大学物理光的偏振汇总市公开课一等奖市赛课获奖课件.ppt

光的偏振,2,屎克郎借助月光辨别方向,数年来，科学家们一直想搞明白为何某些动物具有天生的方向感。瑞典的科学家日前宣布，他们的研究表明，蜣螂是靠月亮辨识方向的。这是人类在动物定位系统研究领域的一种重大发现。,蜣螂俗称“屎壳螂”，重要靠动物粪便为生。一旦发现动物粪便，蜣螂便设法将其运回自己的洞穴储备“享用”，因而有“自然界清道夫”的称号。令人惊奇的是，蜣螂常常能在有月光的夜里沿着直线直接抵达目的地。由瑞典隆德大学专家达克领导的科研小组在近来一期英国自然杂志上公布了他们的研究成果：蜣螂的视网膜对月光的偏振极为敏感，可以依托月光偏振进行较为精确的定位，从而可以在外出“觅食”时不会迷路。,3,月光和太阳光同样，会因大气层中飘浮的微粒的作用而散射，并形成有一定角度的偏振光。借助对偏振光角度的测算，可以判断有关物体的位置。月光的强度仅有太阳光的百万分之一，大多数动物无法感知，但蜣螂却能借此进行“定位”。,科学家指出，通过对野生蜣螂的跟踪观测发现，凡在有月光的夜晚，蜣螂爬向“粪源”的路线就是直线，而在无月光的夜晚，蜣螂就找不到北了。科学家又将偏振干扰器置于蜣螂的必经之路上，干扰器可以使月光偏转90度角，成果蜣螂爬行的方向也偏离了90度。,达克表达，发现蜣螂运用月光偏振现象定位仅是他们研究成果的一小步，但却对整个动物界的定位研究有极大协助，由于类似现象也极有也许发生在别的某些动物身上,4,未装偏振片,装偏振片,在拍摄玻璃窗内的物体时，镜头前加偏振片，使偏振片的,透光方向与反射光的偏振方向垂直，去掉反射光的干扰,5,播,传,方,向,振,动,面,面,向,播,动,振,方,传,电场,强度,E,称为光振动,(,或光矢量,),。,光是横波，它具有互相垂直的电场强度矢量和磁场强度矢量。,我们在研究光时只研究电场强度而不提及磁场强度。,光的偏振性,6,振动面,u,光振动方向与传播方向决定的平面称为振动面.,7,对于横波来说，振动方向与传播方向垂直，假如通过波的传播方向做诸多平面，有的平面包括此振动方向，有的平面就不包括此振动方向。即振动分布对光传播方向是不对称的。此即横波具有偏振性的问题。,播,传,方,向,振,动,面,8,对纵波而言，由于振动方向和波的传播方向一致，假如过波的传播方向做诸多平面，振动方向总包括在此平面内。因此没有振动的取向问题，即纵波没有偏振性的问题。,要区别横波还是纵波，重要就是讨论这种波动与否具有偏振性。,机械横波与纵波的区别,机械波穿过狭缝,腰横别扁担,进不了城门,光的偏振性,1,、横波和纵波的区别,偏振,纵波：振动方向与传播方向一致，不存在偏振问题；,横波：,振动方向与传播方向,垂直，存在偏振问题。,定义：振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振性。,阐明：只有横波才具有偏振现象，偏振现象是横波区别于纵波的最明显的特性。,2,、光的偏振性：,对于平面电磁波，电场强度矢量,光矢量的振动方向于传播方向垂直。,光矢量的振动方向总是与光的传播方向垂直的，即光矢量的横向振动状态，相对于传播方向不具有对称性，这种光矢量的振动相对于传播方向的不对称性，称为光的偏振性。,光的偏振性阐明光波是横波,光的,波动性,光的干涉、衍射,.,光波是,横波,光的偏振,.,11,对一般光源由于原子发光的间歇性和随机性，使得光矢量的振动方向分布在一切也许的方位。并且在垂直于光的传播方向的平面内的任一方向上，光矢量的振幅都相等，没有哪个方向更占优势。因此一般光源发出的光是在所有振动方向上振幅都相等的光，称为自然光。,11.7.1,自然光 偏振光,自然光：一般光源发出的光，包括各个方向的光矢量在所有也许的方向上的振幅都相等.,符号表示,注意,二,互相,垂直方向是任选的,；,各光矢量间无固定的相位关系,一束自然光可分解为两束振动方向互相垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。,没有优势方向,自然光的分解,自然光的表达法：,11.7,光的偏振现象,13,振动面,偏振光,（线偏振光、,平面偏振光,）,符号表示,光振动只沿某一固定方向的光,.,线偏振光可沿两个互相垂直的方向分解：,E,E,y,E,x,y,x,线偏振光表达法：,光振动垂直板面,光振动平行板面,Ex,Ey的大小依赖于x,y方向的选用。,14,表达法：,自然光和完全偏振光的混合，就构成了,部分,偏振光。,部分偏振光可当作是自然光和线偏振光的混合,分解,不相干,平行板面的光振动较强,垂直板面的光振动较强,天空中的散射光和水面的反射光,就是这种部分偏振光,它可以分解如下：,部分偏振光,某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势,符号表示,15,椭圆偏振光和圆偏振光：,光矢量末端的运动轨迹是椭圆或圆。,圆偏振光,线偏光,椭,圆,偏,振,光,在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为,左旋偏振光,；沿顺时针方向旋转的称为,右旋偏振光,。,16,第一 怎样鉴别光源的偏振态,偏振光的检查,基本途径,起偏的原理:运用某种形式的不对称性，如,（1）物质的二向色性,（2）散射,（3）反射和折射,（4）双折射.,第二 怎样从一般光源中获得偏振光,从实用的角度 必须处理两大问题,17,在光学中，某些物质能有选择的吸取某一种方向的光振动，而只容许某个特定方向的光振动通过，物质的这种性质称为二向色性。自然光通过这种介质，就能去掉自然光中某一方向的光振动而形成偏振光。,二向色性的有机晶体，如硫酸碘奎宁、电气石或聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后，在高温下拉伸、烘干，然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片。它有一种特定的方向，只让平行于该方向的振动通过。,偏振片有一种特定的方向，只让平行与该方向的振动通过。我们把容许特定光振动通过的方向称为偏振化方向。,起偏原理,18,起偏,起偏的原理：运用某种光学的不对称性,偏振片,（,Polaroid,）,P,（,获得线偏振光）,分子型：,线栅起偏器,入射,电磁波,起偏器,（,polarizer,）：,起偏,的光学器件,微晶型：,非偏振光,线偏振光,光轴,电气石晶片,：,从自然光获得偏振光,（常用）,19,x,y,z,z,线栅起偏器,入射,电磁波,1928,年一位,19,岁的美国大学生（,E.H.Land,）,发明的。,20,11.7.2,偏振片 起偏与检偏,二向色性:某些物质能吸取某一方向的光振动,而只让与这个方向垂直的光振动通过,这种性质称二向色性.,偏振片,：涂有二向色性材料的透明薄片,.,起 偏,偏振化方向,：当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向,.,偏振化方向,起偏器,检偏：用偏振器件检查光的偏振态,若,I,不变，是什么光？,若,I,变，有消光，是什么光？,若,I,变，无消光，是什么光？,然光混合而成的,部分偏振光,设入射光也许是自然光,或由线偏振光与自,或,线偏振光,入射光,出射光,观测出射光强的变化,该偏振片称,检偏器,偏振片,22,检偏器,检 偏,起偏器,入射光,出射光,观察出射光强的变化,消光,不变,入射光,入射光,入射光,线偏振,自然光,部分偏振,光强变化,24,当,P,1,/,P,2,时，,透射光最强。,当,P,1,P,2,时，,透射光为,0,。,总结,2.,对线偏振光，,偏振片,P2,旋转一周时，光强度经历两次最明、两次最暗的变化，且有消光现象，而部分偏振光没有消光现象。,3.,对自然光，,偏振片,P2,旋转一周时，光强度并不发生变化。,自然光通过偏振片后所获得的线偏振光的光强是自然光光强的二分之一。,1.,马吕斯,(Etienne Louis Malus 1775-1812),法国物理学家及军事工程师。出生于巴黎。,18发现反射光的偏振，确定了偏振光强度变化的规律；,18被选为巴黎科学院院士，曾获得过伦敦皇家学会奖章。,18，他发现折射光的偏振。,11.7.3,马吕斯定律,（,Malus law,）,（,1808,年）,26,N,M,检偏器,起偏器,N,M,马吕斯定律,其中,为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方向之间的夹角。,27,马吕斯定律是描述偏振光穿过偏振片后光强的变化状况。,两偏振片偏振化方向夹角为,。,将通过,P,1,的光矢量振幅,A,1,，,分解为平行于,P,2,的分量,A,2,和垂直于,P,2,的分量,A,。,垂直分量,A,不能通过,P,2,，平行分量,A,2,可通过,P,2,。,由于光强与光振幅平方成正比，,推导,28,马吕斯定律（,1809,）,式中：为入射的偏振光的强度；为透射的偏振光的强度。,P,I,0,I,讨论,当检偏器以入射光为轴转动时，透射光强度将有变化。,起偏器与检偏器偏振化方向平行时：=0 或=，I=I0，透射光强度最大；,起偏器与检偏器偏振化方向垂直时：=/2 或=3/2，I=0，透射光强度最小；,为其他角度时，透射光的强度介于0I0之间。,马吕斯定律是对偏振光的无吸取而言的，对于自然光并不成立。若是自然光I0，通过偏振片后，II0/2，偏振片在这里实际上起着起偏器的作用。,当两个偏振片互相垂直时，光振动沿第一种偏振片偏振化方向的线偏振光被第二个偏振片完全吸取，出现所谓的消光现象。,30,例 有两个偏振片,一种用作起偏器,一种用作检偏器当它们偏振化方向间的夹角为 时,一束单色自然光穿过它们,出射光强为 ；当它们偏振化方向间的夹角为 时，另一束单色自然光穿过它们,出射光强为 ,且 .求两束单色自然光的强度之比.,31,解,设两束单色自然光的强度分别为,I,10,和,I,20,.,经过起偏器后光强分别为 和,通过检偏器后,思索,光强为I0 的一束自然光,依次通过三个偏振片P1、P2、P3 已知P1 和 P3 的偏振化方向互相垂直 且偏振片无吸取 设P1 和P2 的偏振化方向的夹角为 若以入射光为轴旋转P2 则通过这三个偏振片后的光强是_ 当为_时 I有最大值_,P,1,P,2,P,3,自然光,33,偏振片的应用,偏振片的应用诸多，例如：,作为摄影机的滤光镜，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。,可以防止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，,34,35,一、现象,二、布儒斯特定律,三、玻片堆可获得两束线偏振光,11.7.4,反射光和折射光的偏振,36,现象,自然光入射在两各向同性介质表面,观测反射光 折射光线的偏振状态,37,入射面,入射光线和法线所成的平面,.,反射光 部分偏振光，垂直于入射面的振动不小于平行于入射面的振动.,光反射与折射时的偏振,空气,玻璃,折射光 部分偏振光，平行于入射面的振动不小于垂直于入射面的振动.,理论和试验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关.,38,布儒斯特定律,（18）,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,当 时，,玻璃,空气39,(,1,),反射光和折射光互相垂直,.,讨论,玻璃,空气,40,(,2,),根据光的,可逆性,，当入射光以 角从 介质入射于界面时，此 角即为布儒斯特角,.,玻璃,玻璃,41,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？,1,空气,玻璃,2,42,玻片堆可获得两束线偏振光,1,空气,玻璃,2,43,平行玻璃板上表面反射光是偏振光,.,？,注意：上表面的折射角等于下表面的入射角,下表面的反射光与否也是偏振光？,44,布儒斯特角,应当注意的是，虽然入射角是布儒斯特角，折射光包括入射光中的所有平行振动分量和大部分垂直振动分量，因此仍是部分偏振光，且其重要振动方向在折射面内。,此时，反射光虽然是完全偏振光，但其强度仅占入射自然光强度的7.5，或者说占入射自然光中垂直入射面的光振动强度的15，比较微弱。,45,一般玻璃的反射率只有7.5%左右，要反射获得较强的偏振光，你有什么好主意？,46,注意：一次起偏垂直入射面的振动仅很小部分被反射（约15%）因此反射偏振光很弱.一般应用玻璃片堆产生偏振光.,1,空气,玻璃,2,END,47,理论试验表明：反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的7.5%，而约占85%的垂直分量和所有平行分量都折射到玻璃中。,1.5,1.5,1.5,1.0,1.0,1.0,1.0,反射光能量较弱，透射光较强。为了获得一束强度较高的偏振光，可以使自然光通过一系列玻璃片重叠在一起的玻璃堆，并使入射角为起偏角，则透射光近似地为线偏振光。,48,【思索】怎样测量不透明介质的折射率？,例：外腔式激光管加布儒斯特窗减少反射损失,则：,若,n,1,=1.00,（空气），,n,2,=1.50,（玻璃），,i,0,i,0,i,0,激光输出,布儒斯特窗,M,1,M,2,i,0,垂直分量损耗大，不能形成激光，但平行分量能形成激光。,49,玻璃片堆起偏和检偏,1,、起偏：,当 时反射光是线偏振的，可用来起偏。,但单次反射的反射光强太低（只占,15,），而且方向发生变化，使用不方便。因此更多利用 时的折射光起偏，并采用玻璃片堆增大透射光的偏振度。,i,0,接近是线偏振光,玻璃片堆,线偏振光,50,若反射光光强不变,入射光是自然光；,若反射光光强变且有消光,入射光是线偏振光；,若反射光光强变且无消光,入射光是部分偏振光。,让待检查的光以布儒斯特角i0入射到界面上，,保持,i,=,i,0,不变，以入射线为轴旋转界面：,2,、检偏,（不包括圆和椭圆偏振光）,51,讨论,讨论光线的反射和折射,(,起偏角,),52,例题：,已知某材料在空气中的布儒斯特角,i,p,=58,0,，求它的折射率？若将它放在水中（水的折射率为,1.33,），求布儒斯特角？该材料对水的相对折射率是多少？,解：,设该材料的折射率为,n,，空气的折射率为,1,放在水中，则对应有,所以：,该材料对水的相对折射率为,1.2,。,53,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 地面成45角、且向同一方向倾斜的偏振片，可以防止汽车会车时灯光的晃眼。,测量不透明介质的折射率,应用,：,54,例：偏光镜头 橱窗设计 立体电影,55,在拍摄玻璃窗内的物体时，镜头前加偏振片，使偏振片的,透光方向与反射光的偏振方向垂直，去掉反射光的干扰,未装偏振片,装偏振片,56,（,C,）,用偏光镜,消除,了反射偏振光 使玻璃门内的人物清晰可见,（,A,）,玻璃门,表面的,反光很强,（,B,）,用偏光镜,减弱,了反射偏振光,57,外腔式激光管加装布儒斯特窗 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，那么自然光每通过一种窗口表面就有大概4%的反射损失(96%透入)。光在M1 M2之间每个单程要4次穿过窗口表面。这样，光来回反射时，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,