大學(xué)物理：第15章光的偏振

第15章光的偏振1§15-1偏振態(tài)和偏振光自然光?光的偏振性Polarization??光是電磁波在人眼視覺范圍內(nèi)的波段400nm

700nm。對(duì)應(yīng)紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫光。??電磁波是橫波??研究光的振動(dòng)方向的特性即光的偏振性。??光的生理作用、感光現(xiàn)象，實(shí)際是電矢量在起作用即是電場(chǎng)強(qiáng)度

矢量。第15章光的偏振E播傳方向振動(dòng)面21.光偏振態(tài)的分類1.)自然光可分解為兩個(gè)方向任意互相垂直、振幅相等，沒有任意相位關(guān)系的偏振光。??????2.)完全偏振光XY???線偏振光XY????迎光矢量圖沒有優(yōu)勢(shì)方向自然光的分解3線偏振光E播傳方向振動(dòng)面·面對(duì)光的傳播方向看線偏振光可沿兩個(gè)相互垂直的方向分解EEyEx

yx右旋圓偏振光右旋橢圓偏振光3)圓偏振光,橢圓偏振光(p227)是同頻率、有恒定相差及相互垂直的相干光。4部分偏振光部分偏振光的分解部分偏振光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)··2)部分偏振光：自然光加線偏振光、自然光加橢圓偏振光、自然光加圓偏振光，都是部分偏振光。???5§15-2偏振片馬呂斯定律1.偏振片起偏和檢偏二向色性的有機(jī)晶體，如硫酸碘奎寧、電氣石或聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后，在高溫下拉伸、烘干，然后粘在兩個(gè)玻璃片之間就形成了偏振片。它有一個(gè)特定的方向，只讓平行與該方向的振動(dòng)通過。?????????起偏起偏檢偏62?馬呂斯定律一束光強(qiáng)為的線偏光，透過檢偏器以后，透射光強(qiáng)為：為線偏光的光振動(dòng)方向OM與檢偏器透振方向ON間的夾角。??????一束光強(qiáng)為的自然光透過檢偏器，透射光強(qiáng)為：7例1.若要使振幅為A0振動(dòng)方向如圖的線偏振光的光振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)90，最少需要幾塊偏振片？這些偏振片怎樣放置才能使透射光的光強(qiáng)最大。a0A1P2Pb至少需要兩塊偏振片P1和P2如圖放置才能使線偏振光的光振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)90，解：8???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2.

光強(qiáng)的調(diào)制。在偏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，試求由系統(tǒng)出射的光強(qiáng)是多少？解:9

§15-3反射和折射時(shí)的偏振光反射光成為振動(dòng)方向垂直于入射面的完全偏振光。光從折射率為

n1

的介質(zhì)射向折射率為n2

的介質(zhì)，當(dāng)入射角等于某一定值

滿足：????????????10理論實(shí)驗(yàn)表明：反射所獲得的線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。在玻璃片下表面處的反射，其入射角33.70也正是光從玻璃射向空氣的起偏振角，所以反射光仍是垂直于入射面振動(dòng)的偏振光。為了增加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56.30入射到20層平板玻璃上，如圖：??????1.51.51.51.01.01.01.0???????11

例畫出下列圖中的反射光和折射光。例圖n1n2(a)in1n2(b)i0ion1n2(d)i0n1n2(c)i12

例題填空：(1)平行光以60o的入射角由空氣射向一平板玻璃，發(fā)現(xiàn)反射光是完全偏振光,則折射光的折射角為。玻璃的折射率為。(2)某透明媒質(zhì)對(duì)空氣全反射的臨介角為45o,則光從空氣射向該媒質(zhì)時(shí)的布儒斯特角為。解因io+r=90o，所以折射角r=30o。又30o所以io

=tg-154.7o13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4:已知某材料在空氣中的布儒斯特角，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：14§15-4雙折射與光的偏振1.晶體雙折射現(xiàn)象2.尋常光(o光)和非常光（e光）o光:遵從折射定律e光:一般不遵從折射定律e光折射線也不一定在入射面內(nèi)。n1n2irore(各向異性媒質(zhì))自然光o光e光···

方解石oeeo···15?

光的雙折射現(xiàn)象SS’方解石晶體實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)二在各向同性的介質(zhì)中S’是點(diǎn)物S的象天然的方解石晶體是雙折射晶體AB162３晶體的光軸和主平面當(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，方解石晶體(冰洲石)AB光軸102°

光軸是一特殊的方向,凡平行于此方向的直線均為光軸。單軸晶體：只有一個(gè)光軸的晶體雙軸晶體：有兩個(gè)光軸的晶體與每兩棱成1020的頂點(diǎn)作3棱的等分角線即為光軸方向。171.)主平面和主截面主平面：晶體中光的傳播方向與晶體光軸構(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····主截面：晶體表面的法線與晶體光軸構(gòu)成的平面。18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，因而無雙折射現(xiàn)象。?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（即波速相同），且在入射面內(nèi)傳播，簡稱它為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，簡稱為

e

光。

O光振動(dòng)方向垂直于該光線（在晶體中）與光軸組成的主平面。

e

光振動(dòng)方向平行于該光線（在晶體中）與光軸組成的主平面。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。19························vot光軸光軸vetvoto光:e光:

n0，ne稱為晶體的主折射率votvet光軸子波源vet子波源vot光軸正晶體:ne>no(e<o)負(fù)晶體:ne<no(e>o)４.關(guān)于雙折射的解釋20?用惠更斯原理解釋光的雙折射現(xiàn)象惠更斯原理：o光在晶體內(nèi)任意點(diǎn)所引起的波陣面是球面。即具有各向同性的傳播速率。e

光在晶體內(nèi)任意點(diǎn)所引起的波陣面是以光軸為軸的旋轉(zhuǎn)橢球面。沿光軸方向與O光具有相同的速率。負(fù)晶如方解石CaCO3正晶如石英SiO2e光波面O光波面光軸方向e光波面O光波面光軸方向e>oe<o21

e光在垂直于光軸方向上的傳播速率，在該方向的折射率

e光在其它方向上的折射率在之間。為簡略以下使用凡屬，即晶體稱為正晶。ne>no凡屬，即晶體稱為負(fù)晶。ne<noe>oe<o方解石1.48641.6584石英1.55341.5443對(duì)波長為589.3納米的鈉黃光記住：在非光軸方向，o光e光傳播方向不同，電場(chǎng)強(qiáng)度振動(dòng)方向互相垂直22p244

1.2.3.單軸晶體中光傳播的惠更斯作圖法(不要求)1.)光軸平行晶體表面，自然光垂直入射····

eoeo光軸晶體····

o,e在方向上雖沒分開，但速度上是分開的。2.光軸平行晶體表面，且垂直入射面，自然光斜入射····晶體光軸ir0reo

········oΔteΔteo

ecΔt(e>o)23雙折射現(xiàn)象的應(yīng)用:15.4.5尼科耳棱鏡

245??尼科耳棱鏡光軸在ACNM平面內(nèi)方向與AC成480，入射面取ACNM面兩塊特殊要求加工的直角方解石，如圖：加拿大樹膠的折射率n=1.55.o光入射角大于其臨界角arcsin(1.55/1.658)=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。方解石的折射率n0=1.658,ACNM?e?760O220680220?e24例5.

一束光具有自然光和偏振光的混合光，讓它垂直通過一偏振片，若以此入射光束為軸，旋轉(zhuǎn)偏振片時(shí)，測(cè)得透射光強(qiáng)強(qiáng)度的最大值是最小值的5倍，求入射光束中，自然光與線偏振光的光強(qiáng)比值。

解：設(shè)入射光束中自然光強(qiáng)為I0，線偏振光的光強(qiáng)為I1，則又因所以2515章完§15-5偏振光的干涉(P247—250不要求)2614.5*X

射線衍射布喇格公式?X

射線原子內(nèi)殼層電子躍遷產(chǎn)生的一種輻射和高速電子在靶上驟然減速時(shí)伴隨的輻射，稱為X射線。其特點(diǎn)是：#在電磁場(chǎng)中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。#穿透力強(qiáng)#波長較短的電磁波，范圍在0.001nm~10nm之間。AK高壓1895年德國的倫琴發(fā)現(xiàn)X射線。27X射線晶體衍射

天然晶體可以看作是光柵常數(shù)很小的空間三維衍射光柵。1912年勞厄的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖：BCP鉛版天然晶體乳膠板在乳膠板上形成對(duì)稱分布的若干衍射斑點(diǎn)，稱為勞厄斑。1913年英國物理學(xué)家布喇格父子提出一種簡化了的研究X射線衍射的方法，與勞厄理論結(jié)果一致。（p220）28?布喇格公式同一晶面上相鄰原子散射的光波的光程差零AD-CB=0，它們相干加強(qiáng)。若要在該方向上不同晶面上原子散射光相干加強(qiáng)，則必須滿足：即當(dāng)時(shí)各層面上的反射光相干加強(qiáng)，形成亮點(diǎn)，稱為k級(jí)干涉主極大。該式稱為布喇格公式。因?yàn)榫w有很多組平行晶面，晶面間的距離d各不相同