不具有對(duì)稱(chēng)性，這種光矢量的振動(dòng)相對(duì)于傳播方向的不對(duì)稱(chēng)性，稱(chēng)為光的偏振性。光的偏振性說(shuō)明光波是橫波2、光的偏振性：光矢量的振動(dòng)方向總是與光的傳播方向垂直的，即二、偏振態(tài)的分類(lèi)1、自然光 各個(gè)方向上光振動(dòng)振幅相同的光，稱(chēng)為自然光。特點(diǎn)：在所有可能的方向上，光矢量的振幅都相等；自然光可分解為振動(dòng)方向相互垂直但取向任意的兩個(gè)線(xiàn)偏振光，它們振幅相等，沒(méi)有確定的相位關(guān)系，各占總光強(qiáng)的一半。自然光的表示方法：圓點(diǎn)與

3、短線(xiàn)等距離地交錯(cuò)、均勻地畫(huà)出。.xy二、偏振態(tài)的分類(lèi)1、自然光 特點(diǎn)：.xy2、線(xiàn)偏振光定義：在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，光矢量只沿某一個(gè)固定方向振動(dòng)，則稱(chēng)為線(xiàn)偏振光，又稱(chēng)為平面偏振光或線(xiàn)偏振光。3、部分偏振光定義：光波中不同方向上的光振動(dòng)振幅不等，在某一方向上振幅最大，而與之垂直的方向上的振幅最小，則稱(chēng)為部分偏振光。特點(diǎn)：部分偏振光兩垂直方向光振動(dòng)之間無(wú)固定的相位差。偏振光的表示法部分偏振光的表示法2、線(xiàn)偏振光定義：在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，光矢量只沿某一個(gè)4、橢圓偏振光和圓偏振光： 光矢量末端的運(yùn)動(dòng)軌跡是橢圓或圓。圓偏振光線(xiàn)偏光橢圓偏振光在迎光矢量圖上，光矢量端點(diǎn)沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的稱(chēng)為左旋偏

4、振光；沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的稱(chēng)為右旋偏振光。4、橢圓偏振光和圓偏振光：圓偏振光線(xiàn)偏光橢在迎光矢量圖上，光三、偏振度1、定義：若與最大和最小振幅對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)分別為Imax和Imin，則偏振度的定義為2、光的偏振度自然光： Imax=Imin，P=0，偏振度最?。痪€(xiàn)偏振光： Imin=0，P=1，偏振度最大；部分偏振光： 0P1。三、偏振度1、定義：2、光的偏振度四、偏振片 起偏和檢偏1、基本概念普通光源發(fā)出的是自然光，用于從自然光中獲得偏振光的器件稱(chēng)為起偏器。人的眼睛不能區(qū)分自然光與偏振光，用于鑒別光的偏振狀態(tài)的器件稱(chēng)為檢偏器2、偏振片是一種人工膜片，對(duì)不同方向的光振動(dòng)有選擇吸收的性能，從而使膜片中有

5、一個(gè)特殊的方向，當(dāng)一束自然光射到膜片上時(shí)，與此方向垂直的光振動(dòng)分量完全被吸收，只讓平行于該方向的光振動(dòng)分量通過(guò)，即只允許沿某一特定方向的光通過(guò)的光學(xué)器件，叫做偏振片。這個(gè)特定的方向叫做偏振片的偏振化方向，用“ ”表示。四、偏振片 起偏和檢偏1、基本概念2、偏振片3、起偏器自然光通過(guò)偏振片后成為線(xiàn)偏振光，線(xiàn)偏振光的振動(dòng)方向與偏振片的偏振化方向一致。4、檢偏器用來(lái)檢驗(yàn)?zāi)骋皇馐欠衿窆?。方法：轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片，觀察透射光強(qiáng)度的變化。自然光：透射光強(qiáng)度不發(fā)生變化3、起偏器4、檢偏器偏振光：透射光強(qiáng)度發(fā)生變化部分偏振光：偏振光通過(guò)偏振片后，在轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片的過(guò)程中，透射光強(qiáng)度發(fā)生變化。偏振光：透射光強(qiáng)度發(fā)生變化

6、部分偏振光：偏振光通過(guò)五、馬呂斯定律馬呂斯 ( Etienne Louis Malus 1775-1812 )法國(guó)物理學(xué)家及軍事工程師。出生于巴黎。1808年發(fā)現(xiàn)反射光的偏振，確定了偏振光強(qiáng)度變化的規(guī)律；1810年被選為巴黎科學(xué)院院士，曾獲得過(guò)倫敦皇家學(xué)會(huì)獎(jiǎng)?wù)隆?811年，他發(fā)現(xiàn)折射光的偏振。五、馬呂斯定律馬呂斯 ( Etienne Louis Mal1、馬呂斯定律的內(nèi)容強(qiáng)度為I0的偏振光，通過(guò)檢偏器后，透射光的強(qiáng)度為： I=I0 cos2其中為檢偏器的偏振化方向與入射偏振光的偏振化方向之間的夾角。AII01、馬呂斯定律的內(nèi)容AII0為線(xiàn)偏光的光振動(dòng)方向ON與檢偏器透振方向OM間的夾角。一束光

7、強(qiáng)為I0的自然光透過(guò)檢偏器，透射光強(qiáng)為I0 /22、解釋I=I0 cos2為線(xiàn)偏光的光振動(dòng)方向ON與檢偏器透振方向OM間的夾角。3、討論當(dāng)檢偏器以入射光為軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，透射光強(qiáng)度將有變化。起偏器與檢偏器偏振化方向平行時(shí)：=0 或=，I=I0，透射光強(qiáng)度最大；起偏器與檢偏器偏振化方向垂直時(shí)：=/2 或=3/2，I=0，透射光強(qiáng)度最小；為其它角度時(shí)，透射光的強(qiáng)度介于0I0之間。 馬呂斯定律是對(duì)偏振光的無(wú)吸收而言的，對(duì)于自然光并不成立。若是自然光I0，通過(guò)偏振片后，II0/2，偏振片在這里實(shí)際上起著起偏器的作用。當(dāng)兩個(gè)偏振片互相垂直時(shí)，光振動(dòng)沿第一個(gè)偏振片偏振化方向的線(xiàn)偏振光被第二個(gè)偏振片完全吸收，出現(xiàn)

8、所謂的消光現(xiàn)象。3、討論例題：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，入射自然光強(qiáng)為I0，試求由系統(tǒng)出射的光強(qiáng)是多少？每旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，輸出光強(qiáng)有“四明四零”。t=00,900,1800,2700時(shí)，輸出光強(qiáng)為零。t=450,1350,2250,3150時(shí)，輸出光強(qiáng)為 。例題：在透振方向正交的起偏器M和檢偏器 N 之間，插入一片以附、偏振光的應(yīng)用附、偏振光的應(yīng)用1713 反射光和折射光的偏振一、反射光和折射光的偏振自然光在兩種各向同性介質(zhì)的分界面上反射和折射時(shí)，不但光的傳播方向要改變，而且光的偏振狀態(tài)也要改變，所以反射光和折射光都是部分偏振光。in1n

9、2在一般情況下，反射光是以垂直于入射面的光振動(dòng)為主的部分偏振光；折射光是以平行于入射面的光振動(dòng)為主的部分偏振光。1713 反射光和折射光的偏振一、反射光和折射光的偏振自然二、布儒斯特定律1、布儒斯特定律內(nèi)容反射光的偏振化程度與入射角有關(guān)，若光從折射率為n1的介質(zhì)射向折射率為n2的介質(zhì)，當(dāng)入射角滿(mǎn)足這實(shí)驗(yàn)規(guī)律可用電磁場(chǎng)理論的菲涅耳公式解釋。時(shí)，反射光中就只有垂直于入射面的光振動(dòng)，而沒(méi)有平行于入射面的光振動(dòng)，這時(shí)反射光為線(xiàn)偏振光，而折射光仍為部分偏振光。這就是Brewster定律。其中i0叫做起偏角或布儒斯特角。2、利用反射和折射時(shí)的偏振可以做起偏和檢偏n1n2i0二、布儒斯特定律1、布儒斯特定律

10、內(nèi)容這實(shí)驗(yàn)規(guī)律可用電磁場(chǎng)理論3、說(shuō)明當(dāng)入射角是布儒斯特角時(shí)，折射光與入射光垂直。由折射定律： n1sini0=n2sin0 布儒斯特定律： tg i0= n2 /n1即： n1sini0=n2cosi0相比較： cosi0= sin0故 i0= sin0=/2理論實(shí)驗(yàn)表明：反射所獲得的線(xiàn)偏光僅占入射自然光總能量的7.4%，而約占85%的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。1.51.51.51.01.01.01.0反射光能量較弱，透射光較強(qiáng)。為了獲得一束強(qiáng)度較高的偏振光，可以使自然光通過(guò)一系列玻璃片重疊在一起的玻璃堆，并使入射角為起偏角，則透射光近似地為線(xiàn)偏振光。n1n2i03、說(shuō)明理論實(shí)驗(yàn)表

11、明：反射所獲得的線(xiàn)偏光僅占入射自然光總能量例題：已知某材料在空氣中的布儒斯特角 ip=580， 求它的折射率？若將它放在水中（水的折射率為 1.33），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放在水中，則對(duì)應(yīng)有所以：該材料對(duì)水的相對(duì)折射率為1.2。例題：已知某材料在空氣中的布儒斯特角 ip=580， 求它的1714 雙折射 偏振棱鏡一、光的雙折射現(xiàn)象天然的方解石晶體是雙折射晶體AB1、光的雙折射現(xiàn)象一束自然光射向石英、方解石等各向異性介質(zhì)時(shí)，其折射光有兩束，這種現(xiàn)象稱(chēng)為雙折射現(xiàn)象。1714 雙折射 偏振棱鏡一、光的雙折射現(xiàn)象天然的方解AB2、

12、光軸某些晶體內(nèi)有一個(gè)確定的方向，在這個(gè)方向上，o光和e光的傳播速度相同，這個(gè)方向稱(chēng)為晶體的光軸。MMNN說(shuō)明：沿光軸方向入射的光束，通過(guò)晶體不分為兩束光，仍沿入射方向行進(jìn)。它是一個(gè)特征方向。具有一個(gè)光軸的晶體，稱(chēng)為單軸晶體。例如：方解石、石英等。具有兩個(gè)光軸的晶體，稱(chēng)為雙軸晶體。例如：云母、硫黃等。光軸光軸AB2、光軸MMNN說(shuō)明：光軸光軸若沿光軸方向入射，o光和e光具有相同的折射率和相同的波速，因而無(wú)雙折射現(xiàn)象。3、尋常光（o光）和非常光（e光）尋常光：對(duì)于晶體一切方向都具有相同的折射率，且在入射面內(nèi)傳播，簡(jiǎn)稱(chēng)它為o光。非常光：它的折射率（即波速）隨方向而變化，并且不一定在入射面內(nèi)傳播，簡(jiǎn)稱(chēng)

13、為 e 光。 o光振動(dòng)方向垂直于該光線(xiàn)（在晶體中）與光軸組成的平面。e 光振動(dòng)方向平行于該光線(xiàn)（在晶體中）與光軸組成的平面。若光軸在入射面內(nèi)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：o光、 e光均在入射面內(nèi)傳播，且振動(dòng)方向相互垂直。oe若沿光軸方向入射，o光和e光具有相同的折射率和相同的波速，因4、晶體的主截面由光軸和晶體表面的法線(xiàn)所組成的平面，稱(chēng)為晶體主截面。例如，方解石的主截面是一平行四邊形。5、光的主平面由光軸和晶體內(nèi)已知光線(xiàn)組成的平面，稱(chēng)為該光線(xiàn)的主平面。o光和e光有各自的主平面。o光和e光都是線(xiàn)偏振光，o光的振動(dòng)方向垂直于自己的主平面，e光的振動(dòng)方向平行于自己的主平面。當(dāng)入射光的入射面與晶體的主截面重合時(shí)，o光和

14、e光都在入射面內(nèi)且振動(dòng)方向互相垂直。4、晶體的主截面5、光的主平面二、尼科耳棱鏡ACNM2、結(jié)構(gòu)兩塊特殊要求加工的直角方解石，光軸在ACNM平面內(nèi)方向與AC成480，入射面取ACNM面方解石的折射率n0=1.658, ne=1.486，加拿大樹(shù)膠的折射率n=1.55，O光入射角大于其臨界角為69012，被全反射，在CN處為涂黑層所吸收。出射偏振方向在ACNM平面內(nèi)的偏振光。e760O2206801、引入天然方解石厚度有限，不可能把o光和e光分得很開(kāi)。二、尼科耳棱鏡ACNM2、結(jié)構(gòu)方解石的折射率n0=1.653、尼科耳棱鏡可以起偏和檢偏三、惠更斯原理對(duì)雙折射現(xiàn)象的解釋3、尼科耳棱鏡可以起偏和檢偏

15、三、惠更斯原理對(duì)雙折射現(xiàn)象的解釋四、波片 1、四分之一波片 能使出射的兩束線(xiàn)偏振光產(chǎn)生/2相位差的波片稱(chēng)為四分之一波片 2、二分之一波片 能使出射的兩束線(xiàn)偏振光產(chǎn)生相位差的波片稱(chēng)為二分之一波片四、波片 1、四分之一波片 2、二分之一波片 光彈現(xiàn)象 五、人為雙折射現(xiàn)象透明的各向同性介質(zhì)在機(jī)械應(yīng)力作用下，顯示出光學(xué)上的各向異性，與OO為光軸的雙折射類(lèi)似，這種現(xiàn)象叫做光彈效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，在一定脅強(qiáng)強(qiáng)范圍內(nèi)：S為材料 E受力的面積。 k為脅強(qiáng)光學(xué)系數(shù) 光彈現(xiàn)象 五、人為雙折射現(xiàn)象透明的各向同性介質(zhì)在機(jī)械 克爾效應(yīng)某些各向同性的透明介質(zhì)（如非晶體和液體），在外電場(chǎng)的作用下，顯示出雙折射現(xiàn)象，稱(chēng)為克爾效應(yīng)

16、。當(dāng)外電場(chǎng)撤消時(shí)，這種性質(zhì)立即消失，因此，也稱(chēng)為電致雙折射現(xiàn)象。光軸沿電場(chǎng)強(qiáng)度的方向+ -cc兩光通過(guò)厚度為l 的液體時(shí)，光程差為：若去掉盒內(nèi)電場(chǎng)，則沒(méi)有光從N透出。整個(gè)系統(tǒng)起“光開(kāi)關(guān)”的作用。通過(guò)控制外加電壓，可調(diào)節(jié)輸出的光脈沖的長(zhǎng)短和頻率，把電訊號(hào)轉(zhuǎn)變成光訊號(hào)。由于光電效應(yīng)幾乎沒(méi)有慣性，電訊號(hào)的控制速度可達(dá)10-9 m/s?！肮忾_(kāi)關(guān)”,“光調(diào)制器”、“光斷續(xù)器”有極快的速度啟閉光路或調(diào)制光強(qiáng)，目前廣泛應(yīng)用于高速攝影、電影、電視和激光通訊等許多領(lǐng)域。 克爾效應(yīng)某些各向同性的透明介質(zhì)（如非晶體和液體），在外電1715 旋光現(xiàn)象一、旋光現(xiàn)象偏振光通過(guò)某些透明物質(zhì)后，其振動(dòng)面方將以光的傳播方向?yàn)檩S

17、線(xiàn)轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為旋光現(xiàn)象。能夠產(chǎn)生旋光現(xiàn)象的物質(zhì)稱(chēng)為旋光物質(zhì)。如石英、糖、酒石酸鉀鈉等。右旋物質(zhì)：迎著光的傳播方向觀看，使振動(dòng)面按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的物質(zhì)，如葡萄糖、石英等。左旋物質(zhì)：迎著光的傳播方向觀看，使振動(dòng)面按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的物質(zhì)，如果糖等。不同的氨基酸和DNA等也有左右旋的不同，這些是目前生物學(xué)研究的課題。二、旋光物質(zhì)1715 旋光現(xiàn)象一、旋光現(xiàn)象偏振光通過(guò)某些透明物質(zhì)后，C是旋光物質(zhì)；F為濾色片；M為起偏器；旋光物體放在兩個(gè)正交的偏振片M與N之間，將會(huì)看到視場(chǎng)由原來(lái)的零變亮，把檢偏器 N 旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，又可得到零視野。三、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)證明：振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度與材料的厚度d、濃

18、度C 以及入射光的波長(zhǎng) 有關(guān)。對(duì)于固體：定義為旋光系數(shù)，它是入射光波長(zhǎng)的函數(shù)對(duì)于液體：式中C為溶液的濃度。四、應(yīng)用：制糖工業(yè)，測(cè)定糖液濃度的糖量計(jì)C是旋光物質(zhì)；F為濾色片；M為起偏器；旋光物體放在兩三、實(shí)驗(yàn)1716 偏振光的干涉一、橢圓偏振光和圓偏振光橢圓偏振光和圓偏振光都是完全偏振光，均可等效為兩個(gè)具有恒定相位差、相同振動(dòng)頻率、振動(dòng)方向相互垂直的線(xiàn)偏振光。波片可以將垂直入射的線(xiàn)偏光分解成同頻率、相互垂直振動(dòng)的O 光和 e光，它們沿同一方向傳播。eO光軸d波片厚度d 決定O 光、 e光恒定相位差的大小。因此，可用它來(lái)產(chǎn)生橢圓偏振光、圓偏振光或改變?nèi)肷涞钠駪B(tài)。1716 偏振光的干涉一、橢圓偏振光和圓偏振光橢圓偏振光M是起偏器，經(jīng)它可從自然光中獲得垂直射向波片C的線(xiàn)偏光。雙折射晶體C光軸平行于晶體表面，透振方向與光軸方向之間的夾角 垂直射入波片的線(xiàn)偏光，分解成O光，其振動(dòng)方向垂直于入射面，垂直光軸；分解成的 e光，振動(dòng)方向平行于入射面，平行于光軸。 若C為1/4波片，即=/2，且若=450，則出射圓偏振光若C為1/4波片，且450、 900或00，則出射橢圓偏振光 若C不為波長(zhǎng)片也不是半波片，即 k 時(shí)，且450、 900或、 00 時(shí)，則從C垂直出射橢圓偏振光。經(jīng)