光的偏振(第五章)

第五章主要内容•掌握自然光,偏振光的基本概念。•熟练掌握布儒斯特定律和马吕斯定律。•了解尼科耳棱镜产生偏振光的原理。•了解各种偏振光的实验检定。•了解偏振光的干涉。§5.1光的横波性及偏振态偏振光一、偏振现象•上面一幅图是我们通常看到的照片，但是如果我们实际看到的却是下图的景象。这是因为水面的光大部分是偏振光，拍照时我们可以通过特定的装置滤去偏振光而消除水面的强烈反光，从而拍摄到水下的景象。•玻璃的反光也有同样的效果，如右图•偏振光在日常生活中普遍存在，只是因为人眼无法分辨而显得陌生•其实光滑的非金属表面在一定角度下反射形成的眩光就是偏振光；•蓝天在与太阳方向成90度的垂直方向散射的也是偏振光二、偏振的定义•纵波（longitudinalwave）：•波的振动方向与传播方向一致•横波（transversewave）：•波的振动方向与传播方向垂直区别：横波有偏振，纵波无偏振偏振:波的振动方向相对于传播方向的不对称性。区别:横波有偏振,纵波无偏振.电磁矢量均与光的传播方向垂直，光和物质的相互作用主要由电矢量决定。光矢量指电矢量光波是横波•在与传播方向垂直的二维空间里光矢量可以有各种不同的振动状态(偏振态)。光的五种偏振态:1.自然光(非偏振光)2.平面偏振光(线偏振光)3.部分偏振光4.圆偏振光5.椭圆偏振光1、平面偏振光：（线偏振光）三、偏振态ZE有确定的振动平面光矢量沿一固定方向振动图示法：ykztAxkztAEyx)cos()cos(数学表达式:sincosAAAAyx其中对任意方向振动的线偏振光可分解为两束振动方向相互垂直、同位相的线偏振光的叠加.。)cos()(kztyAxAyxxkztAExxx)cos(-=w方向：ykztAEyyy)cos(-=w方向：任意方向:2、自然光：实验：普通光源，转动偏振片，都有光，且光强一样。说明普通光源（太阳光、灯光、烛光等）各方向都有振动。XYZ（1）微观:每一原子发光每次发射的是一理想单色简谐波，各原子发光是随机的，其偏振方向、位相分布都是无规则的、彼此无关联的。（2）宏观:大量原子发光，那么入射光中包含了所有方向的横振动，迎着光看，振动方向对光的传播方向形成轴对称分布原因:自然光的特点:A、光矢量振动分布呈现时间、空间均匀性B、自然光不是偏振光、大量原子的随机辐射掩盖了其偏振本性。C、哪个方向也不比其他方向更优越（演示实验）所以叫自然光。把所有这些振动分解为两个互相垂直的分量（只要垂直，任意方向均可）iixxaAiiyyaAxxyiaixaiyayxAA自然光可看成是两振幅相同，振动方向相互垂直的非相干的平偏光的迭加。图示法：2nyxIII22yxyxnAAIII3、线偏振光的获得：由一些选择性地吸收不同方向电矢量（称为二向色性）的晶体做成的薄片。它只允许特定方向（称为透振方向）的电矢量通过，可以用来制造或检验线偏振光(1)偏振片：如:电气石晶体，电矢与晶体光轴平行时，吸收小，与之垂直时，光被强烈吸收。另一种硫酸碘奎宁晶体，比电气石好，但晶体小，可在拉伸后的赛璐璐基片上蒸镀一层奎宁晶体颗粒，基片应力使晶粒的光轴定向排列，便可得到较大面积的偏振片。1P2P起偏器检偏器nI1?I?2I1P：偏振片１的透振方向2P：偏振片２的透振方向（2）马吕斯定律:I0PIA0Acos0AA马吕斯定律（1809）P表示偏振片的透振方向200AI2202cosAAI20cosII自然光透过偏振片后光强减少一半！例1：将两偏片P1与P2共轴放置，用强度I1的自然光和I2的平偏光同时垂直入射到P1上，从P2透出后又射到P2上。（1）P1放置不动，将P2以光线方向为轴转一周，光强如何变化？（2）欲使光强最大，如何放置P1和P2？2nII?InI1P1I2P2I'1I''1I'2I''2I解：设P1、P2的偏振化方向夹角为入射线偏振光振动方向与P1的偏振化方向夹角为对自然光：1121'II211cos21''II线偏振光：222cos'II2222coscos''II因和是非相干光''''21III2221cos)cos21(II即观察到的光强随P1的转动而周期性变化0时maxII2时0I''1I''2I得到最大光强，须同时满足则先调//,同时转动,.使透射光强达到最大.例：将一偏振片沿角插入一对正交偏振器之间，自然光经过它们，强度减为原来的百分之几？0021max21III1p2p1p2p045P1P2P3I1I221nII445cos0212nIII845cos0223nIII3p2pnI?3I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。4、部分偏振光部分偏振光是自然光与线偏振光的混合部分偏振光部分偏振光的分解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。表示法：maxIyxAA（1）偏振度maxminmaxminIIPIImaxI垂直方向的最小光强沿某一方向的最大光强minI当minmaxII时,0p自然光当0minI时,1p平偏光部分偏振光10p(2)部分偏振光是自然光与线偏振光的混合pnpIpIIpIIIIIIpnnnn2222例：用偏振片观察一部偏光，当偏振片由对应光强最大的位置转过300，光光强减为原来的，试求其中自然光与平偏光强之比及光束的偏振度。解：P1pnIII部转(1)∵∴(2).三、反射光的偏振态2i11212111211211211112sin;sincoscospspspspsAtgiiiiAAtgiiAiiAiiAAAii在不考虑方向的情况下菲涅尔公式:又∵11spAA2n(无位相关联)1.反射光的偏振态讨论:（1）当时有合成一束自然光（2）当时1212cos()cos()iiii反射光是部分偏振光如果入射光是平偏光，则反射光仍是平偏光。(3)布儒斯特定律当02190ii时0'1pA即平行分量完全不能反射，反射光为振动方向垂直入射面的线偏光。2i1n2n自然光线偏振光部分偏振光布儒斯特角12101010cossinnniitgi布儒斯特定律2、透射光的偏振态仍为部分偏振光，当以布氏角入射时，反射光为线偏光，这时透射光偏振度最高。(接近线偏振光)多次折射！•如何使透射光变为线偏光？§5.2双折射一、双折射•当一束光入射到各向异性介质中时（如：方解石、石英等），折射光将分为两束，各沿略不同的方向传播，称为双折射现象。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•o光（寻常光）：入射角、折射角满足折射定律，均在入射面内，入射面与折射面始终保持在同一平面。•e光（非常光）：不满足折射定律，折射光不在入射面内，折射面与入射面有一小夹角，此角与入射角有关，也与晶体取向有关。二、光轴和主截面1、光轴：变更入射光方向发现存在一些特殊方向，沿光轴方向传播，光不发生双折射（并不限一条直线，代表方向）。2、主截面:光线与光轴所在平面叫这根光线的主截面。o光和e光的主截面夹角很小当光轴位于入射面内，两主截面重合由两主截面夹角很小，一般也认为重合。3、o，e光的偏振态均为平偏光:光轴法线o光e光o光振动方向垂直主截面e光振动方向平行主截面三、o光和e的相对强度不论入射光是自然光或平偏光，均产生双折射现象。1、入射光为自然光20neIII2、入射光为线偏光o光e光俯视O光e光O’o主截面与平面的交线在晶体中o光和e光的强度：相对光强：2)(tgnnIIeoeo出射晶体后，无o，e之分，但光强不同：§5.3光在晶体中的波面1.O光在单晶中的波面O光的波面为球面各向同性2.e光在单晶中的波面各向异性e光的波面为旋转椭球面绕光轴旋转如（a)如（b)负晶体：沿光轴的方向相切正晶体：3.单晶体的分类负晶体正晶体４．O光和e光的折射率光在单轴晶体中传播时，某一时刻旋转椭球面和球面波在光轴方向相切，因而沿光轴方向传播的光，无论o光或e光，传播速度都相同，因而不发生双折射。o光：oovcn各向一样ee光：因在不同方向，速度不一样，折射率不一样对e光有无数个折射率e光的主折射率:eee光沿垂直于光轴方向传播时的折射率此时，e光遵循折射定律eevcn§5.４光在晶体中的传播方向一．利用惠更斯作图法确定光的传播方向tviABBC11__________sintviABAE22__________sin2121sinsiniivvvcn又2211sinsininin∴各向同性二．光在单晶中的传播方向以负晶为例１、光轴与单晶表面有夹角①光轴在入射面内②光轴与入射光平行③光轴不在入射面内e光均不满足折律。e光均不满足折律。上述三种情况，ee光均不满足折律。二、光轴垂直晶表，并平行于入射面e光不在入射面内如（a)三、光轴平行晶表，平行入射面四、光轴平行晶表，垂直入射面（1）光垂直入射（2）斜入射如（C)如（b)§5.5偏振元件1、汽车车灯汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时，为了避免双方车灯的眩目，司机都关闭大灯，只开小灯，放慢车速，以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角，那么，司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，即不要熄灯，也不要减速，可以保证安全行车。应用一、偏振片另外，在阳光充足的白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光，常会使眼睛睁不开。由于光是横波，所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此，只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光。2、观看立体电影在拍摄立体电影时，用两个摄影机，两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛，它们同时分别拍下同一物体的两个画像，放映时把两个画像同时映在银幕上。如果设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画面，就可以使观众得到立体感。为此，在放映时，两个放放像机每个放像机镜头上放一个偏振片，两个偏振片的偏振化方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜，左眼偏振片的偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同，这样，银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体化的影像了。二、尼科耳棱镜068方解石晶体加拿大树胶加拿大树胶55.1n068022048光轴oeO光入射角大于其临界角arcsin(1.55/1.658)=69012’，被全反射，在BC处为涂黑层所吸收。BCAD出射光为平行于主截面的平面偏振光（e光）用作起偏、检偏器•第一块棱镜起偏，第二块棱镜检偏作用：三、沃拉斯顿棱镜•有两个光轴相互垂直的直角棱镜组成。•自然光入射，o光e光同向传播，在第二块棱镜中分开。产生一对分开，振动互相垂直的线偏光出射角：2arcsin[()]oenntg四、波晶片dnneo)(波片是光轴平行表面的晶体薄片。晶面光轴doe通过厚为d的晶片，o、e光产生光程差和相位差：dnndodo)(2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的线偏振光.(1)四分之一波片(2)二分之一波片2)12()(kdnndo使线偏振光振动面转过2角度Ae入=Ae出入A0入A0出A入A出光轴•左，二分之一波片•线偏振光垂直入射到半波片时，透射光