大学物理-多媒体课件--6-光的偏振

1第五章（Polarizationoflight）光的偏振2§5.1光的偏振状态§5.2线偏振光的获得与检验§5.3反射和折射光的偏振，*散射光的偏振§5.4双折射现象§5.5椭圆偏振光和圆偏振光§5.6偏振光的干涉§5.7人工双折射§5.8旋光现象本章目录3§5.1光的偏振状态一.完全偏振光E播传方向振动面·面对光的传播方向看线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：EEyExyx1.线偏振光（linearlypolarizedlight）表示法：·····光振动垂直板面光振动平行板面4右旋圆偏振光0yyxz传播方向/2x某时刻右旋圆偏振光E随z的变化E2.圆偏振光（circularlypolarizedlight）和线、圆和椭圆偏振光均称为完全偏振光。椭圆偏振光（ellipticallypolarizedlight）右旋椭圆偏振光5为某个确定值的线偏振光的合成。右旋圆偏振光的合成。圆和椭圆偏振光可看成是两束频率相同、传播方向一致、振动方向相互垂直、相位差反之，线偏振光则可以看成是两束频率相同、相位相同、振幅相同、传播方向亦相同的左、相位差/2或3/2xyyx·x，y振幅相同，相位差不等于0，和2/2，，3/26二.自然光（naturallight）垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。自然光的表示法：没有优势方向自然光的分解一束自然光可分解为两束振动方向相互···非相干7三.部分偏振光表示法：自然光和完全偏振光的混合，就构成了部分最常讨论的部分偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合，偏振光。分解非相干平行板面的光振动较强········垂直板面的光振动较强反射光就是这种部分偏振光，天空的散射光和水面的它可以分解如下：8四.偏振度（degreeofpolarization）Ip—部分偏振光中包含的完全偏振光的强度It—部分偏振光的总强度In—部分偏振光中包含的自然光的强度完全偏振光（线、圆、椭圆）P=1自然光（非偏振光）P=0部分偏振光0P1偏振度：9§5.2线偏振光的获得与检验一.起偏▲起偏的原理：利用某种光学的不对称性▲偏振片（Polaroid）P（获得线偏振光）：•微晶型：•分子型：xyzz线栅起偏器入射电磁波▲起偏器（polarizer）：起偏的光学器件·非偏振光线偏振光光轴电气石晶片··——从自然光获得偏振光10非偏振光I0线偏振光IP偏振化方向（通光方向）二.马吕斯定律（Maluslaw）I0IPPE0E=E0cos▲线偏振光马吕斯定律（1809）—消光···的起偏：11三.线偏振光的检偏检偏：用偏振器件检验光的偏振态I?P待检光●若I不变？是什么光●若I变，有消光？是什么光●若I变，无消光？是什么光然光混合而成的部分偏振光思考设入射光可能是自然光线偏振光或由线偏振光与自或旋转演示线偏振光的起偏和检偏（KG017）12三.线偏振光的检偏检偏：用偏振器件检验光的偏振态I?P待检光●若I不变？是什么光●若I变，有消光？是什么光●若I变，无消光？是什么光然光混合而成的部分偏振光思考设入射光可能是自然光线偏振光或由线偏振光与自或旋转演示线偏振光的起偏和检偏（KG017）13四.偏振片的应用偏振片的应用很多，例如：▲作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必要的反射光。▲制成偏光眼镜，可观看立体电影。▲若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与▲作为许多光学仪器中的起偏和检偏装置。可以避免汽车会车时灯光的晃眼。地面成45角、且向同一方向倾斜的偏振片，14§5.3反射和折射光的偏振*散射光的偏振一.反射和折射时光的偏振·······n1n2iir·自然光反射和折射后成为部分偏振光·S分量P分量反射光垂直入射面的分量（S）比例大，折射光平行入射面的分量（P）比例大，入射角i变反射、折射光的偏振度也变。15i=i0时，反射光只有S分量：i0—布儒斯特角（Brewsterangle）或起偏角i0+r0=90由有—布儒斯特定律（1812年）·····n1n2i0i0r0线偏振光··S··反射光情况如何?思考这时自然光沿折射线反向入射产生的（BrewsterLaw）16思考如何测量不透明介质的折射率？▲外腔式激光管加装布儒斯特窗减少反射损失。则：若n1=1.00（空气），n2=1.50（玻璃），i0·········i0i0·激光输出布儒斯特窗M1M2i017有反射光干扰的橱窗在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰18pI()电偶极子辐射强度角分布布儒斯特角的存在，可以用振荡电偶极子的电磁辐射强度分布的特点来解释。光入射到介质就激励介质分子中的电子做受迫振动。这可视之为振动的电偶极子，（子波）。就看不到P分量振动的辐射光了。它们向周围辐射电磁波这些子波的叠加就形成了反射光和折射光。而沿偶极子振动方向的辐射强度为零。和反射线相垂直时（此时入射角为i0），在反射方向·····n1n2i0i0r0线偏振光··S··P故当折射线19二.玻璃片堆起偏和检偏1.起偏i=i0时：自然光从空气→玻璃：由光的电磁理论，演示玻璃片堆起偏（KG019）（太弱）用玻璃片堆能增强反射偏振光的强度················i0接近线偏振光··············玻璃片堆线偏振光20▲若反射光光强不变入射光是自然光；▲若反射光光强变且有消光入射光是线偏振光；▲若反射光光强变且无消光入射光是部分偏振光。让待检验的光以布儒斯特角i0入射到界面上，保持i=i0不变，以入射线为轴旋转界面：2.检偏（不包括圆和椭圆偏振光）21*三.散射光的偏振1.散射光的产生振荡电偶极子电磁辐射强度的角分布I()就形成了各方向都有的散射光。在入射光的激励下，媒质分子中的电子做受迫振动。这可视之为振动的电偶极子，围辐射电磁波（子波）。由于媒质不均匀等原因，破坏了子波波源间的确定相位关系，它们发的子波的非相干叠加，演示白光的散射（KG035）它向周p222.散射光的偏振zxPy入射自然光B散射光为部分偏振光散射光为线偏振光散射光为自然光天空大气散射的日光就是部分偏振光。P处发出的不同方向的偶极辐射有不同的偏振情况。例如沿B→P方向观察到的只是部分偏振光，其偏振度随角而变。23▲蜜蜂和某些鸟可辨别出大气散射光的偏振，光又能透过了。（KG017+蜡纸）▲多次散射可以把个别散射方向的不对称抵消，从而用来确定方向。从而可消除偏振。演示光透不过两个互相垂直的偏振片，但在其间夹一蜡纸（形成多次散射），24i一.双折射的概念1.双折射：n1n2rore(各向异性介质)自然光o光e光2.寻常（o）光和非寻常（e）光o光：遵从折射定律e光：一般不遵从折射定律e光折射线也不一定在入射面内。射到各向异性介质时，§5.4双折射（birefringence）现象一束光入折射光分成两束的现象。25···方解石oeeo···演示以入射方向为轴旋转方解石方解石偏振片双折射的两束光振动方向相互垂直方解石的双折射（KG029，KG025）26象折射现双折射现方解石晶体CaCO3纸面双折射会映射出双像：27当方解石晶体旋转时，e光的像围绕o光的像旋转。o光的像不动，光光双折射纸面方解石晶体o光的像e光的像28光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体：29光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体：30光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体：31光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体：323.晶体的光轴（opticalaxisofcrystal）当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发例如，方解石晶体（冰洲石）光轴是一个特殊的方向，单轴晶体：只有一个光轴的晶体，如方解石。双轴晶体：有两个光轴的晶体，如云毋。由钝隅引出的与三个棱边成等光轴AB102°78°该方向称为晶体的光轴。生双折射，于此方向的直线均为光轴。凡平行角的方向就是光轴。334.主平面（principalplane）晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面o光光轴o光的主平面····e光光轴e光的主平面叫该束光的主平面。34CaCO3CaOC晶体的各向异性：介电常数为x,yx=yz,z光轴介电常数为z光矢量垂直于光轴时，光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同，介电常数就不同，光的传播速度也就不同。二.晶体的主折射率，正晶体、负晶体光矢量平行于光轴时，35o光：no，ne称为晶体的主折射率正晶体：neno负晶体：nenovotvet光轴点波源点波源votvet光轴e光：(vevo)(vevo)如：石英、冰如：方解石、红宝石························vot光轴光轴vetvot36ee三.单轴晶体中光传播的惠更斯作图法1.光轴平行晶体表面，自然光垂直入射··光轴晶体··o、e方向上虽没分开，下面以负晶体(vevo)为例，介绍该方法：oo但速度上是分开的，这仍是双折射。····以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法，是研究光在晶体中传播的重要方法。37oe2.光轴平行晶体表面，且垂直入射面，····晶体光轴rei········voΔtveΔtoecΔt自然光斜入射在这种特殊的情况下，对e光也可以用折射定律。r0383.光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射····e方解石光轴··o此时e光的波面不再与其波射线垂直了。ooee······晶体光轴····这正是前面演示的情形。注意：39§5.5椭圆偏振光和圆偏振光一.晶体起偏器件1.晶体的二向色性、晶体偏振器某些晶体对o光和e光的吸收有很大差异，例如，电气石对o光有强烈吸收，····光轴e光电气石光轴对e光吸收很弱，用它就可以产生线偏振光。这叫晶体的二向色性（dichroism）。402.偏振棱镜▲偏光棱镜：光轴的取向使e光对应的恰是ne。no（1.6584）＞n（1.55）＞ne（1.4864）i临界角，o光全反射了，e光可通过。偏振棱镜可由自然光获得高质量的线偏振光，可由自然光获得原方向的线偏振光如：············光轴光轴方解石方解石加拿大树胶(n=1.55)oe吸收涂层i格兰—汤姆孙棱镜它又可分为偏光棱镜和偏光分束棱镜。41▲偏光分束棱镜：可由自然光获得分开的两束线偏振光。e·····12方解石方解石····oe光轴光轴沃拉斯顿棱镜o如：光进入到第1块方解石后，o光和e光在方向上没有分开，由于方解石2和方解石1二者光轴垂直，当光进入到方解石2时，o光变成e光，e光变成o光，于是两光束在界面处发生折射而分开。42二.晶体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏1.晶片—相位延迟片晶片是光轴平行表面的晶体薄片。ydxAAoAe线偏振光光轴AAoAe光轴P振幅关系：椭圆偏振光d光轴晶片从晶片出射的两束光由于出现相位差，而合成为一束椭圆偏振光。43通过厚为d的晶片，o、e光产生相位差为：则出射光为圆偏振光。若且ydxAAoAe线偏振光光轴椭圆偏振光d光轴晶片或圆偏振光442.波（晶）片（1）四分之一波片（quarter-waveplate）——线偏振光→圆偏振光——线偏振光→线偏振光可从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）（是对某个确定波长而言的）波片厚度满足——线偏振光→椭圆偏振光45（2）二分之一波片可使线偏振光振动面转过2角度Ao入Ao出A入A出Ae入=Ae出光轴（3）全波片三.椭圆与圆偏振光的检偏用四分之一波片和偏振片可区分出自然光和或部分偏振光和椭圆偏振光。圆偏振光，46四分之一波片圆偏振光自然光自然光线偏振光偏振片（转动）线偏振光I不变线偏振光I变，有消光以入射光方向为轴四分之一波片椭圆偏振光部分偏振光线偏振光偏振片（转动）线偏振光I变，有消光部分偏振光光轴平行最大光强或最小光强方向放置线偏振光I变,无消光或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置47▲如何区分由自然光和椭圆偏振光组成的部分偏振光与由自然光和线偏振光组成的部分偏振光？思考▲如何区分由自然光和圆偏振光组成的部分偏振光与自然光？演示四分之一波片（KG031）二分之一波片（KG030）48§5.6偏振光的干涉一.