上海交通大学大学物理16光学(偏振).ppt

单击此处编辑母版标题样式,第,16,章 光学,16.1,光的传播与偏振,16.2,光的干涉,16.3,光的衍射,十七世纪下半叶,牛顿,：光的微粒说,惠更斯,：光的波动说,十九世纪初,托马斯,杨,：双缝干涉实验、直边衍射现象,菲涅尔,：光的波动理论,十九世纪中叶,麦克斯韦,：光的电磁波理论,十九世纪末二十世纪初,爱因斯坦,：光子假设 光的量子说,简短的历史回顾,几何光学,:,以光的直线传播为基础，研究光在透明介质中的传播问题。,波动光学,:,以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律。,量子光学,:,以光和物质相互作用时所显示出的粒子性为基础，来研究光的一系列规律。,现代光学,:,反映了光学进一步与各个科技领域的紧密结合。,16.1,原子发光模型,一、光源和光谱,:,光源：,发光的物体,类型：,普通光源,(,自发辐射,),激光光源,(,受激辐射,),热（辐射）光源,白炽灯、弧光灯、太阳,非热辐射光源（冷光源）,气体放电管、日光灯、萤火虫,普通光源发光的两个特点：,随机性：,不同原子的发光是随机的，同一原子先后每次的发光也是随机的,所发出的各波列在振动方向,频率,振幅和振动初位相都各不相同。,间歇性：,各原子发光是断断续续的,平均发光时间,t,约为,10,-8,秒,所发出的是一段一段长为,L,=,c,t,的光波列。,普通,光源发光,:,大量原子持续、随机地发射的光波列,：频谱宽度,或,理论可证明：,波矢,0,o,I,I,0,I,0,/,2,有限长的单色波列,单色波,:,或,16.2,光的偏振现象,一、（完全）偏振光,1,、线偏振态（平面偏振态）,光矢量在传播中始终保持在一个固定平面上振动。,垂直,平行,2,、圆偏振态,光矢量绕着光的传播方向旋转，光矢量的端点轨迹是一个圆,右旋圆偏振光与左旋圆偏振光,:,右旋圆偏振光,迎着光线看，矢量顺时针转的称右旋圆偏振光,光矢量逆时针转的称左旋圆偏振光,y,y,/2,某一时刻,E,的波形图如下，判断是左旋还是 旋圆偏振光,右旋,y,z,0,左旋,x,y,圆,偏振态,可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、周相差为,/2,线偏振光。,圆偏振光波不仅携带能量和动量，还有角动量,3,、椭圆偏振态,光矢量绕着光的传播方向旋转，光矢量的端点轨迹是一个椭圆。,也有右旋椭圆偏振光与左旋椭圆偏振光,右旋椭圆,偏振光,椭圆偏振态可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、周相差恒定的 线偏振光的叠加。,二个相互垂直、同频率、相位差确定的线偏振光的叠加,当 时为椭圆偏振光,当 ，且振幅相等时为圆偏振光,椭圆（圆）偏振光,光源上一个原子一次发出的是一个,线偏振光,波列，持续时间约,10,-8,秒。,各原子是,独立地,、,随机地,发光的。光矢量的大小、方向、初位相等等也是随机的。,在我们观察的时间,t,内,在哪个方向都不占优势了，它们对其传播方向形成,轴对称分布,。,二、自然光（非偏振光）,这种大量振幅相同、有各种振动方向、彼此没有固定相位关系的光矢量的组合叫,非偏振光,或,自然光,没有优势方向,自然光的光强,自然光用图表示为,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。,自然光的分解,三、部分偏振光,光强的分布不是轴对称,光矢量的振动方向不具有轴对称分布，而是在某一方向占优势,称,部分偏振光,，它介于自然光与线偏振光之间。,部分偏振光的分解,部分偏振光,部分偏振光的图示,四、偏振片,偏振片是以利用晶体的各向异性（对某一方向的光振动有强烈吸收：,消光方向，另一方向可以通光：称为偏振化方向,）起偏,.,类似机械波通过狭缝,通光方向,线偏振光通过偏振片,P,前后的光强关系：,五、,Malus,定 律,I,0,I,P,式中,是线偏振光的光振动方向与检偏器透振方向间的夹角,P,E,0,E=E,0,cos,消光,改变,，,I,随之改变,线偏振光,偏振片,屏,一束光强为,I,0,的线偏振光，透过检偏器以后，透射光的光强为,I=I,0,cos,2,称为,马吕斯定律,。,若光源为自然光,自然光,偏振片,屏,自然光入射，出射光强为,证明：,六、检偏,用偏振器件分析、检验光束的偏振状态称,“,检偏,”,。偏振片既可,“,起偏,”,设入射光是自然光、线偏振光、或部分偏振光，如何用偏振片来区分它们？,又可,“,检偏,”,例：如图，在两偏振化方向垂直的,P,1,与,P,2,之间放置另一偏振片,P,3,，,求,I,2,=?,，,但，对部分偏振光通过偏振片,立体电影,在拍摄玻璃窗内的物体时，去掉反射光的干扰,未装偏振片,装偏振片,The photograph is Anaglyph image.You can see in 3D with Red-Blue glasses,16.3,反射和折射时光的偏振,实验表明,:,反射光中垂直入射面的分量比例大；折射光中平行入射面的分量比例大。,入射角,i,变,反射、折射光的偏振度也变,自然光反射和折射,后产生部分偏振光,一、布儒斯特角,当,i,=,i,b,时,反射光中只有垂直入射面的分量，并且有,线偏振光,起偏振角,i,b,起偏角，或称,布儒斯特角,由折射定律有,布儒斯特定律,例,:,若,n,1,=,1.00(,空气,),，,n,2,=,1.50(,玻璃,),。,互余,空气,玻璃,玻璃,空气,=,=,=,=,-,-,42,33,50,.,1,00,.,1,18,56,00,.,1,50,.,1,1,b,1,b,tan,i,tan,i,二、布儒斯特定律,线偏振光,起偏振角,要提高反射线偏振光的强度，,可利用玻璃片堆的多次反射。,空气,玻璃,b,=,42,33,i,玻璃,空气,b,=,18,56,i,(,反射光是完全线偏振光,强度几乎,50%),i,b,i,b,i,b,i,b,i,b,i,b,三、玻璃片堆,a stack of glass plates,演示：玻璃片堆,应用：,外腔式激光管加装布儒斯特窗,可得到偏振性极好的激光，同时还可减少反射损失。,假如封闭管子两端的玻璃窗口是垂直于管轴线的玻璃片，那么自然光每经过一个窗口表面就有大约,4%,的反射损失。光在,M,1,M,2,之间来回反射时，每个单程要,4,次穿过窗口表面。这样反射损耗太大就不能形成激光。,i,0,i,0,激光输出,布儒斯特窗,M,1,M,2,i,0,i,0,思考,i,0,.,.,.,.,.,.,.,.,.,i,i,0,i,0,.,.,.,.,.,.,i,.,.,.,