24光的偏振解析.pptx

1光光 的的 偏偏 振振第第 24 章章2 干涉、衍射干涉、衍射 光的波动性光的波动性光的偏振光的偏振 光波是横波光波是横波对传播方对传播方向不对称向不对称对传播方对传播方向对称向对称横波横波纵波纵波光矢量光矢量3形象说明偏振形象说明偏振的原理的原理通光方向通光方向腰横别扁担进不了城门腰横别扁担进不了城门纵波纵波 声波是否也有偏振现象？声波是否也有偏振现象？4本章主要内容本章主要内容24.1 光的偏振状态光的偏振状态24.2 线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验24.3 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振24.4 双折射现象双折射现象5教学基本要求教学基本要求一一 理解理解自然光和偏振光。自然光和偏振光。二二 理解理解马吕斯定律和布儒斯特定律。马吕斯定律和布儒斯特定律。三三 了解了解双折射现象。双折射现象。624.1 光的偏振状态光的偏振状态一、非偏振光一、非偏振光二、二、完全偏振光完全偏振光三、三、部分偏振光部分偏振光7一、非偏振光一、非偏振光非偏振光非偏振光：在垂直于光传播方向的平面内，包含有：在垂直于光传播方向的平面内，包含有各各个方向个方向的的光矢量光矢量，在所有可能的方向上的，在所有可能的方向上的振幅都相等振幅都相等。普通光源发出的光为自然光。普通光源发出的光为自然光。初相初相互不相关互不相关振动方向振动方向互不相关且随机分布互不相关且随机分布原因原因：参与发光的大量的原子参与发光的大量的原子或分子各次发出的光的波列或分子各次发出的光的波列（自然光自然光）8 自然光的光矢量可以用两个自然光的光矢量可以用两个相互独立相互独立、振幅相等振幅相等、振动方向相互垂直振动方向相互垂直的分振动来表示。的分振动来表示。符号表示符号表示注注 意意 各光矢量间无固定的相位关系。各光矢量间无固定的相位关系。二二互相互相垂直方向是任选的垂直方向是任选的。两光矢量振幅相等，各具有一半的振动能量。两光矢量振幅相等，各具有一半的振动能量。9二、二、完全偏振光完全偏振光：在垂直于光传播方向的平面内，：在垂直于光传播方向的平面内，光矢量光矢量 只沿只沿一个固定的方向一个固定的方向振动。振动。振动面振动面线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：EEyEx yx 线偏振光表示法：线偏振光表示法：光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面1 线偏振光线偏振光面对光的传播方向看面对光的传播方向看光矢量光矢量102 椭圆偏振光椭圆偏振光(圆偏振光圆偏振光)光矢量大小改变光矢量大小改变右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光右旋圆右旋圆偏振光偏振光观测观测 0 y yx z传播方向传播方向 /2x某时刻右旋圆偏振光某时刻右旋圆偏振光 E 随随 z 的变化的变化E观测观测 光矢量大小保持不变光矢量大小保持不变 线、圆和椭圆偏振光线、圆和椭圆偏振光 完全偏振光完全偏振光11l 圆圆和和椭圆偏振光椭圆偏振光可看成是两束频率相同、传播方可看成是两束频率相同、传播方向一致、振动方向相互垂直、相位差恒定的向一致、振动方向相互垂直、相位差恒定的线偏振光线偏振光的合成。的合成。x相位超前相位超前y相位相位 /2x yx，y振幅相同振幅相同x yx相位落后相位落后y相位相位 /212三、三、部分偏振光部分偏振光表示法：表示法：部部分分偏偏振振光光含含有有自自然然光光和和完完全全偏偏振振光光两两种种成成分分，可可看看成是自然光和线偏振光的混合。成是自然光和线偏振光的混合。分解分解不相干不相干平平行行板板面面的的光振动较强光振动较强 垂垂直直板板面面的的光振动较强光振动较强天空中的散射光和水面的反射光均为天空中的散射光和水面的反射光均为部分偏振光。部分偏振光。部分偏振光部分偏振光可分解为两束可分解为两束振动方向相互垂直的振动方向相互垂直的、不等不等幅的幅的、不相干不相干的的线偏振光线偏振光。1324.2 线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验一、起偏与检偏一、起偏与检偏二、马吕斯定律二、马吕斯定律三、偏振片的应用三、偏振片的应用14 偏振片偏振片：只让一个方向的光振动通过的光学元件。：只让一个方向的光振动通过的光学元件。检偏器检偏器起偏器起偏器最亮最亮最暗最暗自然光自然光偏振光偏振光一、起偏与检偏一、起偏与检偏光振动通过的方向叫偏振片的光振动通过的方向叫偏振片的偏振化方向偏振化方向。15偏振光偏振光通过旋转通过旋转的检偏器，光强的检偏器，光强发生变化；发生变化；自然光自然光通过旋转通过旋转的检偏器，光强的检偏器，光强不变。不变。注注 意意16消光消光不变不变入射光入射光入射光入射光入射光入射光线偏振线偏振自然光自然光部分偏振部分偏振光强变化光强变化入射光入射光出射光出射光观察出射光强的观察出射光强的变化变化三类入射光三类入射光17二、马吕斯定律二、马吕斯定律 设设P1、P2分别表示起偏器和检偏器的偏振化方向，分别表示起偏器和检偏器的偏振化方向，为它们之间的夹角为它们之间的夹角P1P2A0 设投到检偏器和透过检偏设投到检偏器和透过检偏器的光强分别为器的光强分别为I0和和I，则，则马吕斯定律马吕斯定律 一束自然光通过一块偏振片时，其光强变为原一束自然光通过一块偏振片时，其光强变为原来的来的一半一半。注注 意意18 在两块正交偏振片在两块正交偏振片P1、P3 之间插入另一块偏之间插入另一块偏振片振片 P2，光强为，光强为I0 的自然光垂直入射于偏振片的自然光垂直入射于偏振片P1，讨，讨论转动论转动 P2透过透过 P3的光强的光强 I3 与转角的关系。与转角的关系。讨论讨论19若若 在在02 间变化，间变化，I3 如何变化如何变化？20思考题思考题 两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射其两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射其上时没有光线通过，当其中一偏振片缓慢转过上时没有光线通过，当其中一偏振片缓慢转过1800时时透射光强度发生的变化是（透射光强度发生的变化是（）。）。（A）光强单调增加）光强单调增加（B）光强先增加，然后减少至零）光强先增加，然后减少至零（C）光强先增加，后减小，再增加）光强先增加，后减小，再增加（D）光强先增加，然后减小，再增加，再减小至零）光强先增加，然后减小，再增加，再减小至零B21例例24.1 一束光是线偏振光与自然光的混合，合光强为一束光是线偏振光与自然光的混合，合光强为 I0，当它通过一块偏振片时，发现透射光强随偏振片，当它通过一块偏振片时，发现透射光强随偏振片的取向可变化的取向可变化 5倍，不计吸收，求入射光束中这两倍，不计吸收，求入射光束中这两 个个成分所占的比例。成分所占的比例。解：解：设该光束中线偏振光的强度为设该光束中线偏振光的强度为I01，自然光的强度，自然光的强度为为I02，则，则由马吕斯定律，该光束通过偏振片后光强为：由马吕斯定律，该光束通过偏振片后光强为：且且 Imax=5Imin22三、偏振片的应用三、偏振片的应用偏振片的应用很多，例如：偏振片的应用很多，例如：l 作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必要的作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必要的 反射光。反射光。l 制成偏光眼镜，可观看立体电影。制成偏光眼镜，可观看立体电影。l 作为许多光学仪器中的起偏和检偏装置。作为许多光学仪器中的起偏和检偏装置。23（C C）用偏光镜用偏光镜几乎消几乎消除除了反射偏振光了反射偏振光 使玻璃门内的人使玻璃门内的人物清晰可见物清晰可见（A A）玻璃门玻璃门表面的表面的反光很强反光很强（B B）用偏光镜用偏光镜减弱减弱了反射偏振光了反射偏振光2424.3 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振自然光自然光反射光反射光折射光折射光垂直振动能量大于平行振动能量垂直振动能量大于平行振动能量平行振动能量大于垂直振动能量平行振动能量大于垂直振动能量iMN 理论和实践都证明：反理论和实践都证明：反射光和折射光的偏振化程射光和折射光的偏振化程度与入射角度与入射角i有关。有关。反射光是线偏振光，且光振动垂直于入射面，而反射光是线偏振光，且光振动垂直于入射面，而折折射光仍为部分偏振光。射光仍为部分偏振光。当入射角等于某一特定当入射角等于某一特定值值ib，ib满足满足：部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光自然光自然光25 ib 叫叫布儒斯特角布儒斯特角，或称，或称为为起偏振角起偏振角。这时折射光。这时折射光的偏振化程度最大。的偏振化程度最大。ibMN 可以证明：当入射角等于可以证明：当入射角等于起偏振角起偏振角时，反射光线和时，反射光线和折射光线垂直。折射光线垂直。证明：证明：比较上两式得：比较上两式得：即反射光线和折射光线垂直。即反射光线和折射光线垂直。r26说明：说明：1、当入射角等于起偏振角时，反射光是、当入射角等于起偏振角时，反射光是线偏振光线偏振光，光振动垂直于入射面，光振动垂直于入射面，但光强很弱但光强很弱，垂直振动的能量约，垂直振动的能量约有有15被反射被反射；折射光是部分偏振光，光强很大，；折射光是部分偏振光，光强很大，85的垂直振动能量的垂直振动能量及全部平行振动能量都被折射。（自然及全部平行振动能量都被折射。（自然光从空气射向玻璃，光从空气射向玻璃，）2、为了增强反射光的强度及折射光的偏振化程度，、为了增强反射光的强度及折射光的偏振化程度，可用多层玻璃进行折射和反射。可用多层玻璃进行折射和反射。ib自然光自然光线偏振光线偏振光 部分偏振光部分偏振光 (接近于线偏振光接近于线偏振光)27讨论讨论讨论下列光线的反射和折射（讨论下列光线的反射和折射（起偏振角起偏振角ib）28例例24.2 一束光以起偏振角一束光以起偏振角ib入射到平面玻璃的上表面，入射到平面玻璃的上表面，试证明玻璃下表面的反射光亦为线偏振光。试证明玻璃下表面的反射光亦为线偏振光。证明证明：ibib可见可见r正是玻璃下表面的起正是玻璃下表面的起偏振角，所以下表面的发偏振角，所以下表面的发射光也是线偏振光。射光也是线偏振光。rn1n2界面界面2的反射光是线的反射光是线偏振光且光矢量振动方向垂直于入射面偏振光且光矢量振动方向垂直于入射面29例例24.3 一束自然光以某一角射到平面玻璃板上，反射一束自然光以某一角射到平面玻璃板上，反射光恰为线偏振光，且折射光的折射角为光恰为线偏振光，且折射光的折射角为320，求：，求：(1)自然光的入射角；自然光的入射角；(2)玻璃的折射率；玻璃的折射率；(3)经过玻璃片后透射光的偏振状态。经过玻璃片后透射光的偏振状态。解：解：(1)反射光为线偏振光时，反射光与折射光垂直反射光为线偏振光时，反射光与折射光垂直ibib 透射光为部分透射光为部分偏振光。偏振光。3024.4 双折射双折射一、双折射的概念一、双折射的概念二、晶体的光学性质二、晶体的光学性质三、单轴晶体中光传播的惠更斯作图法三、单轴晶体中光传播的惠更斯作图法四、四、格兰格兰 汤姆逊偏振棱镜汤姆逊偏振棱镜.31i一、双折射的概念一、双折射的概念1、双折射：、双折射：n1n2rore(各向异各向异性介质性介质)自然光自然光o光光e光光2、寻常（、寻常（o）光和非寻常（）光和非寻常（e）光）光o光光：遵从折射定律遵从折射定律e光光：一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律e光折射线也光折射线也不一定不一定在入射面内。在入射面内。各向异性介质分界面时，各向异性介质分界面时，一束光入射到一束光入射到折射光分成两束的现象。折射光分成两束的现象。32双折射会映射出双像双折射会映射出双像33 方解石方解石oee o 以入射方向为以入射方向为轴旋转方解石轴旋转方解石方解石方解石偏偏振振片片双折射的两双折射的两束光振动方束光振动方向相互垂直向相互垂直方解石的双折射方解石的双折射34当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，e光的像围绕光的像围绕 o 光的像旋转。光的像旋转。o 光的像不动，光的像不动，光光光光双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体 o光的像光的像e光的像光的像35光光光光双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体继续旋转方解石晶体：继续旋转方解石晶体：36光光光光双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体继续旋转方解石晶体：继续旋转方解石晶体：37光光光光双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体继续旋转方解石晶体：继续旋转方解石晶体：38光光光光双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体继续旋转方解石晶体：继续旋转方解石晶体：391、晶体的光轴、晶体的光轴 当当光光在在晶晶体体内内沿沿某某个个特特殊殊方方向向传传播播时时，不不发发生生双双折射折射，该，该方向方向称为晶体的称为晶体的光轴光轴。例例如如，天天然然方方解解石石（冰冰洲洲石石）晶晶体体的的光光轴轴：由由钝钝顶角顶角引出的与三个棱边成等角的方向引出的与三个棱边成等角的方向就是就是光轴。光轴。光轴是一个特殊的光轴是一个特殊的方向，方向，单轴晶体：单轴晶体：只有一个光轴的晶体，只有一个光轴的晶体，如方解石。如方解石。双轴晶体：双轴晶体：有两个光轴的晶体，有两个光轴的晶体，如云母。如云母。均为光轴均为光轴(即并不限于一条特殊的直线即并不限于一条特殊的直线)。凡平行于此方向的直线凡平行于此方向的直线二、晶体的光学性质二、晶体的光学性质分类分类：40方解石的光轴方解石的光轴412、主平面、主平面晶体中光的晶体中光的传播方向传播方向与与晶体光轴晶体光轴构成的平面构成的平面o光光光轴光轴o光的光的主平面主平面e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面叫该光线的叫该光线的主平面主平面。o光光的振动方向的振动方向垂直垂直于光的于光的主平面。主平面。e光光的振动方向则在于光的的振动方向则在于光的主平面内主平面内。42o光：光：no，ne 称为称为晶体的晶体的主折射率主折射率 正晶体：正晶体：ne no负晶体：负晶体：ne novo tve t光轴光轴 点波源点波源点波源点波源vo tve t光轴光轴 e光：光：(ve vo)如：石英如：石英如：方解石如：方解石vo t光轴光轴光轴光轴ve tvo t3、晶体的主折射率，正晶体、负晶体、晶体的主折射率，正晶体、负晶体43 ee三、单轴晶体中光传播的惠更斯作图法三、单轴晶体中光传播的惠更斯作图法 1、光轴平行晶体表面，自然光垂直入射、光轴平行晶体表面，自然光垂直入射光轴光轴晶晶体体 o、e方向上虽没分开，方向上虽没分开，以以负晶体负晶体(ve vo)为例：为例：oo但速度上是分开的，但速度上是分开的，这仍是双折射。这仍是双折射。以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法，以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法，是研究光在晶体中传播的重要方法。是研究光在晶体中传播的重要方法。44o e2、光轴平行晶体表面，且垂直入射面、光轴平行晶体表面，且垂直入射面晶体晶体 光轴光轴reivotveto ect自然光斜入射自然光斜入射在这种特殊的情况下，对在这种特殊的情况下，对e 光也可以用折射定律。光也可以用折射定律。ro453、光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射、光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射 e方解石方解石光光轴轴oooee晶体晶体光光轴轴46玻璃玻璃n=1.655 胶合剂胶合剂n=1.655方解石方解石no=1.6584，ne=1.4864格兰格兰 汤姆逊偏振棱镜汤姆逊偏振棱镜.四、四、光轴光轴 对在水平线上下不超过对在水平线上下不超过 的入射光均适用。的入射光均适用。可从自然光获得偏振程度很高的线偏振光。可从自然光获得偏振程度很高的线偏振光。47温温 馨馨 提提 示示同步习题一定要做！而且最好全做！同步习题一定要做！而且最好全做！对选择和填空题一定要理解，而不是去死记对选择和填空题一定要理解，而不是去死记硬背！硬背！计算题一定要理解！计算题一定要理解！习题不要往后拖，学完一部分完成一部分！习题不要往后拖，学完一部分完成一部分！祝大家学习愉快，万事如意！祝大家学习愉快，万事如意！48完成作业：完成作业：4.5-16，4.5-184.5-19谢谢 谢谢 大大 家家人一能之，己百之；人十能之，己千之！人一能之，己百之；人十能之，己千之！