大學(xué)物理光的偏振（課堂PPT）

1、.1.28-9 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束自然光可分解為兩束振動(dòng)方向一束自然光可分解為兩束振動(dòng)方向相互垂直的、相互垂直的、等幅的光振動(dòng)。等幅的光振動(dòng)。自然光的表示法：自然光的表示法： 沒有一個(gè)方向的光振動(dòng)占沒有一個(gè)方向的光振動(dòng)占有優(yōu)勢(shì)。有優(yōu)勢(shì)。 x20IIIyx 1.1.自然光自然光沒有優(yōu)勢(shì)方向沒有優(yōu)勢(shì)方向由于普通光原中單個(gè)原子發(fā)光的獨(dú)立性、隨機(jī)性和間由于普通光原中單個(gè)原子發(fā)光的獨(dú)立性、隨機(jī)性和間歇性，大量原子發(fā)出的光，歇性，大量原子發(fā)出的光，沒有一個(gè)方向的光振動(dòng)占沒有一個(gè)方向的光振動(dòng)占有優(yōu)勢(shì)，各個(gè)方向光有優(yōu)勢(shì)，各個(gè)方向光矢量矢量E的振幅相等。的振幅相等。

2、.3振動(dòng)面：振動(dòng)面：光光矢量矢量的振動(dòng)方向與光的傳播方向構(gòu)成的平面。的振動(dòng)方向與光的傳播方向構(gòu)成的平面。偏振偏振: :光光矢量矢量的振動(dòng)方向相對(duì)傳播方向的不對(duì)稱性。的振動(dòng)方向相對(duì)傳播方向的不對(duì)稱性。光矢量光矢量振動(dòng)面振動(dòng)面voHE2. 線偏振光和線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E.4光矢量只沿一個(gè)固定方向振動(dòng)。光矢量只沿一個(gè)固定方向振動(dòng)。一束一束線偏振光線偏振光可分解為兩束振動(dòng)方向可分解為兩束振動(dòng)方向相互垂直的線相互垂直的線偏振光。偏振光。 sincosEEEEyx EEyEx yx 線偏振光線偏振光(完全偏振光、平面偏振光完全偏振光、平面偏振光)

3、E播播傳傳方方向向振振動(dòng)動(dòng)面面.5線偏振光的表示法：線偏振光的表示法：光振動(dòng)平行板面光振動(dòng)平行板面x光振動(dòng)垂直板面光振動(dòng)垂直板面 x.6部分偏振光部分偏振光 某個(gè)方向的光振動(dòng)占某個(gè)方向的光振動(dòng)占有優(yōu)勢(shì)。有優(yōu)勢(shì)。 部分偏振光可分解為兩束振動(dòng)方向部分偏振光可分解為兩束振動(dòng)方向相互垂直的、相互垂直的、不等幅的不等幅的線偏振光。線偏振光。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動(dòng)較強(qiáng)光振動(dòng)較強(qiáng)垂直板面的垂直板面的光振動(dòng)較強(qiáng)光振動(dòng)較強(qiáng)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然光與自然光與線偏線偏振光振光的混合。的混合。.7偏振度：偏振度：pnptpIIIIIp 討

4、論：討論：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強(qiáng)度完全偏振光強(qiáng)度pI自然光強(qiáng)度自然光強(qiáng)度nI0 nI1 p0 pI0 p0 pI10 p.83、 橢圓偏振光和圓偏振光橢圓偏振光和圓偏振光圓偏振光：圓偏振光：光振動(dòng)方向隨時(shí)間變化光振動(dòng)方向隨時(shí)間變化橢圓偏振光：橢圓偏振光：光振動(dòng)方向和幅度都隨時(shí)間變化光振動(dòng)方向和幅度都隨時(shí)間變化光矢量端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是圓。光矢量端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是圓。光矢量端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是橢圓。光矢量端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是橢圓。.9 迎著光傳播方向看，光矢量端點(diǎn)沿逆時(shí)針迎著光傳播方向看，光矢量端點(diǎn)沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的稱為左旋偏振光；沿順時(shí)針方向旋方向旋轉(zhuǎn)的稱為左旋偏振

5、光；沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的稱為右旋偏振光。轉(zhuǎn)的稱為右旋偏振光。圓偏振光圓偏振光線偏振光線偏振光橢圓偏振光橢圓偏振光橢圓偏振光和圓偏振光都是完全偏振光。橢圓偏振光和圓偏振光都是完全偏振光。.10橢圓偏振光和圓偏振光都是完全偏振光，橢圓偏振光和圓偏振光都是完全偏振光，均可等均可等效為兩個(gè)具有恒定相位差、相同振動(dòng)頻率、振動(dòng)效為兩個(gè)具有恒定相位差、相同振動(dòng)頻率、振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光。方向相互垂直的線偏振光。任何兩束傳播方向相同、頻率相等、相位差恒任何兩束傳播方向相同、頻率相等、相位差恒定、振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光疊加時(shí)，都定、振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光疊加時(shí)，都將形成橢圓偏振光或圓偏振光。將形成橢

6、圓偏振光或圓偏振光。.11二二、起偏和檢偏起偏和檢偏起偏：起偏：使自然光（或部分偏振光）變成線偏振光的過程。使自然光（或部分偏振光）變成線偏振光的過程。檢偏：檢偏：檢查入射光的偏振性。檢查入射光的偏振性。1 1、偏振片的起偏和檢偏、偏振片的起偏和檢偏將待檢查的入射光垂直入將待檢查的入射光垂直入射偏振片，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)偏振射偏振片，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片，觀察光強(qiáng)的變化，確片，觀察光強(qiáng)的變化，確定光的偏振性。定光的偏振性。透透光光軸軸方方向向自然光自然光偏振片偏振片線偏振光線偏振光偏偏振振化化方方向向.12線偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，線偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，光強(qiáng)發(fā)生變化，有消光現(xiàn)象光強(qiáng)發(fā)生變化，有消光現(xiàn)象.1

7、3自然光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，光強(qiáng)不變。自然光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，光強(qiáng)不變。.14部分偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，部分偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，光強(qiáng)發(fā)生變化。光強(qiáng)發(fā)生變化。.15三、三、 馬呂斯定律馬呂斯定律 I0IP2020EEII 馬呂斯定律馬呂斯定律（18091809） -線偏振光的振動(dòng)方向與檢偏器的偏振化方向線偏振光的振動(dòng)方向與檢偏器的偏振化方向 之間的夾角。之間的夾角。線偏振光可沿線偏振光可沿兩個(gè)相互垂直兩個(gè)相互垂直的方向分解的方向分解EEyEx yx sincosEEEEyx P E0 E=E0cos 檢偏器檢偏器透射軸透射軸線偏振光線偏振光振動(dòng)方向振動(dòng)方向 20cosII 220220cos

8、EcosE .16I?P待檢光待檢光I不變不變是什么光？是什么光？I變，有消光變，有消光是什么光？是什么光？I變，無消光變，無消光是什么光？是什么光？討論討論 20cosII 0max0III ， 02 I， 消光消光.17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和檢偏器和檢偏器 N 之間，插入一片以角速度之間，插入一片以角速度 旋轉(zhuǎn)的偏振片旋轉(zhuǎn)的偏振片 P，入射自然光強(qiáng)為入射自然光強(qiáng)為 , 試求由系統(tǒng)出射的光強(qiáng)是試求由系統(tǒng)出射的光強(qiáng)是多少？多少？ 0It PNM)cos1(212sin N MP )41(1620220tcosItsintcosII 出出.18偏振片偏振片P每

9、旋轉(zhuǎn)一周，輸出光強(qiáng)有每旋轉(zhuǎn)一周，輸出光強(qiáng)有“四明四零四明四零”。（1）4 t =00, 3600， 23600， 33600時(shí)時(shí)， t =450,1350,2250,3150時(shí)，輸出光強(qiáng)為時(shí)，輸出光強(qiáng)為 。80I)41(160tcosII 出出 t =00,900,1800,2700時(shí)，輸出光強(qiáng)為零。時(shí)，輸出光強(qiáng)為零。（2）4 t =1800, 31800， 51800， 71800時(shí)時(shí)，.19四、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過程會(huì)使入射的自然光一定程度的偏振化。反射和折射過程會(huì)使入射的自然光一定程度的偏振

10、化。1n2nr部分部分偏振光偏振光i偏振化程度與入射角和兩種介質(zhì)的折射率有關(guān)。偏振化程度與入射角和兩種介質(zhì)的折射率有關(guān)。.2021120tgnnni 反射光是振動(dòng)方向垂直于入射面的線偏振光。反射光是振動(dòng)方向垂直于入射面的線偏振光。200 ri0i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發(fā)現(xiàn)：當(dāng)入射角等于某一布儒斯特發(fā)現(xiàn)：當(dāng)入射角等于某一特定值特定值i0 0時(shí)，時(shí)，且反射光傳播方向與折射光傳播方向垂直。且反射光傳播方向與折射光傳播方向垂直。020201icosnrsinnisinn 0i0r1n2n自然光自然光線偏振光線偏振光部分偏振光部分偏振光0i.21ib(接近線

11、偏振光接近線偏振光)玻璃片堆玻璃片堆NoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImage最后獲得兩束振動(dòng)面互相垂直的線偏振光最后獲得兩束振動(dòng)面互相垂

12、直的線偏振光利用玻璃片堆產(chǎn)生線偏振光利用玻璃片堆產(chǎn)生線偏振光.22方解石晶體方解石晶體實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)一當(dāng)一束光入射到各向同當(dāng)一束光入射到各向同性透明介質(zhì)表面時(shí)：性透明介質(zhì)表面時(shí)：實(shí)驗(yàn)二實(shí)驗(yàn)二oeSS/1 1、雙折射現(xiàn)象、雙折射現(xiàn)象五、五、 晶體的雙折射晶體的雙折射當(dāng)一束光入射到某些各向當(dāng)一束光入射到某些各向異性的透明介質(zhì)表面時(shí)：異性的透明介質(zhì)表面時(shí)：.23光光光光當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)o光不動(dòng)，光不動(dòng)，e光圍繞光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光旋轉(zhuǎn)雙雙折折射射紙面紙面方解石方解石 晶體晶體.24光光光光雙雙折折射射當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)o光不動(dòng)，光不動(dòng)，e光圍繞光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光旋轉(zhuǎn)紙面紙

13、面方解石方解石 晶體晶體.25光光光光當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)o光不動(dòng)，光不動(dòng)，e光圍繞光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光旋轉(zhuǎn)雙雙折折射射紙面紙面方解石方解石 晶體晶體.26光光光光當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)o光不動(dòng)，光不動(dòng)，e光圍繞光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光旋轉(zhuǎn)雙雙折折射射紙面紙面方解石方解石 晶體晶體.27 一束光射到各向異性介質(zhì)后折射成兩束不同一束光射到各向異性介質(zhì)后折射成兩束不同方向的光的現(xiàn)象。方向的光的現(xiàn)象。雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象ron1n2ire(各向異各向異性媒質(zhì)性媒質(zhì))自然光自然光尋常光：尋常光：對(duì)于晶體一切方向?qū)τ诰w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

14、），且在入射面內(nèi)傳速相同），且在入射面內(nèi)傳播，簡(jiǎn)稱它為播，簡(jiǎn)稱它為O光。光。 尋常光線尋常光線(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）隨方向而變化，并且它的折射率（即波速）隨方向而變化，并且 不一定在入射面內(nèi)傳播，簡(jiǎn)稱為不一定在入射面內(nèi)傳播，簡(jiǎn)稱為 e 光。光。非常光線非常光線(e光光) -不遵守折射定律不遵守折射定律o光和光和e光都是線偏振光。光都是線偏振光。.282 2 、光軸與主平面、光軸與主平面 當(dāng)光在晶體內(nèi)沿某個(gè)特殊方向傳播時(shí)當(dāng)光在晶體內(nèi)沿某個(gè)特殊方向傳播時(shí)不發(fā)生雙不發(fā)生雙折射折射，該方向稱為，該方向稱為晶體的光軸晶體的光軸。“光軸光軸”是一是一特殊

15、的特殊的“方向方向”, ,不是指一條直線。不是指一條直線。凡平行于此方向的直線均為光軸。凡平行于此方向的直線均為光軸。單軸晶體單軸晶體：只有一個(gè)光軸的晶體：只有一個(gè)光軸的晶體雙軸晶體雙軸晶體：有兩個(gè)光軸的晶體：有兩個(gè)光軸的晶體方解石、石英、紅寶石、冰等。方解石、石英、紅寶石、冰等。云母、硫磺、藍(lán)寶石等。云母、硫磺、藍(lán)寶石等。AB光軸光軸102方解石晶體的光軸方解石晶體的光軸.29主平面：主平面：晶體中晶體中某條光線某條光線與與晶體光軸晶體光軸構(gòu)成的平面。構(gòu)成的平面。e光光光軸光軸e光的光的主平面主平面o光光光軸光軸o光的光的主平面主平面o光的振動(dòng)光的振動(dòng)方向方向垂直垂直于于o光的主平面。光的主

16、平面。e光的振動(dòng)光的振動(dòng)方向方向平行于平行于e光的主平面。光的主平面。晶體晶體主截面：主截面：晶面法線晶面法線與與晶體光軸晶體光軸構(gòu)成的平面。構(gòu)成的平面。當(dāng)入射光線在晶體主截面內(nèi)時(shí)，當(dāng)入射光線在晶體主截面內(nèi)時(shí)，o o光和光和e光的主平光的主平面與晶體主截面重合，這時(shí)面與晶體主截面重合，這時(shí)o o光和光和e光的振動(dòng)方向光的振動(dòng)方向嚴(yán)格垂直。實(shí)際上大多數(shù)情況下，嚴(yán)格垂直。實(shí)際上大多數(shù)情況下， o o光和光和e光的主光的主平面夾角都很小，因此平面夾角都很小，因此o o光和光和e光的振動(dòng)方向可認(rèn)光的振動(dòng)方向可認(rèn)為是垂直的。為是垂直的。.30主折射率主折射率: :o光的傳播速率用光的傳播速率用 表示表示

17、, 其其折射率折射率用用 表示表示.o one光沿垂直于光光沿垂直于光軸方向上的軸方向上的傳播速率用傳播速率用 表示表示,折射率用折射率用 表示。表示。e eneecn oocn 稱為晶體的主折射率稱為晶體的主折射率和和oenn.313. 尼科耳棱鏡尼科耳棱鏡光軸在光軸在ABCDABCD平面內(nèi)方向與平面內(nèi)方向與ABAB成成48480 0，入射面取，入射面取ABCDABCD面面將兩塊根據(jù)特殊要求加工的將兩塊根據(jù)特殊要求加工的方解石棱鏡方解石棱鏡用折射率用折射率為為n=1.55的加拿大樹膠粘合成一長(zhǎng)方柱形棱鏡。的加拿大樹膠粘合成一長(zhǎng)方柱形棱鏡。O光入射角大于其臨界角光入射角大于其臨界角arc si

18、n(1.55/1.658)=69012，被全反射，在被全反射，在BD處為涂黑層所吸收。處為涂黑層所吸收。出射光為偏振光出射光為偏振光e光光。方解石的折射率方解石的折射率n0=1.658, 4861.ne ABDCe760O220680480e.32六六. . 波片波片 橢圓偏振光和圓偏振光的獲得橢圓偏振光和圓偏振光的獲得波片波片( (波晶片波晶片) )：光軸平行表面的晶體薄片。光軸平行表面的晶體薄片。. . . .dCS1P 光軸光軸晶面晶面光軸光軸doe.33Ao Ae 光軸光軸PAdyx線偏振光線偏振光光軸光軸 dnneoeo)(2 dnneo)( cosAAe sinAAo 通過厚為通過

19、厚為d的晶片，的晶片，o光光、e光產(chǎn)生光程差和相位差：光產(chǎn)生光程差和相位差： cossinAAAAeo 振幅關(guān)系振幅關(guān)系從晶片出射的是兩束從晶片出射的是兩束傳播方相同、振動(dòng)方向相互垂傳播方相同、振動(dòng)方向相互垂直、頻率相等、相位差為直、頻率相等、相位差為 的線偏振光，它們合的線偏振光，它們合成為一束成為一束橢圓偏振光橢圓偏振光。.34 (1) (1) 四分之一波片四分之一波片 4120 kdnne4 線偏振光線偏振光圓偏振光圓偏振光2 , 0 線偏振光線偏振光線偏振光線偏振光從線偏振光獲得橢圓或圓偏振光從線偏振光獲得橢圓或圓偏振光. .dnndoeo)(2 dnneo)( 240 ， 線偏振光線偏振光橢圓偏振光橢圓偏振光dyx線偏振光線偏振光光軸光軸 2) 12( k = 3 /2 = /2.35(2) (2) 二分之一波片二分之一波片2)12()( kdnneo使線偏振光振動(dòng)面轉(zhuǎn)使線偏振光振動(dòng)面轉(zhuǎn)過過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 光軸光軸 ) 12( k = 0 = .36.378-10 8-