光的偏振大学物理.pptx

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,#,Click to edit Master title style,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,#,第九章 光的偏振,主讲：吴振华,物理电子学院太赫兹研究中心,知识要点,自然光和偏振光,反射与折射时光的偏振,光的双折射,起偏和检偏 马吕斯定律,偏振,一、横波的偏振性,振动面,：光矢量,E,与传播方向组成的平面。,光矢量,振动面,v,0,H,E,只有横波才有偏振现象,9-1,光的偏振态,球面波,波面,波线,波前,平面波,波前,波的几何描述,1.,波阵面,（或相面、波面）,某时刻介质内振动相位相同的点组成的面称为波面。,2.,波射线,（或波线,),波的传播方向称之为波射线或波线。,3.,波前,某时刻处在最前面的波阵面。,在各向同性均匀介质中，波线与波阵面垂直,!,波线,波面,波面,波线,平面波,球面波,波面,波线,波线,波面,光的偏振,振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振,光波,电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。,偏振态,:,光矢量在与光传播方向垂直的平面内的,振动状态。,线偏振光 自然光 部分偏振光,椭圆偏振光 圆偏振光,光波是横波，横波具有偏振性,1.,线偏振光,E,播,传,方,向,振,动,面,面对光的传播方向看,线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解,E,E,y,E,x,y,x,线偏振光的表示法：,光振动垂直板面,光振动平行板面,Z,X,Y,Z,X,Y,表示：,或,表示：,平行于板面振动,垂直于板面振动,振动面,-,电矢量所构成的平面称为偏振光的振动面。,X,Y,表示：,在垂直于传播方向的两正交方向上，光矢量的平均值相等。,结论：自然光的横波性被发光,的随机性所破坏或掩盖。,2.,自然光,普通光源发光的特点：,1,）一个原子发出的某个波列的光是平面偏振光；,2,）大量原子所发出的光的振动面是随机的，,且各个方向的几率相同。,没有优势方向,自然光的分解,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。,自然光的表示法：,自然光的光矢量在所有可能的方向上,且振幅,E,相等,.,表示：,3.,部分偏振光,光矢量的平均值在某一方向上强，与之垂直,的另一方向上相对较弱。,平行于板面的光振动强,垂直于板面的光振动弱。,垂直于板面的光振动强,平行于板面的光振动弱。,4.,圆偏振光和椭圆偏振光,右旋圆,偏振光,右旋椭圆,偏振光,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,0,偏振面随时间旋转的光为圆或椭圆偏振光,.,迎着光线看,光矢量顺时针旋转为右旋偏振光,.,9-2,偏振片 马吕斯定律,一,.,偏振片的起偏和检偏,偏振片的构造,:,将硫酸碘金鸡钠霜晶粒定向排列并蒸镀在透明基片上,就制成偏振片。,偏振片的特性,:,能吸收某一方向的光振动而仅让与此方向垂直的光振动通过。,偏振化方向：,允许通过的光振动方向。常用箭头“”表示。,偏振片,自然光,I,o,线偏振光,你可以通过一个实验想象这是一种什么景象：你把一根绳子的一头拴在邻居院子里的树上，另一头拿在你手里。再假定绳子是从篱笆的两根竹子的正当中穿过去的。如果你现在拿绳子上下振动，绳子产生的波就会从两根竹子之间通过，并从你的手传到那棵树上。这时，那座篱笆对你的波来说是,透明的,。但是，要是你让绳子左右波动，绳子就会撞在两根竹子上，波就不会通过篱笆了，这时这座篱笆就相当于一个起偏振器件。,偏振片,透明玻璃片,硫酸金鸡纳硷或电气石,等材料的簿膜,自然光,偏振光,偏振化方向,具有竖直偏振方向,的偏振膜。吸收了,水平方向的光振动,若以光传播方向为轴,慢慢旋转检偏片,观察透过偏振片的光,偏振片既可用作起偏器,又可用作检偏器。,光强无变化的是自然光,;,光强有变化,但最小值不为零的是部分偏振光,;,光强有变化,但最小值为零,(,消光,),的是线偏振光。,B,）检偏振器,偏振光,变暗,自然光,不变暗,I,0,I,0,/2,I,0,/2,I,0,自然光,I,0,/2,I,0,/2,检偏,-,检查某束光是否是偏振光；,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化,两偏振片的偏振化方向相互垂直 光强为零,.,.,.,.,.,检偏器,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,自然光,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化,偏振片的应用,作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必要的,反射光。,制成偏光眼镜，可观看立体电影。,若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与,作为许多光学仪器中的起偏和检偏装置。,可以避免汽车会车时灯光的晃眼,。,地面成,45,角、且向同一方向倾斜的偏振片，,未加偏振片时,拍摄的橱窗,加偏振片时,拍摄的橱窗,I,=(,E,o,cos,),2,=,I,o,cos,2,马吕斯指出,强度为,I,o,的线偏振光,透过检偏片后,透射光的强度,(,不考虑吸收,),为,E,o,I,o,=,E,o,2,E,o,cos,I,=,I,o,cos,2,(9-1),式中,是入射线偏振光的光振动方向和偏振片偏振化方向之间的夹角。上式称为,马吕斯定律,。,证明如下：,2.,马吕斯定律,例题,9-1,自然光连续通过两个叠在一起的偏振片后，透射光强为入射光强的四分之一，求两个偏振片偏振化方向之间的夹角。,解 设两偏振片偏振化方向间的夹角为,，于是,由,解得：,=45(or 135),。,自然光,I,o,例题,9-2,强度为,I,o,自然光连续通过三个叠在一起的偏振片,A,、,B,、,C,，,A,C,，,求最大,透射光强。,解 设偏振片,A,、,B,偏振化方向间的夹角为,，有,透射光强为,可见,最大,透射光强为,A,B,C,自然光,I,o,解,透射光强,:,p,2,p,1,E,A,例题,9-3,由两个偏振片,(,其偏振化方向分别为,p,1,和,p,2,),叠在一起,p,1,与,p,2,的夹角为,。,一束线偏振光垂直入射在偏振片上。已知入射光的光矢量振动方向,E,与,p,2,的夹角为,A,(,锐角,),A,角保持不变,如图。现转动,p,1,，但保持,p,1,与,E,、,p,2,的夹角都不超过,A,(,即,p,1,夹在,E,和,p,2,之间,),。求,等于何值时出射,光强为极值。,因,A,为锐角,且,A,显然,A-2,A,所以,p,2,p,1,E,A,极值条件,:,由,得,显然此时,I,有极大值,:,例题,9-4,一束光是自然光和线偏振光的混合。当它通过一偏振片后，测得最大透射光强是最小透射光强的,5,倍，求入射光中自然光和线偏振光的光强之比。,解 设入射光中自然光的光强为,I,1,，线偏振光的光强为,I,2,，则透射光强,即入射光中自然光和线偏振光的光强之比为,1:2,。,空气,玻璃,反射光,部分,偏振光，,垂直于入射面的振动大于,平行于入射面的振动,.,折射光,部分,偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动,.,9-3,反射和折射时光的偏振 布儒斯特定律,布儒斯特定律,（,1815,年）,反射光为完全偏振光，且振动面垂直入射面，折射光为部分偏振光此时反射光线和折射光线垂直。,当 时，,玻璃,空气,起偏振角,(,布儒斯特角,),(1),当入射角为布儒斯特角时反射光和折射光互相垂直,.,证明：,玻璃,空气,折射定律,布儒斯特定律,两式比较：,布儒斯特角不同于全反射的临界角。,当且仅当 时，反射光才是线偏振光。且,n,1,n,2,或,n,1,n,2,才会发生全反射。,n,1,n,2,r,i,o,1,空气,玻璃,2,例：,一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角为布儒斯特角,问在界面,2,的反射光是什么光,(,作图,),？,对于界面,2,则有：,满足布儒斯特定律,(,接近线偏振光,),i,0,玻璃片堆,注意：,一次起偏垂直入射面的振动仅很小部分被反射，,所以,反射偏振光很弱,要,利用玻璃片堆产生线偏振光,最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光,讨论：,讨论光线的反射和折射,(,起偏角,),例题,填空：,(1),平行光以,60,o,的入射角由空气射向一平板玻璃，,发现反射光是完全偏振光,则折射光的折射角为 。,玻璃的折射率为 。,(2),某透明媒质对空气全反射的临介角为,45,o,则光从空气射向该媒质时的,布儒斯特角,为 。,因,i,o,+r=,90,o,，所以折射角,r,=30,o,。,又,30,o,所以,i,o,=tg,-1,54.7,o,9-4,光在晶体中的双折射,有些透明媒质,如玻璃、水、肥皂液等,不论光沿哪个方向,传播速度都是相同的,媒质只有一个折射率,这样的媒质称为,光学各向同性媒质,。同时还存在另一类媒质,主要是透明晶体物质,如方解石,(,化学成分是,CaCO,3,),、石英、云母、硫磺等,光在其中传播时,沿着不同方向有不同的传播速率,这样的媒质称为,光学各向异性媒质,。光在晶体中的双折射现象就是,光学各向异性的表现,。,一,.,双折射现象,光线进入光学各向异性媒质,(,如方解石,),后产生两条折射光线的现象，称为,双折射现象,。,图,晶体中的双折射现象,方解石,二,.,o,光和,e,光,两条折射光线中有一条遵守通常的折射定律,(n,1,sin,i,=n,2,sin,r,折射光线在入射面内,),这条光线称为寻常光线,(ordinary rays),简称,o,光。,另一条光线不遵守通常的折射定律,它不一定在入射面内,这条光线称为非常光线,(extraordinary rays),简称,e,光。,(1)o,光和,e,光都是线偏振光,振动方向相互垂直。,方解石,o,e,o,e,方解石,图,(2),产生双折射的原因,:o,光和,e,光的传播速度不同。,o,光在,晶体中,各个方向的传播速度相同，因而折射率,n,o,=c/,o,=,恒量。,e,光在,晶体中的,传播速度,e,随方向变化，,因而折射率,n,e,=c/,e,是变量，随方向变化。,由于,o,光和,e,光的,折射率不同，故产生双折射。,光,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,三,.,光在晶体中的传播,双折射,光,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,三,.,光轴 主截面 主平面,实验发现,在晶体内部存在着某些特殊的方向,光沿着这些特殊方向传播时,不发生双折射现象,这个特殊方向称为,光轴,。应该注意,光轴仅标志一定的方向,并不限于某一特殊的直线。,只有一个光轴的晶体,称为单轴晶体,如方解石、石英、红宝石等。有两个光轴的晶体称为双轴晶体,如云母、硫磺、蓝宝石等。,由光轴与该晶面的法线所组成的平面,叫做该晶体的,主截面,。,102,o,方解石,图,19-16,光轴,某光线的传播方向和光轴方向所组成的平面叫做该光线的,主平面,。,当光线在晶体的主截面内入射时,主截面、,o,光和,e,光的主平面均重合。我们主要讨论这种情况。,o,光的光振动方向垂直于自己的主平面,;,e,光的光振动方向平行于自己的主平面。,o,光和,e,光的光振动方向是相互垂直的。,图,9-17,n,o,=1.658,n,e,=1.486,方解石的主截面,o,e,例题,9-7,图示为一渥拉斯顿棱镜的截面，它是由二块锐角均为,45,o,的直角方解石棱镜粘合其斜面而构成的。棱镜,ABC,的光轴平行于,AB,，而棱镜,ADC,的光轴垂直于图截面。方解石对,o,光和,e,光的折射率分别为,n,o,=1.658,n,e,=1.486,。,当自然光垂直,AB,入射时，问：,(1),图中哪一条是,o,光,哪一条是,e,光,?(2),=,？,图,9-18,e,o,o,e,解,(1),如图,9-18,所示。,(2)n,o,sin45,o,=n,e,sinr,e,n,e,sin45,o,=n,o,sinr,o,解得：,r,e,=52,o,r,o,=39,o,于是,=52,o,-39,o,=13,o,45,o,三,.,单轴晶体中光传播的惠更斯作图法,(,e,o,),1.,光轴平行晶体表面，自然光垂直入射,e,o,e,o,光轴,晶体,o,、,e,光在方向上虽没分开，,但速度上是分开的。,2.,光轴平行晶体表面，且垂直入射面，光斜入射,晶体,光轴,i,r,0,r,e,o,o,t,e,t,e,o,e,c,t,3.,光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射,o,e,晶体,光轴,e,方解石,光轴,o,e,o,此时，,e,光的波面,不再与其,波射线,垂直了,主讲：吴振华,谢谢各位同学的聆听！,