大学物理——光的偏振.pptx

8-9 8-9 光的偏振光的偏振一、自然光和一、自然光和偏振光偏振光一一束束自自然然光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、等幅的光振动。等幅的光振动。自然光的表示法：自然光的表示法：没有一个方向的光振动占没有一个方向的光振动占有优势。有优势。1.1.自然光自然光没有优势方向没有优势方向由于普通光原中单个原子发光的独立性、随机性和间由于普通光原中单个原子发光的独立性、随机性和间歇性，大量原子发出的光，歇性，大量原子发出的光，没有一个方向的光振动占没有一个方向的光振动占有优势，各个方向光有优势，各个方向光矢量矢量E的振幅相等。的振幅相等。振动面：振动面：光光矢量矢量的振动方向与光的传播方向构成的平面。的振动方向与光的传播方向构成的平面。偏振偏振:光光矢量矢量的振动方向相对传播方向的不对称性。的振动方向相对传播方向的不对称性。光光矢矢量量振振动动面面voHE2.线偏振光和线偏振光和部分偏振光部分偏振光偏振方向偏振方向:光矢量光矢量 的方向的方向光矢量只沿一个固定方向振动。光矢量只沿一个固定方向振动。一一束束线线偏偏振振光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的线线偏振光。偏振光。EEyEx yx 线偏振光线偏振光(完全偏振光、平面偏振光完全偏振光、平面偏振光)E播播传传方方向向振振动动面面线偏振光的表示法：线偏振光的表示法：光振动平行板面光振动平行板面光振动垂直板面光振动垂直板面部分偏振光部分偏振光 某个方向的光振动占某个方向的光振动占有优势。有优势。部部分分偏偏振振光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、不等幅的不等幅的线偏振光。线偏振光。部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法：平行板面的平行板面的光振动较强光振动较强垂直板面的垂直板面的光振动较强光振动较强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自自然然光光与与线线偏偏振光振光的混合。的混合。偏振度：偏振度：讨论：讨论：部分偏振光部分偏振光自然光自然光完全偏振光完全偏振光完全偏振光强度完全偏振光强度自然光强度自然光强度3、椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光圆偏振光：圆偏振光：光振动方向随时间变化光振动方向随时间变化椭圆偏振光：椭圆偏振光：光振动方向和幅度都随时间变化光振动方向和幅度都随时间变化光矢量端点的运动轨迹是圆。光矢量端点的运动轨迹是圆。光矢量端点的运动轨迹是椭圆。光矢量端点的运动轨迹是椭圆。迎着光传播方向看，光矢量端点沿逆时针迎着光传播方向看，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。转的称为右旋偏振光。圆偏振光圆偏振光线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光。椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光。椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光，椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光，均可等均可等效为两个具有恒定相位差、相同振动频率、振动效为两个具有恒定相位差、相同振动频率、振动方向相互垂直的线偏振光。方向相互垂直的线偏振光。任何两束传播方向相同、频率相等、相位差恒任何两束传播方向相同、频率相等、相位差恒定、振动方向相互垂直的线偏振光叠加时，都定、振动方向相互垂直的线偏振光叠加时，都将形成椭圆偏振光或圆偏振光。将形成椭圆偏振光或圆偏振光。二二、起偏和检偏起偏和检偏起偏：起偏：使自然光（或部分偏振光）变成线偏振光的过程。使自然光（或部分偏振光）变成线偏振光的过程。检偏：检偏：检查入射光的偏振性。检查入射光的偏振性。1 1、偏振片的起偏和检偏、偏振片的起偏和检偏将待检查的入射光垂直入将待检查的入射光垂直入射偏振片，缓慢转动偏振射偏振片，缓慢转动偏振片，观察光强的变化，确片，观察光强的变化，确定光的偏振性。定光的偏振性。透透光光轴轴方方向向自然光自然光偏振片偏振片线偏振光线偏振光偏偏振振化化方方向向线偏振光通过旋转的检偏器，线偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化，有消光现象光强发生变化，有消光现象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。部分偏振光通过旋转的检偏器，部分偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化。光强发生变化。三、三、马吕斯定律马吕斯定律 I0IP马吕斯定律马吕斯定律（18091809）-线偏振光的振动方向与检偏器的偏振化方向线偏振光的振动方向与检偏器的偏振化方向 之间的夹角。之间的夹角。线偏振光可沿线偏振光可沿两个相互垂直两个相互垂直的方向分解的方向分解EEyEx yx P E0 E=E0cos 检偏器检偏器透射轴透射轴线偏振光线偏振光振动方向振动方向I?P待检光待检光I不变不变是什么光？是什么光？I变，有消光变，有消光是什么光？是什么光？I变，无消光变，无消光是什么光？是什么光？讨论讨论消光消光例例 在在偏振化方向偏振化方向正交的起偏器正交的起偏器M和检偏器和检偏器 N 之间，插入一片以角速度之间，插入一片以角速度 旋转的偏振片旋转的偏振片 P，入射自然光强为入射自然光强为 ,试求由系统出射的光强是试求由系统出射的光强是多少？多少？偏振片偏振片P每旋转一周，输出光强有每旋转一周，输出光强有“四明四零四明四零”。（1）4 t=00,3600，23600，33600时时，t=450,1350,2250,3150时，时，输出光强为输出光强为 。t=00,900,1800,2700时，时，输出光强为零。输出光强为零。（2）4 t=1800,31800，51800，71800时时，四、布儒斯特定律四、布儒斯特定律-反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振自然光自然光部分部分偏振光偏振光反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化。反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化。部分部分偏振光偏振光偏振化程度与入射角和两种介质的折射率有关。偏振化程度与入射角和两种介质的折射率有关。反射光是振动方向垂直于入射面的线偏振光。反射光是振动方向垂直于入射面的线偏振光。起偏振角起偏振角布儒斯特角布儒斯特角布儒斯特定律布儒斯特定律布儒斯特发现：当入射角等于某一布儒斯特发现：当入射角等于某一特定值特定值i0 0时，时，且反射光传播方向与折射光传播方向垂直。且反射光传播方向与折射光传播方向垂直。自然光自然光线偏振光线偏振光部分偏振光部分偏振光ib(接近线偏振光接近线偏振光)玻璃片堆玻璃片堆最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光利用玻璃片堆产生线偏振光利用玻璃片堆产生线偏振光方解石晶体方解石晶体实验一实验一当一束光入当一束光入射到各向同射到各向同性透明介质表面时：性透明介质表面时：实验二实验二oeSS/1 1、双折射现象、双折射现象五、五、晶体的双折射晶体的双折射当一束光入当一束光入射到某些各向射到某些各向异性的透明介质表面时：异性的透明介质表面时：光光光光当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光双双折折射射当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体 一束光一束光射到各向异性介质后折射成两束不同射到各向异性介质后折射成两束不同方向的光的现象。方向的光的现象。双折射现象双折射现象ron1n2ire(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光寻常光：寻常光：对于晶体一切方向对于晶体一切方向都具有相同的折射率都具有相同的折射率(即波即波 速相同），且在入射面内传速相同），且在入射面内传播，简称它为播，简称它为O光。光。寻常光线寻常光线(o光光)-遵守折射定律遵守折射定律非常光：非常光：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且它的折射率（即波速）随方向而变化，并且 不一定在入射面内传播，简称为不一定在入射面内传播，简称为 e 光。光。非常光线非常光线(e光光)-不遵守折射定律不遵守折射定律o光和光和e光都是线偏振光。光都是线偏振光。2 2、光轴与主平面、光轴与主平面 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，该方向称为，该方向称为晶体的光轴晶体的光轴。“光轴光轴”是一是一特殊的特殊的“方向方向”,不是指一条直线。不是指一条直线。凡平行于此方向的直线均为光轴。凡平行于此方向的直线均为光轴。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双轴晶体双轴晶体：有两个光轴的晶体：有两个光轴的晶体方解石、石英、红宝石、冰等。方解石、石英、红宝石、冰等。云母、硫磺、蓝宝石等。云母、硫磺、蓝宝石等。AB光轴光轴102方解石晶体的光轴方解石晶体的光轴主平面：主平面：晶体中晶体中某条光线某条光线与与晶体光轴晶体光轴构成的平面。构成的平面。e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面o光光光轴光轴o光的光的主平面主平面o光的振动光的振动方向方向垂直垂直于于o光的主平面。光的主平面。e光的振动光的振动方向方向平行于平行于e光的主平面。光的主平面。晶体晶体主截面：主截面：晶面法线晶面法线与与晶体光轴晶体光轴构成的平面。构成的平面。当当入入射射光光线线在在晶晶体体主主截截面面内内时时，o o光光和和e光光的的主主平平面面与与晶晶体体主主截截面面重重合合，这这时时o o光光和和e光光的的振振动动方方向向严严格格垂垂直直。实实际际上上大大多多数数情情况况下下，o o光光和和e光光的的主主平平面面夹夹角角都都很很小小，因因此此o o光光和和e光光的的振振动动方方向向可可认认为为是是垂垂直的。直的。主折射率主折射率:o光的传播速率用光的传播速率用 表示表示,其其折射率折射率用用 表示表示.e光沿垂直于光光沿垂直于光轴方向上的轴方向上的传播速率用传播速率用 表示表示,折射率用折射率用 表示。表示。3.尼科耳棱镜尼科耳棱镜光轴在光轴在ABCDABCD平面内方向与平面内方向与ABAB成成48480 0，入射面取，入射面取ABCDABCD面面将两块根据特殊要求加工的将两块根据特殊要求加工的方解石棱镜方解石棱镜用折射率用折射率为为n=1.55的加拿大树胶粘合成一长方柱形棱镜。的加拿大树胶粘合成一长方柱形棱镜。O光入射角大于其临界角光入射角大于其临界角arc sin(1.55/1.658)=69012，被全反射被全反射，在在BD处为涂黑层所吸收处为涂黑层所吸收。出射光为偏振光出射光为偏振光e光光。方解石的折射率方解石的折射率n0=1.658,ABDCe760O220680480e六六.波片波片 椭圆偏振光和圆偏振光的获得椭圆偏振光和圆偏振光的获得波片波片(波晶片波晶片)：光轴平行表面的晶体薄片。光轴平行表面的晶体薄片。.晶面晶面光轴光轴doeAo Ae 光轴光轴Pdyx线偏振光线偏振光光轴光轴 通过厚为通过厚为d的晶片，的晶片，o光光、e光产生光程差和相位差：光产生光程差和相位差：振幅关系振幅关系从晶片出射的是两束从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向相互垂传播方相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差为直、频率相等、相位差为 的线偏振光，它们合的线偏振光，它们合成为一束成为一束椭圆偏振光椭圆偏振光。(1)(1)四分之一波片四分之一波片 线偏振光线偏振光圆偏振光圆偏振光 线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光.线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光dyx线偏振光线偏振光光轴光轴 =3/2 =/2(2)(2)二分之一波片二分之一波片使线偏振光振动面转使线偏振光振动面转过过2 2 角度角度A0入入A0出出A入入A出出Ae入入=Ae出入出入 光轴光轴 =0 =8-10 8-10 偏振光的干涉偏振光的干涉.透光轴相互垂直透光轴相互垂直一一.偏振光干涉装置偏振光干涉装置二二.偏振光干涉的分析偏振光干涉的分析1.1.振幅关系振幅关系P2P1CA1AeAoA2oA2e 在在P P2 2 后，两束光振动方向平行，振幅为：后，两束光振动方向平行，振幅为：是一对振幅相等的相干光是一对振幅相等的相干光通过晶体通过晶体C C后后此两束光合成为一束椭圆偏振光此两束光合成为一束椭圆偏振光通过通过P P2 2 后后（若（若P P1 1/P P2 2，则无附加相差，则无附加相差）2.2.相位关系相位关系P2P1CA1AeAoA2oA2e 相长干涉相长干涉相消干涉相消干涉若单色光入射若单色光入射,且且d均匀均匀,屏上无干涉条纹屏上无干涉条纹.若白光入射，晶片若白光入射，晶片d均匀，视场中将呈现一定的色均匀，视场中将呈现一定的色 彩，这种现象称为彩，这种现象称为显显色偏振色偏振。若白光入射，且若白光入射，且d不均匀，则屏上出现彩色条纹。不均匀，则屏上出现彩色条纹。若单色光入射若单色光入射,且且d不均匀不均匀,则屏上出现等厚干涉条纹则屏上出现等厚干涉条纹.