光學(xué)5(光的偏振)

§12.9

光的偏振橫波和縱波都能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象，而偏振是橫波所特有的性質(zhì)。光的偏振現(xiàn)象表明光是橫波。波的振動(dòng)方向相對(duì)于傳播方向的不對(duì)稱性，叫偏振。S自然光

普通光源發(fā)出的光，光矢量E在垂直于傳播方向的平面內(nèi)的取向完全隨機(jī)分布，沒有哪一個(gè)方向占優(yōu)勢(shì)。從統(tǒng)計(jì)上看E

的平均振幅在平面內(nèi)沿任一方向都相等，這樣的光叫自然光。XYZXYZOZO一、自然光與偏振光簡(jiǎn)單表示法

自然光經(jīng)過某些物質(zhì)的反射、折射或吸收后，可能只保留某一方向的光振動(dòng)。這種只有某一固定方向振動(dòng)的光叫做線偏振光或完全偏振光，簡(jiǎn)稱偏振光。完全偏振光光振動(dòng)平行屏幕光振動(dòng)垂直屏幕振動(dòng)面u部分偏振光垂直屏幕的光振動(dòng)較強(qiáng)平行屏幕的光振動(dòng)較強(qiáng)部分偏振光的各方向光矢量之間也沒有固定的相位關(guān)系，可以把部分偏振光看成是線偏振光與自然光的疊加。橢圓偏振光：在傳播過程中，光矢量圍繞傳播方向旋轉(zhuǎn)，其末端在垂直于傳播方向的平面上的投影是一橢圓。橢圓偏振光和圓偏振光圓偏振光：光矢量末端在垂直于傳播方向的平面上的投影是圓。

右旋橢圓偏振光：迎著光的前進(jìn)方向看時(shí)，光矢量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

左旋橢圓偏振光：迎著光的前進(jìn)方向看時(shí)，光矢量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

右旋橢圓偏振光二、反射和折射時(shí)光的偏振自然光反射和折射后，反射光和折射光都變成部分偏振光。布儒斯特定律

(i0—布儒斯特角或起偏角)時(shí)，反射光為線偏振光反射光與折射光互相垂直，即：Brewster(1781—1868)（3）玻璃片堆：線偏振光（2）雖然入射角為布儒斯特角時(shí)，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，此時(shí)折射光依然是部分偏振光。（1）反射光、折射光的偏振化程度隨入射角i而變。討論可提高反射光強(qiáng)度和折射光偏振化程度。例：下圖中折射光和反射光各屬于什么性質(zhì)的光？i0ii0ii0i三、晶體雙折射

《雙折射狂歡》攝影：KatrinaPutker

2007年尤里卡科學(xué)攝影大賽的獲獎(jiǎng)作品。此圖利用了雙折射的光學(xué)現(xiàn)象：光穿過某種物質(zhì)時(shí)，會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)折射率，產(chǎn)生彩虹效應(yīng)。這一技術(shù)被應(yīng)用到類似的餐桌背景中，作者用手對(duì)塑料材料進(jìn)行了擠壓，以提高整體效果。

方解石雙折射現(xiàn)象

o光e光尋常光和非常光兩折射光線中，一條遵從折射定律，稱為尋常光，簡(jiǎn)稱o光(Ordinary)；

另一條一般不在入射面內(nèi)，其傳播速度隨入射光方向的不同而變化，不遵從折射定律，這條折射光稱為非常光，簡(jiǎn)稱e光(Extraordinary)。光線入射到各向異性介質(zhì)后，出現(xiàn)兩條折射光線的現(xiàn)象。o光和e光只有在雙折射晶體的內(nèi)部才有意義；兩者都是線偏振光。如：方解石、石英、電氣石、紅寶石等。晶體的光軸：

光線沿晶體內(nèi)某個(gè)特殊方向傳播時(shí)，不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，這個(gè)方向稱為晶體的光軸。光軸是一特殊的方向,凡平行于此方向的直線均為光軸；幾何光學(xué)中透鏡的光軸指通過透鏡中心的直線。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。如方解石、石英、紅寶石等。如云母、硫磺等。石英紅寶石方解石云母正晶體和負(fù)晶體o光在各個(gè)方向上的傳播速度相同：e光在各方向上的傳播速度不相同：沿光軸方向：沿垂直光軸方向：其中no

，ne

叫作晶體的主折射率。正晶體：e光的波面是長橢球。負(fù)晶體：e光的波面是扁橢球。正晶體光軸負(fù)晶體o光e光光軸e光光軸

e

光的主平面o光光軸

o

光的主平面··光軸在入射面時(shí),該入射面就稱之為主截面。此時(shí)o光主平面和e

光主平面重合,此時(shí)o光振動(dòng)和e

光振動(dòng)相互垂直。一般情況下，兩個(gè)主平面夾角很小，故可認(rèn)為o光振動(dòng)和e光振動(dòng)仍然相互垂直。(o光振動(dòng)垂直o

光主平面)(e

光振動(dòng)平行于e

光主平面)主平面晶體中光的傳播方向與晶體光軸構(gòu)成的平面.光軸與

o

光構(gòu)成的平面叫

o光主平面.光軸與

e

光構(gòu)成的平面叫

e光主平面.晶體偏振器1.尼科耳棱鏡尼科耳棱鏡既可以作為起偏器，又可以作為檢偏器。o光e光光軸加拿大樹膠上述兩種棱鏡得到的偏振光質(zhì)量非常好，但棱鏡本身價(jià)格很高，因而使用較少。o光e光2.渥拉斯頓棱鏡負(fù)晶體四、偏振片的起偏與檢偏馬呂斯定律偏振片晶體（如硫酸金雞鈉鹼）對(duì)相互垂直的兩個(gè)光振動(dòng)分量具有選擇吸收的性能，稱為二向色性。將這種晶體涂敷于透明薄片上，就成為偏振片。偏振片是常用的起偏器和檢偏器，每個(gè)偏振片上都標(biāo)有偏振化方向。自然光I0線偏振光I偏振化方向線偏振光I'起偏器檢偏器馬呂斯定律(馬呂斯定律)消光現(xiàn)象當(dāng)當(dāng)(分析透過起偏器或檢偏器的光強(qiáng))公式中入射光必須是線偏振光，不是自然光。Malus

(1775-1812)

用偏振片檢驗(yàn)光的偏振態(tài)消光線偏振光強(qiáng)度變，無消光部分偏振光強(qiáng)度不變自然光偏振化方向偏振片轉(zhuǎn)一周五、偏振光的應(yīng)用1、制作偏振攝像鏡頭、太陽鏡等光學(xué)器件。

在雪地、海洋上或夏日陽光充足的白天，反射光很強(qiáng)，由于光是橫波，所以這些強(qiáng)烈的來自上空的散射光基本上是水平方向振動(dòng)的。因此，為保護(hù)視力，可戴一副只能透射豎直方向偏振光的眼鏡，或在望遠(yuǎn)鏡前加偏振片，可以便可擋住部分的散射光。

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)。相機(jī)鏡頭加偏振片前后照片對(duì)比2、汽車車燈、車窗、飛機(jī)舷窗等的制作。汽車夜間匯車時(shí)，為了避免雙方車燈的眩目，司機(jī)需要打近光，放慢車速，以免發(fā)生車禍。如駕駛室的前窗玻璃和車燈的玻璃罩都裝有偏振片，而且規(guī)定它們的偏振化方向都沿同一方向并與水平面成450角，那么，司機(jī)從前窗只能看到自已的車燈發(fā)出的光，而看不到對(duì)面車燈的光，這樣，汽車在夜間行駛時(shí)，既不要熄燈，也不要減速，可以保證安全行車。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。3、觀看立體電影拍攝立體電影時(shí)，用兩個(gè)攝影機(jī)從不同方向同時(shí)分別拍下同一物體的兩個(gè)畫像，放映時(shí)把兩個(gè)畫像同時(shí)映在銀幕上。每個(gè)放像機(jī)鏡頭上放一個(gè)偏振片，兩個(gè)偏振片的偏振化方向相互垂直，觀眾戴上用偏振片做成的眼鏡，左、右眼偏振片的偏振化方向分別與左、右放像機(jī)上的偏振化方向相同，這樣，銀幕上的兩個(gè)畫面分別通過兩只眼睛觀察，在人的腦海中就形成立體化的影像了。

人的眼睛對(duì)光的偏振狀態(tài)是不能分辨的，但某些昆蟲的眼睛對(duì)偏振卻很敏感。比如蜜蜂有五支眼，三支復(fù)眼、兩支復(fù)眼，每個(gè)復(fù)眼包含有6300個(gè)小眼，這些小眼能根據(jù)太陽的偏光確定太陽的方位，然后以太陽為定向標(biāo)來判斷方向，所以蜜蜂可以準(zhǔn)確無誤地把它的同類引到它所找到的花叢。4、生物的生理機(jī)能與偏振光

再如在沙漠中，如果不帶羅盤，人是會(huì)迷路的，但是沙漠中有一種螞蟻，它能利用天空中的紫外偏光導(dǎo)航，因而不會(huì)迷路。至少需要兩塊理想偏振片,如右圖所示。其中P1透光軸與線偏振光振動(dòng)方向的夾角為α，第二塊偏振片透光軸與P1透光軸夾角為(90o－α)。設(shè)入射線偏振光原來的光強(qiáng)為I0，則透射光強(qiáng)解例要使一束線偏振光通過偏振片后振動(dòng)方向轉(zhuǎn)過90°，至少需要讓這束光通過幾塊理想偏振片？在此情況下，透射光強(qiáng)最大是原來光強(qiáng)的多少倍？當(dāng)時(shí)，設(shè)自然光的光強(qiáng)為I0,偏振光的光強(qiáng)為I一束自然光和線偏振光的混合光，垂直通過一偏振片。當(dāng)偏振片以光線為軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí),發(fā)現(xiàn)其最大光強(qiáng)為最小光強(qiáng)的5倍。解例求入射光中兩種光線光強(qiáng)的比值入射光中自然光與線偏振光的光強(qiáng)之比為1/2解例求有兩個(gè)偏振片，一個(gè)用作起偏器，一個(gè)用作檢偏器。當(dāng)它們的偏振化方向之間的夾角為30o時(shí)，一束單色自然光穿過它們，出射光強(qiáng)為I1

；當(dāng)它們的偏振化方向之間的夾角為60o時(shí)，另一束單色自然光穿過它們，出射光強(qiáng)為I2

，且I1=I2

。兩束單色自然光的強(qiáng)度之比。

設(shè)第一束單色自然光的強(qiáng)度為I10

，第二束單色自然光的強(qiáng)度為I20

，根據(jù)馬呂斯定律

(1)

無吸收時(shí)，有(1)兩偏振片對(duì)光振動(dòng)平行于其偏振化方向的光線均無吸收(2)

有吸收時(shí)，有(2)

兩偏振片對(duì)光振動(dòng)平行于其偏振化方向的光線分別吸收了10%

的能量透射光的光強(qiáng)與入射光的光強(qiáng)之比是多大？平行放置兩偏振片，使它們的偏振化方向成60夾角。讓自然光垂直入射后,下列兩種情況下：解例求（1）該材料的折射率;已知某材料在空氣中的布儒斯特角（1）設(shè)該材料的折射率為n，空氣的折射率為1，(2)放在水中，則對(duì)應(yīng)有(3)該材料對(duì)水的相對(duì)折射率為解例求（2）若將它放在水中（n水=1.33），求布儒斯特角;（3）該材料對(duì)水的相對(duì)折射率是多少？對(duì)嗎？用方解石切割成正三角形截面的棱鏡，自然光以i角入射，定性畫出o光、e光的振動(dòng)方向和傳播方向。光軸方解石為負(fù)晶體，則在垂直于光軸的方向上ve>voo光e光ie光o光o光、e光只在晶體內(nèi)部才有意義！只有在晶體內(nèi)部才有意義例解DavidBrewster1781--1868蘇格蘭物理學(xué)家，主要從事光學(xué)方面的研究：(1)1812年發(fā)現(xiàn)了布儒斯特定律；(2)發(fā)現(xiàn)人為各向異性介質(zhì)中的雙折射；(3)1816年發(fā)明萬花筒；1818年發(fā)現(xiàn)雙軸晶體，1826年制造出馬蹄形電磁鐵，18