大学物理第21章--光的偏振.pptx

第第21章章 光的偏振光的偏振 21.1 光的偏振现象光的偏振现象一、（完全）偏振光一、（完全）偏振光1、线偏振态（平面偏振态）、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光矢量在传播中始终保持在一个固定平面上振动。动。垂直垂直平行平行2、圆偏振态、圆偏振态光矢量绕着光的传播方向旋转，光矢量的端点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与左旋圆偏振光:右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光矢量逆时针转的称左旋圆偏振光 y y /2某一时刻某一时刻 E 的波形图如下，判断是左旋还是右旋圆偏振光的波形图如下，判断是左旋还是右旋圆偏振光右旋右旋 yz 0左旋左旋xy圆圆偏振态偏振态可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、周相差为周相差为/2/2 线偏振光。线偏振光。圆偏振光波不仅携带能量和动量，还有角动量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、椭圆偏振态 光矢量绕着光的传播方向旋转，光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。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也有右旋椭圆偏振光与左旋椭圆偏振光右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光 椭圆偏振态可分解为两束振动方向相互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垂直的、不等幅的、周相差恒定的线偏振光的叠加。加。二个相互垂直、同频率、相位差确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当 时为椭圆偏振光时为椭圆偏振光当当 ，且振幅相等时为圆偏振光，且振幅相等时为圆偏振光椭圆（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光源上一个原子一次发出的是一个线偏振光线偏振光波波列，持续时间约列，持续时间约10-8秒。秒。各原子是各原子是独立地独立地、随机地随机地发光的。光矢量的发光的。光矢量的大小、方向、初相位等等也是随机的。大小、方向、初相位等等也是随机的。在我们观察的时间在我们观察的时间 t 内内,在哪个方向都不占在哪个方向都不占优势了，它们对其传播方向形成优势了，它们对其传播方向形成轴对称分布轴对称分布。二、自然光（非偏振光）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相位关系的光矢量的组合叫非偏振光非偏振光或或自然光自然光没有优势方向没有优势方向自然光的光强自然光的光强自然光用图表示为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一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、的、等幅的、不相干不相干的线偏振光。的线偏振光。自然光的分解自然光的分解三、部分偏振光三、部分偏振光光强的分布不是轴对称光强的分布不是轴对称光矢量的振动方光矢量的振动方向不具有轴对称向不具有轴对称分布，而是在某分布，而是在某一方向占优势一方向占优势,称称部分偏振光部分偏振光，它介于自然光与它介于自然光与线偏振光之间。线偏振光之间。部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光部分偏振光的图示部分偏振光的图示四、偏振片四、偏振片偏振片是以利用晶体的各向异性（对某一方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：向的光振动有强烈吸收：消光方向，另一方向消光方向，另一方向可以通光：称为偏振化方向可以通光：称为偏振化方向）起偏）起偏.类似机械波通过狭缝类似机械波通过狭缝通光方向线偏振光通过偏振片线偏振光通过偏振片P前后的光强关系：前后的光强关系：五、五、Malus 定定 律律 I0IP式中式中 是线偏振光的光是线偏振光的光振动方向与检偏器透振振动方向与检偏器透振方向间的夹角方向间的夹角P E0 E=E0cos 消光消光改变改变，I 随之改变随之改变线偏振光线偏振光偏振片偏振片屏屏一束光强为一束光强为I0的线偏振光，透过检偏器以后，透射的线偏振光，透过检偏器以后，透射光的光强为光的光强为 I=I0cos2 称为称为马吕斯定律马吕斯定律。若光源为自然光若光源为自然光自然光自然光偏振片偏振片屏屏自然光入射，出射光强为自然光入射，出射光强为证明：证明：六、六、检偏检偏用偏振器件分用偏振器件分析、检验光束的析、检验光束的偏振状态称偏振状态称“检检偏偏”。偏振片既。偏振片既可可“起偏起偏”设入射光是自然光、设入射光是自然光、线偏振光、或部分线偏振光、或部分偏振光，如何用偏偏振光，如何用偏振片来区分它们？振片来区分它们？又可又可“检偏检偏”例：如图，例：如图，在两偏振化方向垂直的在两偏振化方向垂直的P1与与P2之间放之间放置另一偏振片置另一偏振片P3，求求 I2 2=?=?，但，对部分偏振光通过偏振片但，对部分偏振光通过偏振片立体电影立体电影在拍摄玻璃窗内的物体时，去掉反射光的干扰在拍摄玻璃窗内的物体时，去掉反射光的干扰未未装装偏偏振振片片装装偏偏振振片片ThephotographisAnaglyphimage.Youcanseein3DwithRed-Blueglasses21.2反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振实验表明实验表明:反射光中垂直入射面的分反射光中垂直入射面的分量比例大；折射光中平行量比例大；折射光中平行入射面的分量比例大。入射面的分量比例大。入射角入射角 i 变变,反射、折射反射、折射光的偏振度也变光的偏振度也变自然光反射和折射自然光反射和折射后产生部分偏振光后产生部分偏振光一、布儒斯特角一、布儒斯特角当当 i=ib 时时,反射光中只有垂直入射面的分量，反射光中只有垂直入射面的分量，并且有并且有 线偏振光线偏振光起偏振角起偏振角ib起偏角，或称起偏角，或称布儒斯特角布儒斯特角由折射定律有由折射定律有布儒斯特定律布儒斯特定律例例:若若 n1=1.00(1.00(空气空气)，n2=1.50(1.50(玻璃玻璃)。互余互余空气空气玻璃玻璃玻璃玻璃空气空气 =-423350.100.1 185600.150.1 1b1btanitani二、布儒斯特定律二、布儒斯特定律线偏振光线偏振光起偏振角起偏振角 要提高反射线偏振光的强度，要提高反射线偏振光的强度，可利用玻璃片堆的多次反射。可利用玻璃片堆的多次反射。空气空气玻璃玻璃 b=4233 i玻璃玻璃空气空气 b=1856i(反射光是完全线偏振光反射光是完全线偏振光 强度几乎强度几乎50%)ib ibibibibib三、玻璃片堆三、玻璃片堆a stack of glass plates演示：玻璃片堆演示：玻璃片堆应应用用：外外腔腔式式激激光光管管加加装装布布儒儒斯斯特特窗窗,可可得得到到偏偏振振性性极好的激光，同时还可减少反射损失。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的玻璃片，那么自然光每经过一个窗口表面就有大约大约4%的反射损失。光在的反射损失。光在M1 M2之间来回反射时，之间来回反射时，每个单程要每个单程要4次穿过窗口表面。这样反射损耗太大次穿过窗口表面。这样反射损耗太大就不能形成激光。就不能形成激光。i0i0激光输出激光输出布儒斯特窗布儒斯特窗M1M2i0i021.3 双折射现象双折射现象一、双折射现象一、双折射现象 透过方解石透过方解石(CaCO(CaCO3 3)晶体看十字成双像，晶体看十字成双像，旋转方解石像亦旋转旋转方解石像亦旋转 透过方解石透过方解石(CaCO(CaCO3 3)晶体看字成双像晶体看字成双像以入射线为轴，转方解石：光点以入射线为轴，转方解石：光点o o不不动，动，e e 绕绕o o转转一束光入射到各向异性的媒质中分成两一束光入射到各向异性的媒质中分成两束束(e,o)(e,o)光的现象称为光的现象称为双折射现象双折射现象 方解石方解石oee o 用用偏偏振振片片检检验验，二二者者都都是是偏偏振振光光，且且偏偏振振方方向向互互相相垂垂直直。可可见见，利利用用双双折折射现象也可以获得线偏振光射现象也可以获得线偏振光。非寻常光非寻常光（Extra-ordinary light）：）：一般折射线不一般折射线不在入射面内。在入射面内。n1n2ig gog ge(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光 一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律:二、几个重要的概念二、几个重要的概念1.1.寻常光（寻常光（o o光）和非光）和非寻常光（寻常光（e e光）光）寻常光寻常光（Ordinary light）：）：n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光遵从折射定律遵从折射定律2.2.晶体的光轴晶体的光轴当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该方向称为晶体的该方向称为晶体的光轴光轴。例例:方解石晶体方解石晶体 是由平行是由平行六面体构成的六面体构成的,每个面都是钝每个面都是钝角角1021020 0和锐角和锐角78780 0的平行四边的平行四边形。形。A A点和点和 B B点是三个钝角的交合点是三个钝角的交合点点,AB,AB 连线与三条棱边的夹角连线与三条棱边的夹角相等。实验发现相等。实验发现ABAB的方向即方的方向即方解石晶体光轴的方向。解石晶体光轴的方向。光光轴轴是是一一个个特特殊殊的的方方向向,凡凡平行于此方向的直线均为光轴。平行于此方向的直线均为光轴。如果将如果将A或或B磨平，使磨面与光轴垂直，当磨平，使磨面与光轴垂直，当光线垂直磨面入射时，无双折射现象。光线垂直磨面入射时，无双折射现象。AB光轴光轴 只有一个光轴的晶体称只有一个光轴的晶体称单轴晶体单轴晶体 如方解石、石英如方解石、石英,冰等；冰等；有两个光轴的晶体称有两个光轴的晶体称双轴晶体双轴晶体 如云母、硫磺，兰宝石等。如云母、硫磺，兰宝石等。（我们只讨论单轴晶体的双折射）（我们只讨论单轴晶体的双折射）3.3.主平面主平面主平面：晶体中某条光线与晶体光轴构成主平面：晶体中某条光线与晶体光轴构成的平面的平面,称为该光线的主平面。称为该光线的主平面。o o 光振动垂直光振动垂直其其主平面主平面 e e 光振动在其主平面内。光振动在其主平面内。三、晶体的主折射率，正晶体、负晶体三、晶体的主折射率，正晶体、负晶体 o光子波，各方向传播的光子波，各方向传播的速度相同为速度相同为 v0 0，点波源发，点波源发出的波面为出的波面为球面球面。o光只有一种光速光只有一种光速vo o，一种折射率，一种折射率no o设在各向异性的晶体中设在各向异性的晶体中,波源同时发波源同时发出出o光、光、e光两种子波。光两种子波。vo t光轴光轴 e e光的子波光的子波,各方向传播的速度不同。各方向都有相各方向传播的速度不同。各方向都有相应的折射率应的折射率。e光点波源发出的波面为光点波源发出的波面为旋转旋转椭球面椭球面。e 光在平行光轴方向上的速度与光在平行光轴方向上的速度与o光的速度相同，光的速度相同，为为v0 0;光轴光轴ve tvo t e 光在垂直光轴方向上的速度与光在垂直光轴方向上的速度与o光的速度相差光的速度相差最大，记为最大，记为 ve e，定义其相应的折射率为，定义其相应的折射率为 ne e.n n0 0 ，n ne e称为晶体的称为晶体的主主折射率。折射率。正晶体：正晶体：晶体可分为两类：晶体可分为两类：ne eno o(ve evo o)，如石英、冰等。如石英、冰等。正晶体的波面是正晶体的波面是球包椭球球包椭球 子波源子波源vo tve t光轴光轴 正晶体正晶体(vo ve)负晶体：负晶体：如方解石、红宝石等。如方解石、红宝石等。vo tve t光轴光轴 负晶体负晶体(vo ve)子波源子波源负晶体的波面是负晶体的波面是椭球包球椭球包球ne eno o(ve evo o)，下面以负晶体下面以负晶体(ve vo)为例为例:四、用惠更斯作图法画出晶体中光传播的方向四、用惠更斯作图法画出晶体中光传播的方向在特殊情况下（入射面包含光轴或垂直于光轴）在特殊情况下（入射面包含光轴或垂直于光轴）可以按惠更斯作图法在纸面上作图，找出可以按惠更斯作图法在纸面上作图，找出o光，光，e光的传播方向。光的传播方向。(1)画出入射波的波前画出入射波的波前(2)画在界面处出射子波的波面画在界面处出射子波的波面(3)画子波波面的包络面画子波波面的包络面(4)画折射波的传播方向：子波中心到子画折射波的传播方向：子波中心到子波波前与包络面切点的连线波波前与包络面切点的连线作图法共分四步作图法共分四步至少画两条入至少画两条入(出出)射光线可确射光线可确定波面定波面：1.光轴光轴晶体表面，自然光晶体表面，自然光 入射入射,o,e光在方向上虽没分开，但速度上是分开的，光在方向上虽没分开，但速度上是分开的，仍是两束光。仍是两束光。还是有双折射的。还是有双折射的。作图确定作图确定o光和光和e光的传播方向光的传播方向：光轴光轴晶体晶体 eeoo负晶体负晶体这是一快（这是一快（e 光）一慢光）一慢(o光光)两束光。两束光。2.自然光自然光 入射，若光轴垂直晶体表面，入射，若光轴垂直晶体表面，还有没有还有没有双折射？双折射？e光光,o光的振动方向如何？光的振动方向如何？方法：先找它们的主平面。方法：先找它们的主平面。o光光垂直其垂直其主平面主平面-点；点；e光在其光在其主平面内主平面内-线。线。（答：无双折射）（答：无双折射）ee光轴光轴晶体晶体oo3.光轴光轴晶体表面，且晶体表面，且 入射面，自然光斜入射，入射面，自然光斜入射，作图确定传播方向作图确定传播方向 此此种种情情况况下下，在在入入射射面面（纸纸面面）内内，o光光，e光光都都满满足足折折射射定定律律 (why?)(why?)，只只是折射率不同是折射率不同o光、光、e光的振动方向如何确定的？光的振动方向如何确定的？即即先找它们的主平面先找它们的主平面:o光光-线；线；e光光-点点.r0o e晶体晶体 光轴光轴irevotve eto ect注意：注意：o光光 有时是线，有时是点；有时是线，有时是点；e光亦然。光亦然。负晶体负晶体4.光轴与晶体表面斜交，自然光光轴与晶体表面斜交，自然光 入射，作图确定传播入射，作图确定传播方向方向绕入射线旋转光轴，绕入射线旋转光轴，o o光不动，光不动，e e光转，正好是前面光转，正好是前面演示实验中的双折射情形。演示实验中的双折射情形。o光、光、e光的振动方向如何？光的振动方向如何？e方解石方解石光轴光轴o注意注意:e光的波面不一定与其传播方向垂直（如上述光的波面不一定与其传播方向垂直（如上述情形）情形）o光光-点；点；e光光-线线.o e晶体晶体光轴光轴o e波面波面思考思考*：有人说：有人说：“因为光线沿光轴方向传播时因为光线沿光轴方向传播时不发生双折射，所以，如图情况没有不发生双折射，所以，如图情况没有双折射现象。双折射现象。”光轴方向光轴方向对吗？对吗？五、五、波片波片问题：问题：迎着光看迎着光看,入射到晶片上的光振幅一般可分入射到晶片上的光振幅一般可分解为解为o光和光和e光两个振幅。光两个振幅。ydxE 线偏振光线偏振光光轴光轴有有一一光光轴轴平平行行表表面面的的晶晶体体薄薄片片，让让线线偏偏振振光光垂直入射垂直入射o光和光和e光在通过晶片前是同相的，经过晶片光在通过晶片前是同相的，经过晶片之后呢？之后呢？如前面惠更斯作图法分析，晶体中会出现一快一如前面惠更斯作图法分析，晶体中会出现一快一慢的慢的o光和光和e光。速度上的差别表现为相位不同光。速度上的差别表现为相位不同 晶片晶片ydxEEoEe 线偏振光线偏振光光轴光轴EEoEe 光轴光轴P如图线片振光相对晶片分为如图线片振光相对晶片分为 o光和光和e光，由于光，由于e光光振动与光轴平行振动与光轴平行，有时常称光轴为有时常称光轴为e 轴轴光轴平行表面的晶体薄片光轴平行表面的晶体薄片o、e光振幅关系：光振幅关系：通过厚度为通过厚度为d 的晶片，的晶片，o、e光产生光产生相位差相位差：可见，同过晶片后可见，同过晶片后o光和光和e光产生了恒定的相位光产生了恒定的相位差，所以将晶片也称为差，所以将晶片也称为相位延迟器相位延迟器从晶片出射的是两束传播方向相同、振动方向相从晶片出射的是两束传播方向相同、振动方向相互垂直、频率相等、有恒定相位差互垂直、频率相等、有恒定相位差 的线偏振光的线偏振光.它们可合成为椭圆偏振光，圆偏振光或线偏振光。它们可合成为椭圆偏振光，圆偏振光或线偏振光。四分之一波片四分之一波片 波片波片对某个波长对某个波长 而言，当而言，当 o、e光在晶片中的光程光在晶片中的光程差为差为 的某个特定倍数时，这样的晶片叫波晶片，的某个特定倍数时，这样的晶片叫波晶片，简称简称波片波片。o光和光和e光经过波片后光经过波片后的光程差为光在的光程差为光在真空真空中的波长中的波长的四分之一的四分之一y dxEEoEe 线偏振光线偏振光光轴光轴产生相位差产生相位差o光光e光分量的光分量的振幅相等振幅相等得圆偏振光得圆偏振光只有平行于光轴的分量（只有平行于光轴的分量（e光），光），不分解不分解 得线偏振光得线偏振光y dxEEoEe 线偏振光线偏振光光轴光轴y dxE线偏振光线偏振光光轴光轴o光光e光分光分量的量的振幅振幅不相等不相等正椭圆正椭圆只有垂直于光轴的分量只有垂直于光轴的分量(o光光)，不分解不分解线偏振光线偏振光用四分之一波片可由线偏振光获得正椭圆或圆偏振光。用四分之一波片可由线偏振光获得正椭圆或圆偏振光。反过来，也可以从正椭圆或圆偏振光获得线偏振光。反过来，也可以从正椭圆或圆偏振光获得线偏振光。y dxEEoEe 线偏振光线偏振光光轴光轴因为合成正椭圆或圆偏振光的两个垂直分量已经有因为合成正椭圆或圆偏振光的两个垂直分量已经有了相位差了相位差 /2,经经1/4波片以后波片以后,又有又有 /2的的相位差相位差,所所以出来的就是以出来的就是0或或 的的相位差相位差，是，是线偏振光。线偏振光。椭圆偏振光的获得椭圆偏振光的获得圆偏振光的获得圆偏振光的获得 二分之一波片二分之一波片作用：作用：光程差光程差产生相位差产生相位差y dxEEoEe 线偏振光线偏振光光轴光轴 在入射点处线偏振光在入射点处线偏振光 分解的分解的o光和光和e 光、且同光、且同相，则在出射点处相，则在出射点处o、e 光反相，叠加后是线偏光反相，叠加后是线偏振光（一、三象限方向振光（一、三象限方向的振动变为二、四象限）。的振动变为二、四象限）。即，振动方向转过即，振动方向转过2 角，如图。角，如图。E0入入E0出出E入入E出出Ee入入=Ee出出光轴光轴可可使使线线偏偏振振光光的的振振动动面转过一个角度：面转过一个角度：y dxEEoEe 线偏振光线偏振光光轴光轴若入射的是圆偏振光若入射的是圆偏振光(已有已有 /2相差相差),经经 1/2波片波片(又有又有 ),出来相位差为出来相位差为/2 =3 /2，-/2若入射的是椭圆偏振光若入射的是椭圆偏振光,经经 1/2 波片波片,出出来仍是椭圆偏振光来仍是椭圆偏振光,左旋左旋右旋，右旋，而且椭圆而且椭圆的长轴转过的长轴转过 2 角。角。（想想为什么？）（想想为什么？）仍是圆偏振光仍是圆偏振光,但是但是左旋左旋右旋右旋二、椭圆偏振光与圆偏振光的检偏二、椭圆偏振光与圆偏振光的检偏 用用1/4 波波片和偏振片片和偏振片 P 可区分出自然可区分出自然光和圆偏振光：光和圆偏振光：P(转转)I 不变不变/4片片自然光自然光自然光自然光P(转转)I 变，有消光变，有消光/4片片圆偏振光圆偏振光线偏振光线偏振光 用用1/4 波波片和偏振片片和偏振片 P 也可区分出部分偏振光也可区分出部分偏振光和椭圆偏振光和椭圆偏振光:P(转转)I 变，无消光变，无消光/4片片部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光P(转转)I 变，有消光变，有消光/4片片椭圆偏振光椭圆偏振光线偏振光线偏振光 四四分分之之一一波波片片圆偏振光圆偏振光自然光自然光自然光自然光线偏振光线偏振光 偏偏振振片片（转转动动）线偏振光线偏振光 I 不变不变线偏振光线偏振光I 变变,有消光有消光以入射光方向为轴转动以入射光方向为轴转动小结：小结：四四分分之之一一波波片片椭圆偏振光椭圆偏振光部分偏振光部分偏振光线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光I 变变,有消光有消光 部分部分偏振光偏振光线偏振光线偏振光I 变变,无消光无消光 偏偏振振片片（转转动动）The EndThe End