大学物理——光的偏振

8-9光的偏振一、自然光和偏振光一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的光振动。自然光的表示法：没有一个方向的光振动占有优势。x20IIIyx1.自然光没有优势方向由于普通光原中单个原子发光的独立性、随机性和间歇性，大量原子发出的光，没有一个方向的光振动占有优势，各个方向光矢量E的振幅相等。振动面：光矢量的振动方向与光的传播方向构成的平面。偏振:光矢量的振动方向相对传播方向的不对称性。光矢量振动面voHE2.线偏振光和部分偏振光偏振方向:光矢量的方向E光矢量只沿一个固定方向振动。一束线偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的线偏振光。sincosEEEEyxEEyExyx线偏振光(完全偏振光、平面偏振光)E播传方向振动面线偏振光的表示法：光振动平行板面x光振动垂直板面x部分偏振光某个方向的光振动占有优势。部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的线偏振光。部分偏振光的表示法：······平行板面的光振动较强垂直板面的光振动较强··部分偏振光的分解部分偏振光自然光与线偏振光的混合。偏振度：pnptpIIIIIp讨论：部分偏振光自然光完全偏振光完全偏振光强度pI自然光强度nI0nI1p0pI0p0pI10p3、椭圆偏振光和圆偏振光圆偏振光：光振动方向随时间变化椭圆偏振光：光振动方向和幅度都随时间变化光矢量端点的运动轨迹是圆。光矢量端点的运动轨迹是椭圆。迎着光传播方向看，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为右旋偏振光。圆偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光。椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光，均可等效为两个具有恒定相位差、相同振动频率、振动方向相互垂直的线偏振光。任何两束传播方向相同、频率相等、相位差恒定、振动方向相互垂直的线偏振光叠加时，都将形成椭圆偏振光或圆偏振光。二、起偏和检偏起偏：使自然光（或部分偏振光）变成线偏振光的过程。检偏：检查入射光的偏振性。1、偏振片的起偏和检偏将待检查的入射光垂直入射偏振片，缓慢转动偏振片，观察光强的变化，确定光的偏振性。透光轴方向自然光偏振片线偏振光偏振化方向线偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化，有消光现象自然光通过旋转的检偏器，光强不变。部分偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化。三、马吕斯定律I0IP2020EEII马吕斯定律（1809）-----线偏振光的振动方向与检偏器的偏振化方向之间的夹角。线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解sincosEEEEyxPE0E=E0cos检偏器透射轴线偏振光振动方向20cosII220220cosEcosEI?P待检光I不变是什么光？I变，有消光是什么光？I变，无消光是什么光？讨论20cosII0max0III，02I，——消光例在偏振化方向正交的起偏器M和检偏器N之间，插入一片以角速度旋转的偏振片P，入射自然光强为,试求由系统出射的光强是多少？0ItPNM)cos1(212sinN•••MP)41(1620220tcosItsintcosII出偏振片P每旋转一周，输出光强有“四明四零”。（1）4t=00,3600，2×3600，3×3600时，t=450,1350,2250,3150时，输出光强为。80I)41(160tcosII出t=00,900,1800,2700时，输出光强为零。（2）4t=1800,3×1800，5×1800，7×1800时，四、布儒斯特定律----反射光和折射光的偏振自然光部分偏振光反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化。1n2nr部分偏振光i偏振化程度与入射角和两种介质的折射率有关。21120tgnnni反射光是振动方向垂直于入射面的线偏振光。200ri0i起偏振角布儒斯特角布儒斯特定律布儒斯特发现：当入射角等于某一特定值i0时，且反射光传播方向与折射光传播方向垂直。020201icosnrsinnisinn0i0r1n2n自然光线偏振光部分偏振光0iib(接近线偏振光)玻璃片堆最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光利用玻璃片堆产生线偏振光方解石晶体实验一当一束光入射到各向同性透明介质表面时：实验二oeSS/1、双折射现象五、晶体的双折射当一束光入射到某些各向异性的透明介质表面时：光光当方解石晶体旋转时o光不动，e光围绕o光旋转双折射纸面方解石晶体光光双折射当方解石晶体旋转时o光不动，e光围绕o光旋转纸面方解石晶体光光当方解石晶体旋转时o光不动，e光围绕o光旋转双折射纸面方解石晶体光光当方解石晶体旋转时o光不动，e光围绕o光旋转双折射纸面方解石晶体一束光射到各向异性介质后折射成两束不同方向的光的现象。————双折射现象ron1n2ire(各向异性媒质)自然光寻常光：对于晶体一切方向都具有相同的折射率(即波速相同），且在入射面内传播，简称它为O光。寻常光线(o光)-----遵守折射定律非常光：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且不一定在入射面内传播，简称为e光。非常光线(e光)-----不遵守折射定律o光和e光都是线偏振光。2、光轴与主平面当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该方向称为晶体的光轴。“光轴”是一特殊的“方向”,不是指一条直线。凡平行于此方向的直线均为光轴。单轴晶体：只有一个光轴的晶体双轴晶体：有两个光轴的晶体方解石、石英、红宝石、冰等。云母、硫磺、蓝宝石等。AB光轴102°方解石晶体的光轴主平面：晶体中某条光线与晶体光轴构成的平面。e光光轴e光的主平面o光光轴o光的主平面····o光的振动方向垂直于o光的主平面。e光的振动方向平行于e光的主平面。晶体主截面：晶面法线与晶体光轴构成的平面。当入射光线在晶体主截面内时，o光和e光的主平面与晶体主截面重合，这时o光和e光的振动方向严格垂直。实际上大多数情况下，o光和e光的主平面夹角都很小，因此o光和e光的振动方向可认为是垂直的。主折射率:o光的传播速率用表示,其折射率用表示.oone光沿垂直于光轴方向上的传播速率用表示,折射率用表示。eeneecnoocn称为晶体的主折射率和oenn3.尼科耳棱镜光轴在ABCD平面内方向与AB成480，入射面取ABCD面将两块根据特殊要求加工的方解石棱镜用折射率为n=1.55的加拿大树胶粘合成一长方柱形棱镜。O光入射角大于其临界角arcsin(1.55/1.658)=69012’，被全反射，在BD处为涂黑层所吸收。出射光为偏振光e光。方解石的折射率n0=1.658,4861.neABDC•e•760O220680480e六.波片椭圆偏振光和圆偏振光的获得波片(波晶片)：光轴平行表面的晶体薄片。....dCS1P光轴晶面光轴doeAoAe光轴PAdyx线偏振光光轴λdnneoeo)(2dnneo)(cosAAesinAAo通过厚为d的晶片，o光、e光产生光程差和相位差：cossinAAAAeo振幅关系从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差为的线偏振光，它们合成为一束椭圆偏振光。(1)四分之一波片——线偏振光→圆偏振光——线偏振光→线偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光.dnndoeo)(2dnneo)(——线偏振光→椭圆偏振光dyx线偏振光光轴λ2)12(k=3/2=/2(2)二分之一波片使线偏振光振动面转过2角度A0入A0出A入A出Ae入=Ae出入光轴)12(k=0=8-10偏振光的干涉S....dC1P2P光轴透光轴相互垂直一.偏振光干涉装置二.偏振光干涉的分析1.振幅关系P2P1CA1AeAoA2oA2ecos1AAe在P2后，两束光振动方向平行，振幅为：cossincos12AAAoooeeAAAA212cossinsin是一对振幅相等的相干光通过晶体C后此两束光合成为一束椭圆偏振光通过P2后（若P1//P2，则无附加相差）2.相位关系P2P1CA1AeAoA2oA2e—相长干涉—相消干涉kdnnkeo)()12(若单色光入射,且d均匀,屏上无干涉条纹.若白光入射，晶片d均匀，视场中将呈现一定的色彩，这种现象称为显色偏振。若白光入射，且d不均匀，则屏上出现彩色条纹。若单色光入射,且d不均匀,则屏上出现等厚干涉条纹.