大学物理课件：光的偏振

第三章光的偏振光的干涉、衍射证实了光的波动性，但未能说明光矢量振动方向与传播方向的关系。而光的偏振现象说明光是一种横波。光的偏振在工程技术上有广泛的应用。如光弹性实验测定构件的应力分布，在生物、医学上也有应用。3-1光的振动状态一、光的五种振动状态光的偏振是横波才有的现象。偏振——振动方向对传播方向的不对称性。只有横波才有偏振，纵波无偏振可言。振动对传播方向不对称振动对传播方向对称根据电磁波理论，光是横波，，故在与垂直的平面内，光矢量有五种可能的振动状态。Ekk1、线偏振光或完全偏振光E播传方向振动面示意图：EEyExyx可以视为两个同位相或反相、相互垂直的光振动的叠加。2、自然光即普通光源发出的光，不显示偏振，非线偏振光。原因：虽然原子每次发出的光波列是线偏振光但是同一时刻有大量原子发光，振动方向是随机的；同一原子不同时刻发出的光波列的振动方向也是是随机的；所以，从统计上看，在垂直于的平面上，分布是对称的，各向振动几率均等。kE示意图：xy可以视为两同振幅、相互垂直的非相干线偏振光的叠加。xAyAk012xyIIIxAyA相互独立，无位相关系3、部分偏振光介于自然光和线偏振光之间，有一定的偏振度。各个方向都有振动，与自然光有相似之处，但有一个方向振动占优势。xy示意图xyAAxAyA相互独立，无位相关系xyAAmaxyIIminxII4、圆偏振光xxyyEE迎传播方向看2yx2yx左旋圆偏振光右旋圆偏振光E光矢量尖端轨迹为圆5、椭圆偏振光光矢量尖端轨迹为椭圆ExxyyEE2yx右旋椭圆偏振光左旋椭圆偏振光2yx圆偏振光线偏振光椭圆偏振光圆偏振光和线偏振光是椭圆偏振光的特例二、起偏与检偏起偏——将自然光变成偏振光的方法检偏——检验一束光的偏振程度相应的装置叫起偏器、检偏器起偏方法：偏振片起偏、反折射起偏、双折射起偏。3-2偏振片马吕斯定律偏振片起偏是常见的起偏方法一、二向色性偏振片一些晶体对不同方向的光振动具有选择性吸收。强烈地吸收某方向光振动，只让与之垂直的光振动通过——二向色性。偏振片——透明基片上镀上一层二向色性物质的光学元件。偏振片上允许光振动通过的方向——透振方向（偏振化方向、透光轴）0I0I0I0I0I012I0I00II二、马吕斯定律0I20cosII——马吕斯定律线偏振光入射用横波理论可以解释马吕斯定律：//0cosAA0sinAA0AA//A—被吸收—通过2222//00coscosIAAI00,,II3,,022I转动偏振片，相隔，变化一个周期。I0II220cosII用偏振片可以区分自然光、线偏振光、部分偏振光：I0I012II00IIminmaxIII例题1：自然光（强度）垂直射向两平行放置的偏振片A、B，无光通过。在A、B之间插入偏振片Ｃ，其中Ｃ与Ａ的偏振化方向夹，求透过Ｂ的光强度Ｉ＝？30解：由题意，Ａ和Ｂ偏振化方向正交30ABC0I0II1I2I1012II221cos30II22cos60II220013cos30cos60232III例题２：两偏振片叠在一起，由强度相同的自然光和线偏振光混合而成的光垂直入射。现进行两次测量。第一次和第二次测量时，偏振化方向分别夹和未知角，且入射线偏振光光振动方向与的偏振化方向夹角分别为和。若穿过的光强度的两次测量值相等，求。12PP、12PP、1P3012PP、30451P2P解：1I2I221001(cos45)cos302III222001(cos30)cos2III12II得23cos,39.2353-３反折射起偏布儒斯特定律自然光入射到介质表面，反射光、折射光偏振状态如何？还是自然光吗？一、布儒斯特定律实验事实：自然光入射到两介质界面1、任意入射，反射光和折射光均为部分偏振光（检偏器检验）i//优势优势2、当，反射光是光振动垂直于入射面的线偏振光，且。折射光仍然是部分偏振光。上式称为布儒斯特定律。——布儒斯特角或起偏角。上述关系是1812年从实验上确定的。0ii090i10220sinsincosninni20211ntginn0i指出：虽然反射光是线偏振光，但光强很弱（能量只占4%~15%）。反射光中只占小部分振动。振动和大部分振动被折射。//玻璃片堆——增加反射光强度和折射光偏振程度二、玻璃片堆的起偏与检偏自然光以入射，层层反射、折射，得到振动相互垂直的强度大的反、折射线偏振光。0i0tgin1tgn0i0i0inn玻璃上下表面都满足布儒斯特定律0i0i线偏振光玻璃片堆起偏0i玻璃片堆起偏器（检偏器）：各层反射光被吸收，透射光几乎线偏振。例题1：某材料相对于水的折射率为1.20（水的折射率1.33），求其对空气的布儒斯特角。解：1.20,1.20nnnn水水01.201.201.331.70ntginn水空气058in0i例题2：画反射光和折射光示意图0i0i无反射光例题3：如图，自然光从空气射入水面（n2=1.33），反射光是线偏振光。折射光再射于玻璃（n3=1.50)表面,再反射为线偏振光，求图中。i2i水面1n2n3n解：由题意，和都是布儒斯特角。i2i21,tginn90i12111.33tgtginn36562321.501.33,tginn24826i90,290i21130i3-4双折射现象除偏振片起偏和反、折射起偏外，还有双折射起偏。一、双折射1、双折射现象通常，光射在各向同性介质如玻璃表面，折射光只有一条且遵守折射定律。2211sinsinninni但当光射到各向异性晶体表面时，情况将不同。方解石晶体盖在纸面物点上，出现两个像点。以入射光线为轴，转动晶体，一个像点绕另一像点转动。以上实验说明，当一束光射向各向异性晶体时，折射光分成两束。该现象称为双折射。这两束光是否遵守同样的规律？2、寻常光（o光）、非常光（e光）0,0i0,0i实验证明，一束光遵守折射定律（与各向同性介质同），另一束不遵守折射定律。双折射时遵守折射定律的光束——0光（寻常光）双折射时不遵守折射定律的光束——e光（非常光）0光：恒定。与各向同性介质中折射光同。入、法、折射线共面，折射光在入射面内。不随变。sinsinooinoniie光：常量且随变。折射光不一定在入射面内。如果将叫光折射率，那么，随而变。sinsineeinsinsineiieeni实质：ncv0oocnvov常量，常量，晶体内光各向同速eeecnvv常量，常量，晶体内e光各向异速sinsinooin0光：不随变。onii问：晶体内有无o、e光同速的方向？o、e光偏振状态如何？二、光轴主截面主平面1、光轴实验发现，在晶体内存在一个或两个不发生双折射的方向，o、e光不分开。该方向上，,oenn0evv。晶体中o、e光传播速度相同（无双折射）的方向——光轴（一个方向，非一直线）石英、方解石等——单轴晶体（一个光轴）云母、硫磺等——双轴晶体（两个光轴）光轴2、主截面主平面n光轴光轴主截面主平面光轴与晶体表面法线构成的平面叫主截面（取决于晶体本身）光轴与晶体内一折射光构成的平面叫该折射光主平面（取决于晶体与折射光）以下研究o、e光振动方向及偏振状态，实验和理论表明：o、e光都是线偏振光o光振动其主平面（光轴）e光振动其主平面（光轴）////o、e光主平面一般不重合，故o、e光振动一般不垂直，但多数情况下，o、e光主平面夹角很小（基本平行），则o、e光振动几乎垂直。当入射光在主截面内（即入射面与主截面重合，或者说主截面包含光轴）则：则o、e主平面、主截面、入射面共面o、e光振动严格垂直oeo、e光相对强度自然光入射，,1oeoeAAII线偏振光入射，主截面AoAeAoe顺光线看sinoAAcoseAA222oeooIIAAtg45,oeII0,0,oeIII,0,2eoIII讨论：自然光入射方解石，出射光几条？把方解石分成两块A、B并平移，出射光几条？再将B相对于A转一角度，出射光几条？由于o、e光是线偏振光，那么用双折射方法可以起偏。以下介绍偏振棱镜oe三、偏振棱镜偏振棱镜是利用双折射起偏的光学器件。起偏原理：双折射+全反射i密疏全反射：光从光疏媒质射向光密媒质时，i90cii当（临界角），ci密疏,cii当基本全反射cii密疏折射光很弱iciiAACCMNeo树胶方解石全反射方解石中：01.486,1.658enn树胶各向同性，无o、e之分：1.55n胶oennn胶主截面76(70)ciio光：光密光疏全反射、被吸收e光：光疏光密无全反，透过，振动在主截面内尼科尔棱镜20cosII00I0I0II自然光0I012II自然光0I201cos2II类似于偏振片胶玻璃方解石光轴格兰-汤姆逊棱镜01.486,1.658enn1.655n玻1.655n胶onnn玻胶振动：//振动：光几乎无偏折射出oicii全反射1.655enn胶方解石光密光疏四、二向色性实质一般单轴晶体对o、e光吸收相同。但电气石一类晶体，强烈吸收o光（选择吸收）。光轴现广泛使用人造偏振片。涂二向色性物质硫酸碘硅宁，晶粒定向排列形成涂层五、惠更斯原理解释双折射1、光在晶体中的波面假定晶体中有一点波源C,发出两组波。因vo不变，o光波面是球面。而ve与方向有关，e光波面是椭球面。两组波面在光轴方向相切(光轴方向，两光速度相同）石英()ncv方解石,eoeovvnn,eoeovvnn与光轴垂直的方向，相差最大。该方向上的折射率称为主折射率。oevv、eonn主折射率称为负晶体，反之为正晶体。各向异性晶体中的e光传播方向不一定垂直于波面。2、单轴晶体中o、e光传播方向以负晶体方解石为例说明oeoe做包络面，分别得到o、e光波面，从入射点向切点连线即传播方向。,eoeovvnn,eoeovvnn负晶体正晶体石英方解石光轴ooeeooeeooee光轴光轴oeoe光轴无双折射oevv两光方向相同，仍然是双折射双折射双折射3-5波晶片偏振光的干涉如何产生椭圆、圆偏振光？一、波晶片波晶片——表面平行于光轴的单轴晶片由惠更斯原理作图知：当平行光垂直射入晶面且晶面平行于光轴时，o、e光不分开，但。该方向上两光存在光程差或位相差。2()()oeoeoeoenndnndoennoevv利用波晶片可以产生椭圆、圆偏振光o、ed二、椭圆、圆偏振光的产生（波片）14、12()(21)44(21)22oeoeoenndkk或或4oednn4oe当晶片厚度14—波片do、e光线垂直光轴入射，光轴平行表面1.什么是14、12波片？()(21)22(21)oeoeoenndkk或或2oednn2oe12—波片当晶片厚度do、e14、12注：波片仅对特殊波长而言。与有关。4oednn2oednnd一种重要光学元件入射前为线偏振光迎光线看0出射后是什么光？线偏振光？圆偏振光？椭圆偏振光？do、e取决于出射的o,e光之间的位相差？14波片作用2.4oednndo、e2oe0入射时出射时doeeoeo2oe4oe()4oeoenndeoeo2oe4oe迎光线看线偏振光入射eo=45=4514波片作用：线偏振光圆、正椭圆偏振光eoeoeoeo14波片yx线偏振光光轴λ射前：线偏振光视为两正交同位相光振动合成0射出：椭圆光4()42oeo