4.1_偏振光与自然光

偏振光与自然光立体电影和偏振在观看立体电影时,观众要戴上一副特制的眼镜，这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片。这样，从银幕上看到的景象才有立体感。如果不戴这副眼镜看，银幕上的图像就模糊不清了。这要从人眼看物体说起，人的两只眼睛同时观察物体，不但能扩大视野，而且能判断物体的远近，产生立体感。这是由于人的两只眼睛同时观察物体时，在视网膜上形成的像并不完全相同，左眼看到物体的左侧面较多，右眼看到物体的右侧面较多，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近，从而产生立体视觉。立体电影是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同时拍摄下景物的像，制成电影胶片。在放映时，通过两个放映机，把用两个摄影机拍下的两组胶片同步放映，使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上。这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是模糊不清的，要看到立体电影，就要在每架电影机前装一块偏振片，它的作用相当于起偏器。从两架放映机射出的光，通过偏振片后，就成了偏振光。左右两架放映机前的偏振片的偏振化方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振光方向不改变。观众用上述的偏振眼镜观看，每只眼睛只看到相应的偏振光图象，即左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样就会像直接观看那样产生立体感觉。这就是立体电影的原理。当然，实际放映立体电影是用一个镜头，两套图象交替地印在同一电影胶片上，还需要一套复杂的装置。这里就不涉及了。2）化工、制药：利用振动面的旋转（旋光效应），测量溶液浓度；3）地质、生物、医学：广泛使用偏振光干涉仪、偏振光显微镜；还有立体电影的拍摄与放映4）航海、航空：使用偏光天文罗盘；偏振光有广泛的应用：1）机械工业：利用偏振光的干涉分析机件内部的应力分布——光测弹性力学；第一节偏振光概述光的干涉和衍射现象：光的波动性光的偏振和在光学各向异性晶体中的双折射现象：光的横波性一、偏振光和自然光对于平面电磁波，电场强度矢量——光矢量的振动方向与传播方向垂直。光矢量的振动方向总是与光的传播方向垂直的，即光矢量的横向振动状态，相对于传播方向不具有对称性，这种光矢量的振动相对于传播方向的不对称性，称为光的偏振性。横波和纵波的区别——偏振•纵波：振动方向与传播方向一致，不存在偏振问题；•横波：振动方向与传播方向垂直，存在偏振问题。最常见的偏振光有五种:自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。XY（1）自然光：普通光源发出的光、阳光都是自然光。由于原子发光的间歇性和无规则性，使得普通光源发出的光的光矢量在垂直于传播方向的平面内以极快的速度取0～360°内的一切可能的方向，且没有哪一个方向占有优势。具有上述特性的光，称为自然光。各个方向上光振动振幅相同的光，称为自然光。自然光的表示法：用两个独立的(无确定相位关系)、相互垂直的等幅振动来表示。图中，圆点表示垂直于纸面的振动，短线表示平行于纸面的振动。特点：在所有可能的方向上，光矢量的振幅都相等；...uuxy自然光可分解为振动方向相互垂直但取向任意的两个线偏振光，它们振幅相等，没有确定的相位关系，各占总光强的一半。自然光的表示方法：圆点与短线等距离地交错、均匀地画出。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垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。yxEEyxIIIEx和Ey无固定关系:它们是彼此独立的振动总光强方向选择无关与yx,——非相干叠加（2）线偏振光将自然光中两个相互垂直的等幅振动之一完全移去得到的光，称为完全偏振光。EEyExyxtAEXxcos)cos(tAEyytAEyycostAEXxcos·····光振动垂直纸面光振动平行纸面定义：在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿某一个固定方向振动，则称为线偏振光，又称为平面偏振光或完全偏振光。线偏振光也可以用传播方向相同、相位相同或相差、振动相互垂直的两列光波的叠加描述。（3）部分偏振光彼此无固定相位关系、振动方向任意、不同方向上振幅不同的大量光振动的组合,称部分偏振光，它介于自然光与线偏振光之间。部分偏振光两垂直方向光振动之间无固定的相位差。部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量都有，但振幅不对称，在某一方向振动较强，而与它垂直的方向上振动较弱。部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光平行于纸面的光振动的平均值大于垂直于纸面的光振动的平均值。垂直于纸面的光振动的平均值大于平行于纸面的光振动的平均值。（4）椭圆偏振光和圆偏振光光矢量在垂直于光的传播方向的平面内，按一定频率旋转(左旋或右旋)。如果光矢量的端点轨迹是一个椭圆，这种光叫做椭圆偏振光。如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光叫做圆偏振光，如图所示。这相当于两个相互垂直的有确定相位关系的振动的合成。xyxy右旋圆偏振光右旋椭圆偏振光规定：迎着光线看（对着光的传播方向），光矢量顺时针转的称右旋圆偏振光（或椭圆偏振光）；光矢量逆时针转的称左旋圆偏振光（或椭圆偏振光）。偏振度pnpIIIIItpP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Ip—部分偏振光中包含的完全偏振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偏振度的另一种表示：minmaxminmaxIIIIP例：通过偏振光观察一束部分偏振光。当偏振光由对应投射光强最大的位置转过60°时，其光强减为一半。试求这束部分偏振光中的自然光和线偏振光的强度之比以及光束的偏振度。解：部分偏振光相当于自然光和线偏振光的叠加，设自然光的强度为In，线偏振光的强度为IP，则不分偏振光的强度为In+IP。当偏振光处于使透射光强度最大的位置时，通过偏振片的线偏振光的强度仍为IP，而自然光的强度为In/2，即透过的总光强为IP+In/2。202cos60242pnnPIIIII122II2()242pnnpIIII1npII偏振片转过60°后，透射光的强度变为：根据题意：整理后得：max3222nnpnnIIIIIImin1222nnpnnIIIIII31()122312()22nnIPI这说明入射的部分偏振光相当于强度相等的自然光和线偏振光的叠加。该束光的最大光强：最小光强：由此可以求出偏振度：由反射与折射产生偏振光由二向色性产生偏振光由双折射产生偏振光二、获得偏振光的方法（1）由反射与折射产生偏振光自然光在两种各向同性介质的分界面上反射和折射时，不但光的传播方向要改变，而且光的偏振状态也要改变，所以反射光和折射光都是部分偏振光。在一般情况下，反射光是以垂直于入射面的光振动为主的部分偏振光；折射光是以平行于入射面的光振动为主的部分偏振光。n2n1ira、反射光中垂直振动强于平行的振动；b、折射光中平行的振动强于垂直振动；c、反射光折射光偏振化的程度随入射角的不同而不同。这里所说的“垂直”和“平行”是对入射面而言的。反射光的偏振化程度与入射角有关。1812年，布儒斯特由实验证明：若光从折射率为n1的介质射向折射率为n2的介质，当入射角满足120nntgi这实验规律可用电磁场理论的菲涅耳公式解释。时，反射光中就只有垂直于入射面的光振动，而没有平行于入射面的光振动，这时反射光为线偏振光，而折射光仍为部分偏振光。这就是Brewster定律。其中i0叫做起偏角或布儒斯特角。布儒斯特定律note：i0—称为布儒斯特角或起偏角折射光仍为部分偏振光入射角为i0，反射光线垂直折射光线n2n10i0r理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的7.4%，而约占85%的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。可以利用玻璃片来获得线偏振光，只用一片玻璃的缺点：（1）以布儒斯特角入射时，反射光虽为线偏振光，但强度太小（2）透射光的强度虽大，但偏振度太小为解决这个矛盾，让光通过由多片玻璃叠合而成的倾斜的片堆，并使入射角等于布儒斯特角，经过多次的反射和折射，既能获得较高的偏振度，光的强度也比较大。0i（2）由二向色性产生偏振光二向色性是指有些各向异性的晶体对于光的吸收本领除了随波长改变外，还随光矢量相对于晶体的方位而改变，即对不同方向的偏振光有不同的吸收系数。·非偏振光线偏振光光轴电气石晶片··例：当振动方向互相垂直的两束线偏振白光通过晶体后呈现出不同的颜色。天然晶体中，电气石具有很强的二向色性。一些各向同性的介质在受到外界作用时也会产生各向异性，并具有二向色性。利用该特性获取偏振光的器件叫做人造偏振片。聚乙烯醇薄膜碘溶液拉伸、烘干聚乙烯醇薄膜氯化氢中加热脱水H偏振片K偏振片极强的二向色性，光化学性稳定，强光照射不会褪色，但膜片略变黑，透明度低偏振度高，透明度低，对各色可见光有选择吸收，可做得薄而大，价廉，广泛应用（3）双折射晶体产生线偏振光在双折射晶体中内，自然光波被分解成光矢量互相正交的线偏振光传播，把其中的一束光拦掉，便得到线偏振光。1、基本概念普通光源发出的是自然光，用于从自然光中获得偏振光的器件称为起偏器人的眼睛不能区分自然光与偏振光，用于鉴别光的偏振状态的器件称为检偏器2、偏振片是一种人工膜片，对不同方向的光振动有选择吸收的性能，从而使膜片中有一个特殊的方向，当一束自然光射到膜片上时，与此方向垂直的光振动分量完全被吸收，只让平行于该方向的光振动分量通过，即只允许沿某一特定方向的光通过的光学器件，叫做偏振片。这个特定的方向叫做偏振片的偏振化方向，用“”表示。三、马吕斯定律和消光比偏振片既可用作起偏器，又可用作检偏器。偏振片自然光Io线偏振光oII21从自然光获得偏振光的过程——起偏偏振片（利用晶体的二向色性）是一种常用的起偏器•••3、起偏器自然光通过偏振片后成为线偏振光，线偏振光的振动方向与偏振片的偏振化方向一致。4、检偏器用来检验某一束光是否偏振光。方法：转动偏振片，观察透射光强度的变化。自然光：透射光强度不发生变化偏振光：透射光强度发生变化••••••部分偏振光：偏振光通过偏振片后，在转动偏振片的过程中，透射光强度发生变化。马吕斯(EtienneLouisMalus1775-1812)法国物理学家及军事工程师。出生于巴黎1808年发现反射光的偏振，确定了偏振光强度变化的规律1810年被选为巴黎科学院院士，曾获得过伦敦皇家学会奖章1811年，他发现折射光的偏振5、马吕斯定律马吕斯定律的内容强度为I0的偏振光，通过检偏器后，透射光的强度为：I=I0cos2α其中α为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方向之间的夹角。AII0自然光I0I0/2光电接收器相对转动时，透射光强随两偏振片的透光轴的夹角而变化透光轴：允许透过的电矢量的方向称为偏振片的透光轴0max0III02minIIIo为两透光轴平行时的透射光强I=Iocos2当它们的透光轴互相垂直时，透射光强应为零。当夹角为其它值时，透射光强由下式决定：检偏器相对被测偏振器转动时的最小透射光强与最大透射光强之比，称为被测偏振器的消光比，消光比越小，偏振器件的质量就越高。（人造偏振片的消光比约为0.001）α为线偏光的光振动方向ON与检偏器透振方向OM间的夹角。0AOMNcos0AA22020cosAAII••••••0I20IMo一束光强为I0的自然光透过检偏器，透射光强为I0/2解释I=I0cos2α讨论•当检偏器以入射光为轴转动时，透射光强度将有变化•起偏器与检偏器偏振化方向平行时：α=0或α=π，I=I0，透射光强度最大•起偏器与检偏器偏振化方向垂直时：α=π/2或α=3π/2，I=0，透射光强度最小•α为其它角度时，透射光的强度介于0～I0之间。•马吕斯定律是对偏振光的无吸收而言的，对于自然光并不成立。若是自然光I0，通过偏振片后，I＝I0/2，偏振片在这里实际上起着起偏器的作用•当两个偏振片互相垂直时，光振动沿第一个偏振片偏振化方向的线偏振光被第二个偏振片完全