光學(xué) 第五章 光的偏振1

1、光 學(xué),2014年12月,光 學(xué),第一節(jié) 自然光和偏振光,根據(jù)電磁波理論，光是橫波，即振動(dòng)的電矢量或磁矢量與波的傳播方向垂直。這樣就會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)矢量在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)有方向選擇的現(xiàn)象，這就是所謂光的“偏振性”。事實(shí)上，廣義光的偏振應(yīng)該包括五種狀態(tài)：,（1）線偏振光,1、偏振光概述,（2）圓偏振光,（3）橢圓偏振光,（4）自然光,（5）部分偏振光,第一節(jié) 自然光和偏振光,（1）線偏振光,1、偏振光概述,任一點(diǎn)電場(chǎng)矢量末端的軌跡是同一方位的直線,光場(chǎng)中任一點(diǎn)電場(chǎng)振動(dòng)方程為：,它在所選取的坐標(biāo)系上的分量為,是光角頻率,（2）圓偏振光,第一節(jié) 自然光和偏振光,1、偏振光概述,任意一點(diǎn)電場(chǎng)振動(dòng)方

2、程可以表示成所選取的坐標(biāo)系上的分量,光場(chǎng)中任一點(diǎn)電場(chǎng)矢量末端的軌跡是圓,（3）橢圓偏振光,第一節(jié) 自然光和偏振光,1、偏振光概述,任意一點(diǎn)電場(chǎng)矢量的振動(dòng)方程可以表示成所選取的坐標(biāo)系上的分量,光場(chǎng)中任一點(diǎn)電場(chǎng)矢量末端的軌跡是橢圓,第一節(jié) 自然光和偏振光,1、偏振光概述,線偏振光、圓偏振光是橢圓偏振光的特殊情況。,規(guī)定：當(dāng)迎著光的傳播方向觀察時(shí)，如果電場(chǎng)的電矢量末端描出的橢圓軌跡是沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，稱之為右旋偏振光，反之稱之為左旋橢圓偏振光,右旋偏振光,左旋偏振光,第一節(jié) 自然光和偏振光,1、偏振光概述,（4）自然光,光束中任一點(diǎn)包含了所有方向的橫向電矢量振動(dòng)，對(duì)于光的傳播方向形成對(duì)稱分布。各個(gè)方

3、向的電矢量之間的相位是隨機(jī)的，即彼此間沒(méi)有固定的相位關(guān)聯(lián)。,第一節(jié) 自然光和偏振光,1、偏振光概述,（5）部分偏振光,光束中各點(diǎn)包含了所有方向的橫向電矢量振動(dòng)，但對(duì)于光的傳播方向形成不對(duì)稱分布。同時(shí)，各個(gè)方向的電矢量之間的相位是隨機(jī)的，即彼此間沒(méi)有固定的相位關(guān)聯(lián)。,第一節(jié) 自然光和偏振光,1、偏振光概述,（1）偏振片的作用,產(chǎn)生偏振光起偏器,檢測(cè)偏振光檢偏器,（2）偏振片工作原理,以機(jī)械波為例,當(dāng)橫波穿過(guò)柵狀物體時(shí)，如果物體結(jié)構(gòu)對(duì)波的震動(dòng)方向沒(méi)有阻礙，波將通過(guò)，,第一節(jié) 自然光和偏振光,2、偏振片,有阻礙時(shí)，波的振幅被削弱。,光的偏振片工作原理：對(duì)某一方向的電矢量可以透過(guò)，與這一電矢量正交方向

4、的電矢量將被吸收或被偏轉(zhuǎn)。,偏振片中可以透過(guò)電矢量的方向稱做偏振片的光軸。,（3）偏振片的實(shí)現(xiàn),第一節(jié) 自然光和偏振光,2、偏振片,能夠形成這樣功能的材料有天然的和人工制造的。,（3）偏振片的實(shí)現(xiàn),第一節(jié) 自然光和偏振光,2、偏振片,天然材料主要有：,二向色性材料對(duì)于振動(dòng)方向不同電矢量有選擇的吸收，例如電氣石,雙折射晶體振動(dòng)方向不同電矢量在晶體中傳播方向不同，例如石英，方解石等,界面的反射和折射振動(dòng)方向不同的電矢量反射率或透射率不同,能夠形成這樣功能的材料有天然的和人工制造的。,一種人造偏振片原理是，將聚氯乙烯薄膜沿一個(gè)方向拉伸，然后在碘的溶液中浸泡，干燥后就可以成為偏振片。,（3）偏振片的實(shí)

5、現(xiàn),第一節(jié) 自然光和偏振光,2、偏振片,拉伸,碘液浸泡,能夠形成這樣功能的材料有天然的和人工制造的。,一種人造偏振片原理是，將聚氯乙烯薄膜沿一個(gè)方向拉伸，然后在碘的溶液中浸泡，干燥后就可以成為偏振片。,（3）偏振片的實(shí)現(xiàn),第一節(jié) 自然光和偏振光,2、偏振片,形成碘鏈,光軸方向？,線偏振光：,設(shè)偏振方向與偏振片光軸方向夾角為 ，,出射光強(qiáng)為,偏振方向與偏振片光軸一致, 馬呂斯定律,入射光強(qiáng)為,出射光強(qiáng)隨著光軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，最大光強(qiáng)為I0，最小光強(qiáng)為零，稱作消光,第一節(jié) 自然光和偏振光,3、五種偏振光入射到偏振片后出射光情況,設(shè)光的振動(dòng)方程為,則出射的偏振光振動(dòng)方程為,圓偏振光：,出射光強(qiáng)為,總的

6、振幅為：,加入偏振片后任一時(shí)刻透過(guò)的振幅為,入射光的振幅可以表示為,當(dāng)圓偏振光入射到偏振片上時(shí)，隨著偏振片旋轉(zhuǎn)，出射光的光強(qiáng)不發(fā)生變化,總的光強(qiáng)為：,第一節(jié) 自然光和偏振光,3、五種偏振光入射到偏振片后出射光情況,當(dāng)橢圓偏振光入射到偏振片上時(shí)，隨著偏振片旋轉(zhuǎn)，出射光的光強(qiáng)將發(fā)周期性的大小變化，當(dāng)偏振片光軸方向和橢圓長(zhǎng)軸方向一致時(shí)，出射光強(qiáng)最大，當(dāng)光軸方向和橢圓短軸方向一致時(shí)，出射光光強(qiáng)最小。,對(duì)于部分偏振光，定義偏振度的概念：,第一節(jié) 自然光和偏振光,橢圓偏振光：,是透過(guò)偏振片最大光強(qiáng),是透過(guò)偏振片最小光強(qiáng),部分偏振光：,當(dāng)部分偏振光入射到偏振片上時(shí)，隨著偏振片旋轉(zhuǎn)，出射光的光強(qiáng)將發(fā)周期性的大

7、小變化，但無(wú)消光位置。,3、五種偏振光入射到偏振片后出射光情況,當(dāng)自然光入射到偏振片上時(shí)，隨著偏振片旋轉(zhuǎn)，出射光的光強(qiáng)不發(fā)生變化，與圓偏振光相似。,第一節(jié) 自然光和偏振光,自然光：,可以將自然光中所有的電矢量向正交的XY方向投影：,X和Y方向總的電場(chǎng)Ex和Ey為多少？,各個(gè)方向的電矢量不相干，所以電場(chǎng)不能相加，但可以將其光強(qiáng)進(jìn)行疊加,3、五種偏振光入射到偏振片后出射光情況,設(shè)入射到偏振片的自然光光強(qiáng)為 I0，則：,第一節(jié) 自然光和偏振光,自然光：,從偏振片出射的光強(qiáng)：,等價(jià)電場(chǎng)分量：,從偏振片出射的電場(chǎng)振幅：,3、五種偏振光入射到偏振片后出射光情況,1、菲涅耳反射、折射公式,第二節(jié) 光的反射和

8、折射偏振態(tài),p 分量振幅反射率,p 分量振幅透射率,s 分量振幅反射率,s 分量振幅透射率,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),1、菲涅耳反射、折射公式,斯托克斯公式,電場(chǎng)能量比關(guān)系,光強(qiáng)透射率,光強(qiáng)反射率,能流透射率,能流反射率,能量守恒,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),1、菲涅耳反射、折射公式,從空氣入射到玻璃,-1,以上公式規(guī)律可以用函數(shù)曲線直觀的反映出來(lái)，例如玻璃和空氣界面的反射,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),1、菲涅耳反射、折射公式,從玻璃入射到空氣,r,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),1、菲涅耳反射、折射公式,光強(qiáng)反射率與入射角的關(guān)系,1,1,0,90,從光疏介質(zhì)入射到光密介質(zhì),從光密介質(zhì)入

9、射到光疏介質(zhì),第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),1、菲涅耳反射、折射公式,qB,qC,從光疏介質(zhì)入射到光密介質(zhì),p,qB,90,反射光相位與入射角的關(guān)系,從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì),第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),1、菲涅耳反射、折射公式,2、反射光偏振態(tài)的變化,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),反射光的菲涅耳公式：,是入射光的兩個(gè)正交分量,是反射光的兩個(gè)正交分量,可以證明反射光兩個(gè)正交分量振幅比：,當(dāng),反射光中僅剩垂直入射面電場(chǎng)分量，反射光為線偏振光。,此時(shí),第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),當(dāng),當(dāng),兩種情況都表明：,2、反射光偏振態(tài)的變化,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),反射光正交分量的比例小于入射光正交分

10、量的比例,如果入射光是自然光，,反射光是部分相干光,2、反射光偏振態(tài)的變化,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),如果入射光是線偏振光:,當(dāng),當(dāng),從光疏介質(zhì)入射到光密介質(zhì),2、反射光偏振態(tài)的變化,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),如果入射光是線偏振光:,當(dāng),當(dāng),從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì),2、反射光偏振態(tài)的變化,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),如果入射光是圓偏振光:,出射光一般為橢圓偏振光,如果入射光是橢圓偏振光:,出射光一般為橢圓偏振光,3、透射光偏振態(tài)的變化,根據(jù)界面折射反射時(shí)的能量守恒定律,并結(jié)合反射偏振變化情況，可以分析出透射光的偏振變換,和斯托克斯公式,2、反射光偏振態(tài)的變化,1）P分量和S分量不一致、反射時(shí)的躍變，將會(huì)改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài),2）自然光入射時(shí)，反射光和折射光一般是部分偏振光,3）入射光是圓偏振光時(shí)，反射光和折射光一般是橢圓偏振光,4）入射光是線偏振光時(shí)，反射光和折射光一般仍然是線偏振光，但偏振方向可能發(fā)生改變,5）全反射時(shí)，如果入射的是線偏振光，反射光一般是橢圓偏振光,6）無(wú)論什么偏振光入射，當(dāng)以布儒斯特角入射時(shí)，反射光都為線偏振光，偏振態(tài)垂直與入射面,4、反射和折射時(shí)偏振態(tài)的變化總結(jié),第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),當(dāng)光以布儒斯特角入射