第14章 光的偏振.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十四章 光的偏振,光的干涉和衍射揭示了光的波动性，光的偏振现象则证实了光的横波性，都是对光的电磁波理论的有力证明。,光的偏振现象在自然界中普遍存在，如光的反射、折射、双折射等都与光的偏振现象有关。本章我们将对光的偏振现象作一简单的了解。,14-1,自然光和偏振光,一、横波的偏振性,偏振面,:,通过波的传播方向且包含振动矢量的那个平面。,如：上下抖动的绳,振动平面与包含传播方向在内的其他平面不同，称为,波的振动方向相对于传播方向没有对称性，这种不对称性称为偏振。,实验表明只有横波才有偏振现象，这是横波区别于纵波最显著的区别。,E,播,传,方,向,振,动,面,按光的电磁波理论，光矢量,E,的振动方向虽然始终垂直于传播方向，但在垂直于传播方向的平面内，,E,还可能有各种不同的振动状态，这种振动状态通常称为,光的偏振态。,按振动状态的不同，光可分为：,4,）圆偏振光,1,）自然光；,2,）线偏振光；,3,）部分偏振光；,5,）椭圆偏振光,右旋圆,偏振光,左旋圆,偏振光,0,y,y,x,z,传播方向,/2,x,某时刻右旋圆偏振光,E,随,z,的变化,E,二、自然光,光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上既有时间分布的均匀性又有空间分布的均匀性。,普通光源发光具有间歇性和随机性，包含所有方向的光振动，并且没有哪个方向的光振动更占优势，平均说来，空间上均匀对称分布，各个方向上，时间的平均值相等。,为了研究的方便将自然光向任意互相垂直的两个方向分解，因此自然光可看作,互相垂直、振幅相等（光强相等）、独立（不相干）的两个光振动。,注：自然光不一定不是单色光。,三、线偏振光,光矢量始终沿某一固定方向振动。,可将自然光中相互垂直的两个分振动之一完全移去，获得线偏振光，故又称为完全偏振光。又光矢量始终都在振动面内振动，故称为平面偏振光。,注：线偏振光不一定是单色光。,线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：,E,E,y,E,x,y,x,表示方法：,四、部分偏振光,各方向的振动都有，但振幅大小不相等。,既可以看作介于自然光和线偏振光之间，也可看作自然光与线偏振光的混合。,1,）将自然光中一个分振动部分移走即可获得部分偏振光。,3,）天空的散射光和水面的反射光就是这种部分偏振光,分解,非相干,表示方法：,2,）两个方向的光振动强弱对比度越高则越接近线偏振光，越低则越接近自然光。,14-2,起偏和检偏 马吕斯定律,一、偏振片的起偏和检偏,普通光源发出的光都是自然光，从自然光中获取线偏振光的装置叫,起偏器,。偏振片是一种较常用而又最简便的起偏器。此外利用光的发射、折射和晶体棱镜的双折射也可获取线偏振光。,偏振片是在透明的基片上蒸镀一层某种物质（如硫酸金鸡纳碱、碘化硫酸奎宁等）晶粒制成的。,晶粒特性：对互相垂直的两个分振动矢量具有选择吸收性，即对某方向的光振动具有强烈的吸收，而对与之垂直的光振动吸收很少，这种特性称为二向色性。,偏振化方向（透光轴）：允许某一特定方向的光振动通过的方向，即透光方向。,非偏振光,线偏振光,透光轴,电气石晶片,起偏：从自然光中获取线偏振光的过程；,光强无变化,两次光强最弱，两次光强最强,两次光强最强，两次光强为零,偏振片,P,旋转一周：,检偏：检验某束光是否为线偏振光的过程。,自然光,I,0,线偏振光,I,P,偏振化方向,（通光方向）,-,部分偏振光；,-,自然光,-,线偏振光。,二、马吕斯定律,（,Malus law,）,1809,年，马吕斯在研究线偏振光通过检偏器后的透光光强时发现，如果入射线偏振光的光强为,I,0,，,透过检偏器后，透射光的光强：,-,马吕斯定律,是线偏振光的振动方向与检偏器的透光轴方向之间的夹角。,线偏振光：,光强最强；,光强为零。,例,1,：一束自然光射到由四个偏振片组成的偏振片组上，四个偏振片如图放置，每个偏振片的偏振化方向相对于前一个顺时钟转角,30,o,，设入射光光强为,I,0,，则通过第二片后光强为：,_,，通过第四片后变为：,_,。,自然光,I,0,P,1,P,2,P,3,P,4,I,1,I,2,I,3,I,4,14-3,反射与折射时光的偏振,自然光在两种各向同性的媒质分界面上反射和折射时，反射光和折射光都成为部分偏振光，在特定的条件下，反射光有可能成为完全偏振光。,如图，自然光分解为垂直振动（黑点）和平行振动（短线）,实验发现：在反射光中，垂直振动多于平行振动，折射光中，平行振动多于垂直振动，即反射光和折射光均为部分偏振光。,入射角,i,变,反射、折射光的偏振度也变。,理论和实践证明：反射光的偏振化程度与入射角有光。,布儒斯特角或起偏角,如：空气,玻璃：,玻璃,空气：,（,1,）可以证明：,当入射角等于某一定值,i,0,，,且满足：,反射光中只有垂直入射面的分振动，成为线偏振光，而折射光仍为部分偏振光，但这时折射光的偏振化程度最高,-,布儒斯特定律（,1912,年）。,（,2,）入射光为线偏振光,（,3,）反射光光强很弱，透射光光强很强。,为了增强发射光光强和透射光的偏振化程度，常采用玻璃片堆。,如：空气玻璃，反射光光强为垂直振动的,15%,，透射光光强为垂直振动的,85%,和全部的平行振动，故透射光偏振化程度不高。,例,2,：有一平面玻璃板放在水中，板面与水面夹角为,，,设水与玻璃的折射率分别为,1.333,和,1.517,，若使图中水面和玻璃的反射光都是完全偏振光，,角应是多少？,例,3,：在杨氏双缝干涉实验中，下述情况能否看到干涉条纹？简单说明理由。,（,1,）在单色自然光源,S,后面加一偏振片,P,；,（,2,）在（,1,）的情况下，再在,S,1,，,S,2,后加,P,1,，,P,2,，,且,P,1,，,P,2,的透光轴方向垂直，与,P,透光轴方向的夹角为,45,；,（,3,）在（,2,）的情况下，再在,E,前加偏振片,P,3,P,3,和,P,的透光轴方向一致。,答：（,1,）可看到，且偏振片很薄忽略光程差，条纹与没有,P,基本一致，不过光强减弱；,（,2,）不能看到，两束光振动方向垂直，不满足干涉条件；,（,3,）可看到，经,P,3,后，振动方向一致，满足相干条件，条纹不同，光强减弱。,14-4,光的双折射,双折射现象：当光射到各向异性晶体（如方解石、冰洲石等）后，可观察到两束折射光的现象。,如：印有一行文字的纸上面放一块方解石。,实验发现：除立方晶系外，光线进入各向异性晶体时，一般都会产生双折射现象。进一步研究发现：,其中之一始终遵从折射定律，即对任意入射角，都有：,不遵从普通的折射定律，不一定在入射面内,寻常光,（,o,光）,非常光,（,e,光）,o,光：线偏振光，光速,v,o,，,主折射率,c/v,o,e,光：线偏振光，光速,v,e,，,主折射率,c/v,e,光轴：晶体内存在一个特殊方向，当光沿这个方向传播时不产生双折射现象。,此时，,o,光和,e,光折射率相等，光的传播速度也相等。,如：方解石晶体的光轴,注：光轴只是一个方向，并不是晶体中实际存在的直线。,单轴晶体：只有一个光轴，如方解石、石英等；,双轴晶体：存在两个光轴方向，如云母、蓝宝石等。,当自然光垂直入射方解石时，,o,光沿原方向前进，,e,光偏离原方向，以入射光为轴转动方解石，则,o,光不动，,e,光绕轴旋转。,方解石,o,e,e,o,主平面：晶体中某条折射光线与晶体的光轴所组成的平面称为该光线的,主平面,。,o,光和,e,光各有自己的主平面。,实验发现，,o,光光振动垂直自己的主平面，,e,光光振动平行自己的主平面。,一般情况下，,o,光和,e,光主平面不重合，但当光线沿光轴和晶体表面法线所组成的平面入射时，两个主平面重合，且就在入射面内。,o,光和,e,光光振动方向相互垂直。这个由光轴和晶体表面法线方向所组成的平面称为,主截面,。,o,光,光轴,o,光的,主平面,e,光,光轴,e,光的,主平面,本章结束,1.,波长为,的平行单色光垂直照射到如图所示的透明薄膜上，薄膜折射率为,n,，媒质折射率为,n,1,，已知,n,1,1.50,，干涉相消，考虑,半波损失，,则,在,500nm-700nm,之间未发现其他波长的反射光相消干涉，故有,不合理,若设,n,1.50,即,n,空,n,n,玻,则有,联立得,k,=3,，故,n,必须小于,1.50,光栅方程,7.,一台光谱仪设备有同样大小的三块光栅；,1200,条,/,毫米，,600,条,/,毫米，,90,条,/,毫米。,1,）如果用它测定,0.7,m,-1.0,m,波段的红外线波长,;2,）如测定的是,3,m,-7,m,波段红外线，则分别应选用哪块光栅,?,1),在时，,不合适,2),在 时，,由于第一块，第二块,合适,不合适,不能用,而相对于第三块,：,合适。,8.,设光栅平面和透镜都与屏幕平行，在平面透射光栅上每厘米有,5000,条刻线，用它来观察钠黄光,(,=,589nm),的光谱线,(1),当光线垂直入射到光栅上时，能看到的光谱线的最高级数,k,m,是多少？,(2),当光线以,30,的入射角（入射线与光栅平面的法线的夹角）斜入射到光栅上时，能看到的光谱线的最高级数,k,n,是多少？,（,1,）由光栅方程有,(2),斜入射时，光栅方程,光栅常数,9.,如图，将方解石晶体分成相等的两截再平移拉开一些距离，当一束与光轴成一定夹角的自然光通过它们后，最后的出射光应是：,（,A,）一束光；（,B,）两束光；（,C,）三束光；（,D,）四束光,答：是两条。,当自然光从前块方解石出来之后，就分成,o,光和,e,光，由于前后两块晶体的光轴平行，因此，在前一块晶体中的,o,光和,e,光，进入第二块晶体时仍然保持,o,光、,e,光的性质不变，因而不发生双折射，所以最后出射光仍是两条。,如果，将后面晶体绕入射光线转过一个角度，则前、后两块光轴就有夹角了，因而，这时进入后面晶体的,o,光、,e,光将再次发生双折射，这时最终出射光将是,4,束。,10.,某迈克耳孙干涉仪中平面反射镜,M,1,和,M,2,适当放置时，观察,G,1,分光束板，看到的视场为,3,3,cm,2,。在波长为,6000,的单色光照射下，视场中呈现,24,条竖直的明条纹，试计算,M,1,和,M,2,平面与严格垂直位置时的偏离程度。,由题知，相邻明条纹间距为,而相邻两明纹间的厚度差为,又因为有,11.,如图所示的双缝干涉，假定两列光波在屏上,P,点处的光强随时间而变化的表达式各为,表示这两列光波之间的位相差，试证,P,点处的合振幅为,为入射波的波长，,E,m,是的最大值。,由图易知,P,点合振动,其中,12,、在迈克耳孙干涉仪的,M,2,镜前，当插入薄玻璃片时，可观察到有,N,条干涉条纹向一方移过。若玻璃片折射率为,n,入射光波长为,，试求玻璃片的厚度,d,。若,M,2,镜只是后移了一段距离，测得条纹的移动数亦为,N,，则,M,2,后移的距离,d,为多少？,设干涉仪两臂长度为,l,由光路图可知，,则光程差为,由题意有,M,1,M,2,(2),13.,一束平行光垂直入射到某光栅上，该光束有两种波长的光，,1,=440nm,，,2,=660nm,，,实验发现，两种波长的谱线（不计中央明纹）第二次重合于衍射角,=60,0,的方向上，求此光栅的光栅常数。,两谱线重合时衍射角相同，有,第二次重合时,光栅方程,光栅常数,14,、平行单色光垂直入射在缝宽为,a=0.15,mm,的单缝上，缝后有焦距为,f,=400,mm,凸透镜，在其焦平面上放置观察屏幕，现观察到屏幕上中央明条纹两侧的两个第三暗纹之间的距离为,8,mm,，则入射光的波长,。,单缝衍射的暗纹条件是：,当,k,=3,时,15,、某种单色光垂直入射到一个光栅上，由单色光波长和已知的光栅常数，按光栅公式算得,k,=4,的主极大对应的衍射方向为,90,并知道无缺级现象，实际上可观察到的主极大明纹共有几条？,因为,k,=,4,的主极大在,的方向上，即在无穷远处，在实际上是观察不到的，,因此，实际可观察到的主极大为,k,=0,，,1,2,3,共,7,条,13,、在双缝干涉实验中，用单色自然光在屏上形成干涉条纹，若在两缝后放一偏振片，则,(A),干涉条纹间距不变，但明纹亮度加强,(B),干涉条纹间距不变，但明纹亮度减弱,(C),干涉条纹间距变窄，且明纹亮度减弱,(D),无干涉条纹,自然光通过偏振片后强度为原来的一半，并不改变光程差，从而对双缝干涉实验的干涉条纹间距不会发生改变。,答,(B),16,、用波长为,1,的单色光垂直照射某光栅测得第二级谱线衍射角为,，而用另一未知的单色光照射时，它的第一级谱级衍射角为,求未知单色光波长,2,。,由光栅公式，,由题意有,17,、光强为,I,0,的自然光垂直通过两个偏振片，它们的偏振化方向之间的夹角,60,0,，设偏振片没有吸收，则出射光强,I,与入射光强之比为：,（,A,）,1/4,(B)3/4,(C)1/8,(D)3/8,。,答：选（,C,）,18,、要使一束线偏振光通过偏振片之后振动方向转过,90,0,，,至少需要让这束光通过,块理想偏振片，要此情况下，透射光强最大是原来光强的,倍。,至少要两块,19,、,ABCD,为一块方解石的一个截面，,AB,为垂直于平面的晶体平面与纸面的交线，光轴方向在纸面内且与,AB,成一锐角,，如图所示，一束平行的单色自然光垂直于,AB,端面入射，在方解石内折射光分解为,o,光和,e,光，,o,光和,e,光的,（,A,）传播方向相同，电场强度的振动方向互相垂直。,（,B,）传播方向相同，电场强度的振动方向不互相垂直。,（,C,）传播方向不相同，电场强度的振动方向互相垂直。,（,D,）传播方向不相同，电场强度的振动方向不互相垂直,A,B,C,D,光轴,因为只有沿光轴方向（或垂直光轴方向）入射，出射光方向才相同，而此处入射光与光轴有小于,90,的夹角；又由于入射面与光轴共面，即入射面就是主截面，所以,o,光、,e,光电振动方向垂直。,答案,(C),