光的偏振-課件

波動光學(xué)1光的本性1、牛頓的光微粒理論2、惠更斯的光波動理論——遵從力學(xué)規(guī)律——機(jī)械波可以解釋光的直線傳播及反射、折射現(xiàn)象可以解釋光的反射、折射、雙折射，但不能很好解釋光的直線傳播以及不能解釋偏振墨翟（公元前468-376）及其弟子所著《墨經(jīng)》：Euclid（古希臘，公元前330-275）提出托勒密（Ptolemy，希臘，70-147）：Al-Hazen（阿拉伯人，965-1038）：意大利D’Armati：荷蘭Lippershey：光學(xué)的萌芽光學(xué)研究光的傳播以及它和物質(zhì)的相互作用光是來自人的周圍一切的友好使者，使人類得以認(rèn)識世界和改造世界爭論持續(xù)約300年，到二十世紀(jì)二十年代才告一段落。從春秋戰(zhàn)國的墨翟開始后的兩千年間光的直線傳播、針孔成像、反射，平面鏡、凹球面鏡和凸球面鏡的物象關(guān)系我國光的直線傳播研究折射。測定入射角和折射角的第一人。發(fā)明凸透鏡，認(rèn)為光線來自物體，光以球面形式從光源發(fā)出，反射線與入射線共面，入射面垂直于界面。于1299年發(fā)明眼鏡。第一架望遠(yuǎn)鏡。荷蘭是顯微鏡的發(fā)明地（1590年），難定發(fā)明者。西方折射定律：到十七世紀(jì)中葉由荷蘭Snell和法國Descartes完全確立。波動說與微粒說認(rèn)識始于十七世紀(jì)2(1800)Young光的干涉實驗(1821)Fresnel

光的衍射實驗確立了光的波動理論的地位(1867)Maxwell的電磁波理論光的電磁波理論(1887)光電效應(yīng)、黑體輻射——光的電磁波理論遇到嚴(yán)重挑戰(zhàn)1900年P(guān)lanck光量子假說——可以解釋黑體輻射現(xiàn)象1905年Einstein光的量子理論——可以解釋光電效應(yīng)十九世紀(jì)前，牛頓的光微粒說一直占著統(tǒng)治地位。關(guān)于光的本性的認(rèn)識的發(fā)展1909年，Einstein提出光的波粒二象性:光同時具有顆粒性和波動性3光=粒子？？？光=波動？？？二十世紀(jì)初解決了相關(guān)矛盾，提出了光的波粒二象性假說，并很快得到實驗證實和承認(rèn)。這一認(rèn)識既不同于牛頓的微粒理論；亦不同于惠更斯的彈性波理論。這一認(rèn)識導(dǎo)致物質(zhì)的波粒二象性假說的提出和實驗證實，從而人類得以全面認(rèn)識物質(zhì)運(yùn)動的本性，導(dǎo)致了量子力學(xué)的誕生，并進(jìn)而導(dǎo)致正確描述包括光現(xiàn)象在內(nèi)的電磁現(xiàn)象的理論“量子電動力學(xué)”的建立！光=粒子？？？光=波動？？？4光學(xué)1、幾何光學(xué)2、波動光學(xué)(物理光學(xué))3、量子光學(xué)以光的直線傳播特性為基礎(chǔ)研究光學(xué)儀器的成像理論以Maxwell的電磁波理論為基礎(chǔ)的Huygens-Fresnel

理論研究光的傳播規(guī)律——干涉、衍射、偏振性質(zhì)以量子力學(xué)為基礎(chǔ)——研究光與物質(zhì)的相互作用4、現(xiàn)代光學(xué),如傅里葉光學(xué)，非線性光學(xué)等約在十七、十八兩個世紀(jì)內(nèi)形成。約在十九世紀(jì)內(nèi)形成。約在十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)初形成。約始于二十世紀(jì)五十年代。5由于光是能引起視覺的電磁波，所以，光遵從電磁場的基本規(guī)律，光學(xué)不過就是關(guān)于電磁場的理論在光現(xiàn)象方面的應(yīng)用,因而，光學(xué)主要以解釋光現(xiàn)象為主?；竟猬F(xiàn)象光的直線傳播光的反射光的折射光的干涉光的衍射光的偏振英國Hooke和Boyle于十七世紀(jì)獨(dú)立研究薄膜干涉，1800年Young第一次實驗實現(xiàn)光的干涉意大利Grimaldi于十七世紀(jì)首先觀察到衍射現(xiàn)象，點光源照射直桿所得影子比直線傳播應(yīng)有的影子小幾何光學(xué)波動光學(xué)光在傳播過程中光矢量方向變化的規(guī)律和情況6第十九章光的偏振§19-1光學(xué)基本概念§19-2光的偏振狀態(tài)§19-3偏振片的起偏和檢偏和馬呂斯定律＊§19-4反射光和折射光的偏振§19-5光的雙折射§19-6波晶片和偏振光的產(chǎn)生與檢驗產(chǎn)生、描述和刻畫7§19-1

光學(xué)基本概念一、光源和光譜光源——發(fā)射光的物體1、熱（輻射）光源2、冷光源靠維持發(fā)光物體的溫度，如白熾燈（生物）化學(xué)反應(yīng)、光致發(fā)光、電致發(fā)光等（熒火蟲）（紅寶石激光器）

按能量補(bǔ)充方式不同，光源分為：（日光燈）（鬼火）（熒光（日光燈管壁物質(zhì)、示波器、電視顯像管的熒光屏））（磷光（夜光表上的磷光物質(zhì)））8光的強(qiáng)度按頻率（或波長）的分布——光譜1、線譜光源：如鈉光燈、汞燈、He-Ne等2、連續(xù)譜光源:如白熾燈、弧光燈、太陽等光源按光譜性質(zhì)分類為一般光的頻率不是單一的——復(fù)色光可見光的波長其頻率范圍：中心:5550埃,5.4×1014Hz,黃綠英國Newton于1666年用三棱鏡把白光分解成光譜，以解釋彩虹，從而開創(chuàng)了光譜學(xué)的研究。光9二、發(fā)光機(jī)制頻率為—普朗克常數(shù)基態(tài)激發(fā)態(tài)

激發(fā)輻射光波列波列長度為發(fā)光時間原子的內(nèi)部狀態(tài)經(jīng)典電磁理論不能解釋光源中原子發(fā)出的光的光譜結(jié)果。量子理論正確地給出了光源中原子的發(fā)光機(jī)制。受激吸收自發(fā)輻射受激輻射量子躍遷普通光源光源中的原子隨機(jī)地間歇性地不斷激發(fā)和輻射，其狀態(tài)間歇性地隨機(jī)“上竄下跳”，發(fā)出的光波不是持續(xù)波，一般也不是脈沖波，而是其波形有一定長度的光波列。10討論1、普通光源（自發(fā)輻射）同一（或不同）原子發(fā)出的光波列相互獨(dú)立（1）頻率（2）位相（3）振動方向、傳播方向（4）光波列長度（5）發(fā)射時間112、激光光源（受激輻射）同一（或不同）原子隨機(jī)發(fā)射光波列，但發(fā)出的光波列與入射光的性質(zhì)完全相同?。?）頻率（2）位相（3）振動方向、傳播方向討論12三、光波列的頻譜寬度一個光波列不是嚴(yán)格意義的單色光，它具有一定的頻率范圍和波長范圍由Fourier積分變換可得：或：—為波列長度式中—圓波數(shù)反映波列的空間有限性！單色波：頻率唯一確定且在時間上無限延續(xù)即波長單一且波形在空間上無限長波列的頻譜寬度13—波列的時間長度，對應(yīng)于原子的發(fā)光時間。很顯然：或L愈大或

t愈大，則光的單色性愈好！按波列的時間有限性（

t），可得：或波列長度14對普通光源：——準(zhǔn)單色光現(xiàn)代激光器發(fā)光可達(dá)：—非常好的準(zhǔn)單色光，具有非常好的相干性（單色、穩(wěn)相）波列長度可達(dá)102km實際普通光源發(fā)出的光的譜線寬度比上述自然寬度要大很多！很顯然：或光的單色性愈好！原子間碰撞縮短

tDoppler頻移加寬譜線寬度15四、光強(qiáng)與光矢量光強(qiáng)=光的能流密度的時間平均值在光波段平面簡諧電磁波16與物質(zhì)作用的主要是矢量——通常被稱為光矢量！另外：17§19-2光的偏振狀態(tài)一.線偏振光(光矢量保持在一固定平面上)E播傳方向振動面·面對光的傳播方向看線偏振光的表示方法：光矢量斜交于屏面光矢量平行于屏面光矢量垂直于屏面光在傳播過程中光矢量方向變化的狀態(tài)線偏振態(tài)或平面偏振態(tài)振動面：振動方向與傳播方向所確定的平面.18yx沿xo

y平面內(nèi)任一方向振動的線偏振光二個相互垂直、同頻率、同相位（或相位差為p）的線偏振光的疊加EyExyxEyEx19二.自然光沒有優(yōu)勢方向自然光的分解沒有優(yōu)勢方向,有：——普通光源發(fā)出的光,由隨機(jī)發(fā)出的大量原子光波列組成各個原子發(fā)出的和同一原子不同時刻發(fā)出的各個光波列在頻譜、初相、偏振態(tài)、空間長度、時間長度和傳播方向上均互不相干通過傳播方向上任一處的光均由這樣一些光波列組成，它們的光矢量的大小和方向有各種可能，彼此的相位差各種各樣。傳播方向上任一處的光強(qiáng)為各個原子光波列的光強(qiáng)之和，可設(shè)各個光波列處于平面偏振態(tài)相同振動面的所有光波列強(qiáng)度之和與振動面的方向無關(guān)有各種可能的相位差沿任意兩個相互垂直的方向分解均如此。按光強(qiáng)的分解20一束自然光可看作為兩束同傳播方向的、振動方向相互垂直的(任意兩個相互垂直的方向)、等幅的、無固定位相關(guān)系的線偏振光。自然光的表示方法：自然光的分解沒有優(yōu)勢方向,有：有各種可能的相位差沿任意兩個相互垂直的方向分解均如此。按光強(qiáng)的分解21三.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。部分偏振光的表示方法：······垂直于屏面的光振動較強(qiáng)平行于屏面的光振動較強(qiáng)··光強(qiáng)在各方向上的分布不均勻，而且在某一方向占優(yōu)勢。按光強(qiáng)的分解沿兩個相互垂直的特殊方向分解。22橢圓（圓）偏振光光矢量繞著光的傳播方向旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角速度對應(yīng)光的角頻率；光矢量端點的軌跡是一個橢圓(圓)。

yz

0

y

y

右旋左旋x

yz

0xxx某時刻右旋圓偏振光E隨z的變化某時刻左旋圓偏振光E隨z的變化

yx

/2

yx

/2傳播方向傳播方向四.（橢）圓偏振光23二個相互垂直、同頻率、相位差確定的線偏振光的疊加當(dāng)時為橢圓偏振光當(dāng)，且振幅相等時為圓偏振光橢圓（圓）偏振光24右旋圓偏振光圓偏振光左旋圓偏振光類似于自然光，圓偏振光有：*與自然光不同，圓偏振光兩方向振動有確定的位相差原子光波列的基本偏振態(tài)是左、右旋圓偏振態(tài)；每個原子光波列對應(yīng)一個光子，原子光波列的兩個基本左、右旋圓偏振態(tài)對應(yīng)于光子的自旋角動量（僅兩個可能）。25五.偏振度完全偏振光P=1自然光P=0部分偏振光0<P<1五種偏振態(tài)（光）線偏振光（平面偏振光）橢圓偏振光自然光部分偏振光圓偏振光偏振光在科學(xué)研究和工程技術(shù)以及日常生活中都有用，特別是在量子通信等領(lǐng)域的前沿研究中多有運(yùn)用。因此，偏振光的產(chǎn)生和檢驗是很重要的。26§19-3偏振片的起偏和檢偏及馬呂斯定律一.起偏偏振片：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(xué)器件·非偏振光線偏振光偏振方向電氣石晶片(多種金屬氧化物的混合物)··偏振化方向：允許通過的光振動方向。利用導(dǎo)電線柵的原理起偏，如把富含自由電子的碘附在拉伸的塑料薄膜上利用晶體的二向色性（對某一方向的光振動有強(qiáng)烈吸收）起偏，如把硫酸碘奎寧的針狀粉末定向排在透明的基片上27偏振片的起偏非偏振光I0線偏振光I1偏振化方向(透振方向)偏振片：微晶型分子型xyzz線柵起偏器

入射電磁波·非偏振光線偏振光偏振方向電氣石晶片(多種金屬氧化物的混合物)··偏振化方向：允許通過的光振動方向。利用導(dǎo)電線柵的原理起偏，如把富含自由電子的碘附在拉伸的塑料薄膜上利用晶體的二向色性（對某一方向的光振動有強(qiáng)烈吸收）起偏，如把硫酸碘奎寧的針狀粉末定向排在透明的基片上若入射光為自然光、圓偏振光，則旋轉(zhuǎn)偏振片到任意方向均可得到線偏振光偏振片對沿透射方向振動的光完全無吸收時28I1I2二.馬呂斯定律馬呂斯定律（1809）消光最大I0設(shè)偏振片對沿透射方向振動的光完全無吸收Malus當(dāng)：當(dāng)：Ia029三.檢偏用偏振片分析、檢驗光的偏振態(tài)I?P待檢光思考：

I不變

？光是什么偏振態(tài)？

I變，有消光

？光是什么偏振態(tài)？

I變，無消光

？光是什么偏振態(tài)？偏振片的應(yīng)用：藍(lán)天中存在大量的偏振光，使之變暗以顯白云

人的眼睛對光的偏振狀態(tài)是不能分辨的

玻璃器皿、水面、陳列櫥柜、油漆表面、塑料表面等，常常會出現(xiàn)耀斑或反光，這是由于光線的偏振而引起的。沙漠中有一種螞蟻，它能利用天空中的紫外偏光導(dǎo)航

兩部攝影機(jī)，兩架放映機(jī)，兩只偏振眼鏡

（1）照相機(jī)的濾光鏡（2）偏光眼鏡用于立體電影（3）車的頭燈、前窗玻璃（4）生物的生理機(jī)能蜜蜂頭部的復(fù)眼中有偏光導(dǎo)航儀，能確定太陽的位置從而不迷路有建議說，均裝透光軸平行且與豎直線成45度角的偏振片30[例19-1]兩塊性質(zhì)完全相同的偏振片平行放置，其通光方向P1、P2間夾角為p/6。光強(qiáng)為I0的自然光垂直入射，經(jīng)過第一塊偏振片后的光強(qiáng)為0.32I0，求經(jīng)過第二塊偏振片后的出射光強(qiáng)。P1P2I00.32I0I=？解：光強(qiáng)經(jīng)P1后小于0.5I0，說明偏振片有吸收。透過率為由馬呂斯定律，通過P2后的出射光強(qiáng)為31[例19-2]一束光是自然光和線偏振光的混合光，當(dāng)它垂直通過一偏振片后，隨著偏振片的偏振化方向取向的不同，出射光強(qiáng)度可以變化5

倍。問：入射光中自然光與線偏振光的強(qiáng)度各占入射光強(qiáng)度的百分比為多少？解：由馬呂斯定律式中I0、I1分別為入射光中自然光與線偏振光的強(qiáng)度由題意可知解得：I1

=2I0自然光所占百分比：線偏振光所占百分比：32§19-4反射光和折射光的偏振實驗證明：

（1）反射光、折射光均為為部分偏振光；

（2）反射光中垂直入射面的光振動多于平行入射面的光振動；

（3）折射光中平行入射面的光振動多于垂直入射面的光振動。一.反射和折射時光的偏振現(xiàn)象（Malus1808）反平折垂乃Malus研究雙折射現(xiàn)象時偶然發(fā)現(xiàn)，并認(rèn)識到兩者的共同性，從而發(fā)現(xiàn)偏振現(xiàn)象，并取名偏振。隨后對偏振本質(zhì)的追究導(dǎo)致1821年Fresnel發(fā)表橫波理論。33§19-4反射光和折射光的偏振一.反射和折射時光的偏振現(xiàn)象（Malus1808）為什么反射光、折射光均為部分偏振光？將Maxwell方程組應(yīng)用于介質(zhì)界面可導(dǎo)出界面兩側(cè)電、磁場強(qiáng)間的關(guān)系從而解釋這個問題。定性理解：反射光、折射光可簡單地看作是由入射光在介質(zhì)中引起的振蕩電偶極子輻射產(chǎn)生,因而，由其輻射特點來理解反平折垂叫Fresnell公式34振蕩電偶極子電磁輻射場強(qiáng)、坡印亭矢量的角分布教材第三冊Ｐ6335q＝/2:光最強(qiáng)，且光矢量與振蕩的電偶極矩平行36Brewster發(fā)現(xiàn)：當(dāng)自然光以特殊角入射到不同介質(zhì)的表面，其反射光為線偏振光，光振動垂直于入射面。ib

（布儒斯特角）—

起偏角—布儒斯特定律(1812年)（橫向電偏振光）指光矢量垂直于入射面37若n1

=1.00(空氣)，n2=1.50(玻璃)，則：38可在鏡頭前加透偏振方向為豎直方向的偏振片，過濾掉部分反射偏振光（水平方向上）*反射光偏振與照片偏色問題未裝偏振片裝偏振片39偏色的原因—不同（顏色）物體表面反射光的偏振程度不同—照片上不同部分偏色不同?？稍阽R頭前加透偏振方向為垂直方向的偏振片，過濾掉部分反射偏振光（水平方向上）*反射光偏振與照片偏色問題40二.玻璃堆—透射線偏振光當(dāng)i=ib時,ibrn1n1n2n2在任一面上的入射角均為布儒斯特角。············ib··················玻璃片堆平行于入射面的入射光將完全透射。（橫向磁偏振光）布儒斯特窗指光矢量平行于入射面橫向磁偏振光以Brewster角入射時完全通過41二.玻璃堆—透射線偏振光當(dāng)i=ib時,············ib··················玻璃片堆（橫向磁線偏振光）入射光為自然光時，透射光接近線偏振光**玻璃片堆可作為起偏器和檢偏器若經(jīng)歷50個界面反射，透射光中橫電部分的透射率若從空氣(n1

=1.00)→玻璃

(n2=1.50)

自然光中橫電部分經(jīng)過一個界面的反射率由Fresnell公式及Poynting矢量大小的公式可計算

42一、雙折射現(xiàn)象§19-5光的雙折射各向同性介質(zhì)的（單）折射現(xiàn)象O′O43

1669年，Bartholinus

發(fā)現(xiàn)，把方解石（）晶體放在紙面上，看到每個字呈現(xiàn)出雙像。這種一束光射入各向異性媒質(zhì)時，折射光分成兩束的現(xiàn)象稱為雙折射。4445方解石晶體（CaCO3)尋常光線（Ordinary光）非常光線（Extra-ordinary光）——恒遵守通常折射定律的光線?！蛔袷赝ǔＵ凵涠傻墓饩€。e光折射線也不一定在入射面內(nèi)。e光O光o光折射線一定在入射面內(nèi)。46o光和e光47二、光軸單軸晶體：只有一個光軸的晶體。雙軸晶體：有二個光軸的晶體。兩束光均為非常光當(dāng)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。例如：方解石晶體(冰洲石)AB光軸101°55′

光軸是一特殊的方向,凡平行于此方向的直線均為光軸。63.8°如冰洲石、水晶(SiO2)、智利硝石(NaNO3)、電氣石(多種氧化物的混合物)如黃玉（Al2F2SiO4）、云母（KH2Al3(So4)2）無軸晶體：如氯化鈉，無雙折射48三、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。o光光軸o光的主平面····e光光軸e光的主平面一般情況下，o光和e光的主平面不重合?。?）o光和e光都是偏振光；（2）o光的光矢量垂直于其主平面；（3）e光的光矢量在其主平面

o光的光矢量總是垂直于光軸

e光的光矢量與光軸有一定的夾角(0°---180°)o垂e平當(dāng)e光平行于光軸傳播時其光矢量與光軸垂直。當(dāng)e光垂直于光軸傳播時其光矢量與光軸平行。49

o光的光矢量總是垂直于光軸

e光的光矢量與光軸有一定的夾角(0°---180°)對于晶體（各向異性介質(zhì)），極化率不再為常數(shù)——與光矢量的具體方向有關(guān)——特別地，與光矢量和光軸間的夾角有關(guān)。

o光沿任意方向傳播的速度

e光沿不同方向傳播的速度不同，當(dāng)e光平行于光軸傳播時其光矢量與光軸垂直。當(dāng)e光垂直于光軸傳播時其光矢量與光軸平行。沿垂直于光軸的方向傳播的e光光速設(shè)為ve當(dāng)e光平行于光軸傳播時，其光速為voe光光速與其傳播方向有關(guān)。即晶體中光速與光矢量和光軸間的夾角有關(guān)。相同,設(shè)為voe光在其他方向光速在vo與vo之間正晶體負(fù)晶體四、光在晶體中的傳播速率50五、單軸晶體的波陣面o光在晶體中各個方向上的傳播速度相同。e光在晶體中各個方向上的傳播速度不同?！ぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁo

t光軸光軸ve

tvo

t球面旋轉(zhuǎn)橢球面光軸ve

tvo

t即單軸晶體中點光源發(fā)出的光的波陣面正晶體負(fù)晶體長軸在光軸上短軸在光軸上51正晶體負(fù)晶體························vo

t光軸光軸ve

tvo

t球面光軸ve

tvo

t旋轉(zhuǎn)橢球面O光球面與e光橢球面相切于光軸處e光橢球面完全處于O光球面內(nèi)O光球面完全處于e光橢球面內(nèi)長軸在光軸上短軸在光軸上正晶體負(fù)晶體52正晶體（如石英）負(fù)晶體（如方解石）························vo

t光軸光軸ve

tvo

t球面光軸ve

tvo

t旋轉(zhuǎn)橢球面長軸在光軸上短軸在光軸上正晶體負(fù)晶體53晶體對e光的（主）折射率：晶體對o光的（主）折射率：負(fù)晶體正晶體正晶體負(fù)晶體六晶體對光的折射率54七、Huygens原理對雙折射現(xiàn)象的解釋（1）光軸斜交于晶體表面，正入射o光e光光軸在入射面內(nèi)負(fù)晶體，后面各圖均如此o光和e光的主平面以及入射面重合！55CAB（2）光軸斜交于晶體表面，斜入射光軸在入射面內(nèi)想象光軸不在入射面內(nèi)的情形o光e光o光和e光的主平面以及入射面重合！56光軸（3）光軸正交于晶體表面，正入射無雙折射57（4）光軸平行于晶體表面，正入射o光e光不分開，但有位相差！仍為雙折射！光軸⊙光軸58（5）光軸平行于晶體表面，斜入射CAB光軸在入射面內(nèi)59六、偏振棱鏡可以獲得比偏振片更高質(zhì)量的線偏振光！尼科耳棱鏡是將天然的方解石晶體按一定的要求加工成兩塊直角棱鏡，然后再用特種樹膠把它們粘合起來制成一塊斜長方形的光學(xué)棱鏡。CMNA尼科耳棱鏡：自學(xué)60CMNAoeACNM光軸方向22068061樹膠的折射率：o光的折射率：e光的主折射率：oeACNM光軸方向22068062格蘭棱鏡：格蘭棱鏡是由兩個方解石直角棱鏡膠合而成。光軸的取向使o光、e光對應(yīng)的恰是no、ne兩個主折射率。no(1.6584)＞n(1.55)＞ne

(1.4864)光在第一個棱鏡中是o光，它由光密→光疏，且i＞臨界角，在交界面全反射，并被涂層吸收。

光在第一個棱鏡中是e光，它由光疏→光密，不會全反射，折射進(jìn)入樹膠和第二個棱鏡。該棱鏡的作用是使e光不偏離入射方向?！ぁぁ?3七、人工雙折射效應(yīng)及應(yīng)用END各向同性介質(zhì)中應(yīng)力產(chǎn)生的雙折射電場引起液體的雙折射-（Kerr效應(yīng)）光測