大學物理學 光的偏振一

2.偏振光1.自然光(naturallightorunpolarizedlight)3.部分偏振光①線偏振光(linearlypolarizedlight)②圓偏振光(circularpolarizedlight)③橢圓偏振光(ellipticalpolarizedlight)(偏振光+自然光)

①部分線偏振光②部分圓偏振光③部分橢圓偏振光第14章光的偏振(Polarization)14.1光的偏振狀態(tài)

在空間某定點垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，光矢量可能有各種不同振動狀態(tài)，這種振動狀態(tài)稱為偏振狀態(tài)。1垂直方向同頻率簡諧振動的合成1.分振動x=A1cos(

t+

1)y=A2cos(

t+

2)2.合運動(1)合運動一般是在2A1(x向)、2A2(y向)范圍內(nèi)的一個橢圓；(2)橢圓的性質(zhì)(方位、長短軸、左右旋)在A1、A2確定之后,主要決定于

=

2-

1。補充材料(波動部分)：xyz2

=5

/4

=3

/2

=7

/4

=0

=

=

/2

=3

/4Q

=

/4P

·.

φ不同，質(zhì)點的運動軌跡不同。質(zhì)點運動軌跡隨

φ的變化情況如下圖：x=A1cos(

t+

1)y=A2cos(

t+

2)補充材料(波動部分)：3單色平面電磁波沿z軸傳播，其光矢量是在x,y

平面內(nèi)振動

特殊限制：兩頻率相同垂直方向的振動的合成軌跡為：xyz一、偏振光（PolarizedLights)41、線偏振光(linearlypolarizedlight)討論此表明的端點描繪的軌跡是直線；具有這種特點的光，稱線偏振光。

（平面偏振光）檢偏器起偏器uI振動面變化線偏振光的表示法：5此表明的端點描繪的軌跡是圓；具有這種特點的光，稱圓偏振光。2、圓偏振光(circularpolarizedlight)當時右旋橢圓偏振光3、橢圓偏振光(ellipticalpolarizedlight)光矢量端點的軌跡是橢圓，稱為橢圓偏振光。正橢圓斜橢圓右旋圓偏振光右旋橢圓偏振光6y

yx

z傳播方向

/2x某時刻左旋圓偏振光E隨z的變化E0

綜上所述，振幅成正比、相位差恒定的兩相互垂直的線偏振光合成后仍然是偏振光。兩線偏振光是由決定的橢圓偏振光圓偏振光線偏振光7二、自然光（naturallightorunpolarizedlight)

各個方向振動幾率相等，且各方向振動的振幅、相位均無關(guān)聯(lián)的光叫做自然光。自然光可看做是：1）沿各方向的振動概率相等，且各方向的振幅、相位互無關(guān)聯(lián)的光；2）由兩垂直的、振幅相等的、彼此獨立的線偏振光合成的光。自然光的表示法：xyZI0線偏振光8三、部分偏振光(partiallypolarizedlight)既有自然光，又有偏振光，這種光稱為部分偏振光表示偏振光光強表示自然光光強則部分偏振光的光強：定義偏振度:當部分偏振光的表示法：平行板面的光振動較強垂直板面的光振動較強914.2起偏和檢偏(PolarizedandAnalyzed)一、偏振片的起偏和檢偏偏振片是一種使自然光變?yōu)榫€偏振光的偏光元件把偏振片允許通過的光矢量方向稱透光方向或偏振化方向用來從自然光獲得線偏振光的器件稱為起偏器(Polarizer)；用來檢驗入射光是否為線偏振光的器件稱為檢偏器(Analyzer)。檢偏器起偏器最后出射光強為零102.檢偏轉(zhuǎn)動檢偏器，看到出射光由亮變暗，又由暗變亮，轉(zhuǎn)動一周，有兩次極大，兩次光強極小。(光強極小為零稱為消光現(xiàn)象)1.起偏

起偏的原理：利用某種光學的不對稱性

偏振片微晶型分子型xyzz線柵起偏器

入射電磁波

起偏：從自然光獲得偏振光

起偏器:

起偏的光學器件·非偏振光線偏振光光軸電氣石晶片··1112不同偏振光入射到偏振片時，旋轉(zhuǎn)偏振片，透射光強的變化情況：入射光自然光旋轉(zhuǎn)偏振片光強為入射光強的1/2，光強不變部分偏振光光強周期性變化，從

沒有消光現(xiàn)象圓偏振光光強為入射光強的1/2，光強不變橢圓偏振光光強有極大、極小變化，但沒有消光現(xiàn)象線偏振光光強有極大、極小變化，有消光現(xiàn)象透射光強的變化結(jié)論：用一個偏振片只能檢驗出線偏振光12

二、馬呂斯定律（一束線偏振光通過偏振片后的光強變化）(Malus’slaw,intensityofpolarizedlightpassingthroughananalyzer)I

=I0cos2

=IMcos2

考慮其他損耗

：損耗系數(shù)；IM：旋轉(zhuǎn)P，觀察到的最大光強。PI0IA=A0cos

13你能說明為什么嗎？？14例題1

如圖所示，P1、P2、P3是3片平行放置的偏振片。已知P1與P3透光方向相互垂直，P1與P2的透光方向夾角為30。求：光強為I0的自然光通過偏振片組后的出射光強I。解：自然光通過P1后的光強為：,方向沿著P1透光方向。由馬呂斯定律，通過P2后的光強：通過P3后的光強：P3P1P2P1P2P3I0I1I2I315例題2

已知光強為I0

的入射光是部分偏振光：自然光和線偏振光疊加而成，垂直通過兩個平行放置的偏振片P1和P2，轉(zhuǎn)動P1

，測得通過P1的光強Imax

/Imin=3/1；求：(1)入射光的偏振度；(2)當P1處于透過光強最大的位置，P1與P2透光方向夾角為600時的透射光強。解：(1)設(shè)入射光強中自然光光強為In,偏振光光強為Ip,則有：通過P1后最大光強：通過P1后最小光強：由已知：可得：偏振度：(2)由馬呂斯定律：16三、反射和折射光的偏振(Polarizationbyreflectionandrefraction)1、規(guī)律當自然光入射到兩種不同介質(zhì)的分界面時，在一般情況下，反射光和折射光都分別是不同的部分偏振光。對反射光，垂直入射面的振動成份(S)多于平行入射面的振動成份(P)；對折射光，垂直入射面的振動成份(S)少于平行入射面的振動成份(P)；17布儒斯特定律(Brewster’slawforthepolarizingangle)布儒斯特角偏振光2、布儒斯特角當時，反射光變?yōu)橥耆€偏振光，只有垂直于入射面的振動(S分量)，這時的入射角

稱為布儒斯特角。若n1

=1.00(空氣)，n2=1.50(玻璃)，則：18玻璃片堆如何檢驗偏振度？3、完全偏振光的獲得（1）玻璃片堆（2）激光器的布儒斯特窗口19例題：畫出下列圖中的反射光、折射光以及它們的偏振狀態(tài)。2014.3光的雙折射(DoublerefractionofLight)一、光的雙折射現(xiàn)象

當一束光射入各向異性介質(zhì)（如方解石晶體）中時，在介質(zhì)內(nèi)部分成兩束折射光，這現(xiàn)象就叫做雙折射現(xiàn)象。

實驗表明：兩束折射線中的一束始終遵守折射定律，此束光稱為尋常光(OrdinaryLight)(O光),O光在中晶體中傳播是各向同性的；而另一束折射光不滿足折射定律，這束光稱非尋常光(ExtraordinaryLight)(e光)；e光在晶體中傳播時是各向異性的。O光e光尋常光非尋常光21光光雙折射紙面方解石晶體光光雙折射紙面方解石晶體光光雙折射紙面方解石晶體光光雙折射紙面方解石晶體22O光在晶體中沿各個方向傳播的速度相同；e光在晶體中沿各個方向的折射率不同，傳播速度也不同。產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象的原因是由于晶體對o光和e光具有不同的折射率(refractiveindex)。即o光和e光在晶體中的傳播速度不同。實驗發(fā)現(xiàn)：O光和e光都是線偏振光，且振動方向互相垂直。e

on1n2irore(各向異性媒質(zhì))(anisotropicmedium)自然光o光e光231.晶體的光軸當光在晶體內(nèi)沿某個特殊方向傳播時不發(fā)生雙折射，該方向稱為晶體的光軸。單軸晶體(uniaxialcrystal)：只有一個光軸的晶體(方解石，石英)雙軸晶體(biaxialcrystal)：有兩個光軸的晶體(云母，硫磺)二、晶體的光軸、主平面、主截面

(Opticalaxis,Principalplaneandprincipalsectionofcrystal)2.主截面和主平面AB光軸102°例如，方解石晶體(冰洲石)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。24o光:e光:

n0，ne

稱為晶體的主折射率vo

tve

t光軸

負晶體(vo<ve)

子波源子波源vo

tve

t光軸

正晶體

(vo>ve)

正晶體:ne>no(

e<o)負晶體:ne<no(

e>

o)3.晶體的主折射率、正晶體和負晶體(Principalrefractiveindex,Positiveandnegativecrystal)光軸ve

tvo

te光:回轉(zhuǎn)橢球面························vo

t光軸O光:球面25方解石晶體→負晶體三、單軸晶體中光傳播的惠更斯作圖法(

e>o負晶體)1.光軸平行晶體表面，自然光垂直入射

eo····eo光軸晶體····O,e光在方向上雖沒分開，但速度上是分開的(波片）；因為速度不同，則折射率不同，所以經(jīng)過相同厚度的晶片時，光程差不同。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

········

oΔt

eΔteo

ecΔt263.光軸與晶體表面斜交，自然光垂直入射······o

e晶體光軸····

e方解石光軸······o

eo此時e光的波面不再與其波射線垂直了27四.利用雙折射獲得偏振光

1.晶體的二向色性（dichroism）、晶體偏振器（crystalpolarizer)某些晶體對o光和e光的吸收有很大差異，這叫晶體的二向色性。電氣石····光軸e光電氣石光軸可產(chǎn)生線偏振光28玻璃吸收涂層方解石

Zo光幾乎不改變方向；可以由計算出e光的全反射臨界角e光在方解石界面上全反射后被吸收。玻璃方解石2.偏振棱鏡(polarizingprism)①偏光鏡:

格蘭─湯姆孫棱鏡29折射角大于入射角no

ne前一半②沃拉斯頓棱鏡（偏光分束鏡）ZZ方解石

no>ne后一半注意：光在兩塊方解石中都是垂直光軸傳播。折射角小于入射角|

e光o光|

o光e光ne

no30③洛匈棱鏡：·12方解石方解石e光軸光軸o⑴1中沿著光軸傳播，e光的折射率為no；2中變?yōu)閛光，折射率不變。光軸·12方解石方解石e光軸o········i1i2⑵1中沿著光軸傳播，o光的折射率為no；2中變?yōu)閑光，no>ne,光密到光疏，發(fā)生偏折；·····12方解石方解石e光軸光軸ei1o⑶1中沿著光軸傳播，o、e光的折射率都為no；2中o光、e光折射率不同，是上兩種情況總合。1····31

一束線偏振光垂直射入一塊方解石，入射前光矢量方向與晶體的主截面成30o角，求：在方解石中o光、e光的光強之比。例題3

解：垂直射入

主截面、主平面共面主截面