大學(xué)物理第24章光的偏振

1、本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容光的偏振狀態(tài)光的偏振狀態(tài) 線偏振光的獲得與檢驗(yàn)線偏振光的獲得與檢驗(yàn)反射和折射時(shí)光的偏振反射和折射時(shí)光的偏振第二十四章第二十四章 光的偏振光的偏振第二十四章第二十四章 光的偏振光的偏振所謂所謂是指：是指：光矢量總是與光光矢量總是與光的傳播方向垂直的特性。的傳播方向垂直的特性。事實(shí)上就是電磁波的事實(shí)上就是電磁波的橫波性橫波性光矢量總是處于振動(dòng)態(tài)光矢量總是處于振動(dòng)態(tài) 振動(dòng)方向振動(dòng)方向光實(shí)質(zhì)上是電磁波，電磁波都是橫波。通常把光波中光實(shí)質(zhì)上是電磁波，電磁波都是橫波。通常把光波中的電場(chǎng)強(qiáng)度的電場(chǎng)強(qiáng)度 稱為稱為。E對(duì)確定的傳播方向，光矢量可能對(duì)確定的傳播方向，光矢量可能的方向并不唯一

2、。的方向并不唯一。光矢量光矢量傳播方向傳播方向 光矢量光矢量振動(dòng)方向振動(dòng)方向光矢量的振動(dòng)狀態(tài)。（振動(dòng)方向及其角分布）光矢量的振動(dòng)狀態(tài)。（振動(dòng)方向及其角分布） 非偏振光非偏振光non-polarized /natural light 光矢量角分布均勻光矢量角分布均勻 在垂直于傳播方向的平面上，沿各方向振動(dòng)光矢量都在垂直于傳播方向的平面上，沿各方向振動(dòng)光矢量都有，分布均勻，具有軸對(duì)稱性，而且振幅相等、沒有固定有，分布均勻，具有軸對(duì)稱性，而且振幅相等、沒有固定的相位關(guān)系。的相位關(guān)系。非偏振光非偏振光完全偏振光完全偏振光部分偏振光部分偏振光通常光有三類不同的偏振態(tài)：通常光有三類不同的偏振態(tài)： 各原子發(fā)

3、出的波列是隨機(jī)的各原子發(fā)出的波列是隨機(jī)的( (振動(dòng)方向、初相、頻率振動(dòng)方向、初相、頻率) )，由于我們的觀察時(shí)間一般比原子每次的發(fā)光時(shí)間（由于我們的觀察時(shí)間一般比原子每次的發(fā)光時(shí)間（10-8）長(zhǎng)）長(zhǎng)得多。因此在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，實(shí)際接收到的是大量的波列，各得多。因此在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，實(shí)際接收到的是大量的波列，各方向都有，呈軸對(duì)稱性。方向都有，呈軸對(duì)稱性。普通光源發(fā)出的光都是非偏振光。普通光源發(fā)出的光都是非偏振光。光矢量角分布均勻光矢量角分布均勻自然光示意圖自然光示意圖所有所有光矢量的強(qiáng)度光矢量的強(qiáng)度在任意兩個(gè)垂直的方向在任意兩個(gè)垂直的方向上的分量之和相等。即，自然光可用兩個(gè)垂直上的分量之和相等。即，自然

4、光可用兩個(gè)垂直的振幅相等的振幅相等 的光振動(dòng)（無(wú)相位的光振動(dòng)（無(wú)相位關(guān)系）來(lái)表示。關(guān)系）來(lái)表示。光矢量投影光矢量投影)21(自然光IIIyx 完全偏振光完全偏振光 linearly polarized light 光矢量有單光矢量有單一的振動(dòng)方向一的振動(dòng)方向線偏振光示意圖線偏振光示意圖偏振面偏振面 在垂直于傳播方向的平面上，光矢在垂直于傳播方向的平面上，光矢量量 E E 只沿一個(gè)固定的方向振動(dòng)只沿一個(gè)固定的方向振動(dòng), ,這種這種光叫光叫線偏振光線偏振光. . 和和yzxyzEO光矢量均勻轉(zhuǎn)動(dòng)光矢量均勻轉(zhuǎn)動(dòng)（以光的頻率）（以光的頻率）軌跡為軌跡為橢圓橢圓或或圓圓 實(shí)際為相差為實(shí)際為相差為 /2

5、/2 兩垂兩垂直方向線直方向線偏振光的合成偏振光的合成. . .分分橢圓偏振光橢圓偏振光: : 光矢量光矢量 E E 在沿著光的在沿著光的傳播方向前進(jìn)的同時(shí)傳播方向前進(jìn)的同時(shí), ,還繞著傳播方還繞著傳播方向均勻轉(zhuǎn)動(dòng)向均勻轉(zhuǎn)動(dòng). .如果光矢量的大小不斷如果光矢量的大小不斷改變改變( (不變不變), ), 使其端點(diǎn)描繪出一個(gè)使其端點(diǎn)描繪出一個(gè)橢圓橢圓( (圓圓).). partial polarized light 光矢量振動(dòng)方光矢量振動(dòng)方向的角分布不均勻向的角分布不均勻部分偏振光示意圖部分偏振光示意圖光矢量投影光矢量投影自然光經(jīng)反射或折射后得到的光多為部分自然光經(jīng)反射或折射后得到的光多為部分偏振

6、光。偏振光。見見24-324-3部分部分偏振光可視偏振光可視為自然光與線偏振光為自然光與線偏振光的疊加。的疊加。= = + +1.1. 線線偏振偏振光光的獲得與的獲得與檢驗(yàn)檢驗(yàn)光矢量能夠通過(guò)的那個(gè)振動(dòng)方向稱為光矢量能夠通過(guò)的那個(gè)振動(dòng)方向稱為或或。 線線偏振光的獲得偏振光的獲得自然光通過(guò)偏振片可以自然光通過(guò)偏振片可以獲得獲得線偏振光。線偏振光。偏振片用于獲得線偏振光時(shí)稱為偏振片用于獲得線偏振光時(shí)稱為。 二向色性的有機(jī)晶體，如硫酸碘奎寧、電氣石或聚乙烯醇薄膜在二向色性的有機(jī)晶體，如硫酸碘奎寧、電氣石或聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后，在高溫下拉伸、烘干，然后粘在兩個(gè)玻璃片之間就碘溶液中浸泡后，在高溫下

7、拉伸、烘干，然后粘在兩個(gè)玻璃片之間就形成了偏振片。形成了偏振片。自然光自然光I0線偏振光線偏振光I=I0/2自然光自然光I0線偏振光線偏振光I=I0/2線偏振光線偏振光I I能夠吸收一個(gè)方向的光矢量而讓另一個(gè)與其垂直能夠吸收一個(gè)方向的光矢量而讓另一個(gè)與其垂直 的光矢量通過(guò)，從而獲得線偏振光的器件。的光矢量通過(guò)，從而獲得線偏振光的器件。偏振片用于檢驗(yàn)偏振狀態(tài)時(shí)稱為偏振片用于檢驗(yàn)偏振狀態(tài)時(shí)稱為。 線線偏振光的檢驗(yàn)偏振光的檢驗(yàn)轉(zhuǎn)動(dòng)用于檢驗(yàn)的偏振片觀察透射光。當(dāng)其轉(zhuǎn)動(dòng)用于檢驗(yàn)的偏振片觀察透射光。當(dāng)其與與入射的線偏振光振動(dòng)方向垂直時(shí)，透射光強(qiáng)為零，即出現(xiàn)入射的線偏振光振動(dòng)方向垂直時(shí)，透射光強(qiáng)為零，即出現(xiàn)

8、現(xiàn)象。如果有消光，則表明入射光為線偏振光；否則，不現(xiàn)象。如果有消光，則表明入射光為線偏振光；否則，不是線偏振光。是線偏振光。 如果入射檢偏器的光是如果入射檢偏器的光是自然光或者自然光或者部分偏振光，部分偏振光，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器一周，檢偏器一周，透射光透射光又又如何？如何？1P2PP P2 2 旋轉(zhuǎn)一周旋轉(zhuǎn)一周, ,光強(qiáng)光強(qiáng)出現(xiàn)兩次最強(qiáng)出現(xiàn)兩次最強(qiáng), ,兩兩次消光次消光. .2.2. 馬呂斯馬呂斯定律定律0AA2P1P入射的線偏振光振動(dòng)方向與檢偏器入射的線偏振光振動(dòng)方向與檢偏器 P2 的通光方向成任意的通光方向成任意角角 時(shí)，出射光的強(qiáng)度為多大？時(shí)，出射光的強(qiáng)度為多大？cos0AA設(shè)入射設(shè)入射偏振

9、光偏振光(I0)光矢量的振幅光矢量的振幅為為 ，通過(guò)，通過(guò) P2 的光矢量振幅為的光矢量振幅為 A。因。因檢偏器只允許檢偏器只允許P2 方向的光矢量振動(dòng)分方向的光矢量振動(dòng)分量通過(guò)，故有量通過(guò)，故有1809年實(shí)驗(yàn)?zāi)陮?shí)驗(yàn)20cosII 相應(yīng)的光強(qiáng)關(guān)系為相應(yīng)的光強(qiáng)關(guān)系為1P2P0I?I自然光I 例例 光強(qiáng)為光強(qiáng)為 I0 的自然光通過(guò)通光方向相互垂直的兩塊偏振片?，F(xiàn)將的自然光通過(guò)通光方向相互垂直的兩塊偏振片?，F(xiàn)將第三塊偏振片插入此兩偏振片之間，并令其通光方向與第一塊偏振片的通第三塊偏振片插入此兩偏振片之間，并令其通光方向與第一塊偏振片的通光方向成光方向成 角，求透過(guò)第角，求透過(guò)第二二塊偏振片塊偏振片P

10、2的光強(qiáng)。的光強(qiáng)。解：透過(guò)第一塊偏振片的光強(qiáng)為解：透過(guò)第一塊偏振片的光強(qiáng)為201II 透過(guò)第透過(guò)第三三塊偏振片的光強(qiáng)為塊偏振片的光強(qiáng)為20212cos2cosIII透過(guò)第二塊偏振片的光強(qiáng)為透過(guò)第二塊偏振片的光強(qiáng)為2sin8cossin22cos20220223IIIIP1 P3 P2自然光可以用兩個(gè)相互垂自然光可以用兩個(gè)相互垂直的振幅相等的光振動(dòng)直的振幅相等的光振動(dòng)( (線偏振光線偏振光) )來(lái)表示來(lái)表示. .實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)自然光在兩種各向同性的介質(zhì)分界面上反實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)自然光在兩種各向同性的介質(zhì)分界面上反射和折射時(shí)，反射光和折射光的偏振態(tài)將發(fā)生變化：射和折射時(shí)，反射光和折射光的偏振態(tài)將發(fā)生變化

11、：r00 ii1n2nii r一般情況下，反射光和折射光都是部分偏振光一般情況下，反射光和折射光都是部分偏振光。（湖光）。（湖光）當(dāng)當(dāng) 為特定角為特定角 時(shí)，反射光為線偏振光，且光矢量垂直時(shí)，反射光為線偏振光，且光矢量垂直于入射面于入射面（折射光仍為部分偏振光）（折射光仍為部分偏振光），該特定角滿足，該特定角滿足0 ii0i120tannni 1812年實(shí)驗(yàn)中得到，稱為年實(shí)驗(yàn)中得到，稱為。120tannni r00 ii1n2n 的等價(jià)條件為：的等價(jià)條件為：120tannni ，即，即 。20ririnniiisinsincossintan0120002 sincos 00riri光的電磁理論

12、建立后光的電磁理論建立后，布儒斯特，布儒斯特定律可以從該理論推定律可以從該理論推 導(dǎo)出來(lái)：設(shè)垂直于入射面的光矢量稱為導(dǎo)出來(lái)：設(shè)垂直于入射面的光矢量稱為 s 光；平行于入射面光；平行于入射面的光矢量稱為的光矢量稱為 p 光。理論上導(dǎo)出光。理論上導(dǎo)出 s 光和光和 p 光的能量光的能量分分別為別為)(tan)(tan , )(sin)(sin2222ririRririRps)(tan)(tan , )(sin)(sin2222ririRririRps當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， ，即反射光的，即反射光的 p 光強(qiáng)度光強(qiáng)度為零，反射光只有為零，反射光只有 s 光，為光，為線偏振光線偏振光。折射光中也包含。折射光中

13、也包含 s 光光（因（因 Rs 1），故折射光為），故折射光為部分偏振光部分偏振光。2ri0 , 0 spRR%4%15%1005 . 10 . 121nnsRpR90 8156 0（空氣）（空氣）（玻璃）（玻璃）r00 ii0 . 11n5 . 12ns %15ps %100 %85 由一塊玻璃片得到由一塊玻璃片得到的線偏振光是很微弱的，為的線偏振光是很微弱的，為了獲得足夠強(qiáng)的線偏振光，了獲得足夠強(qiáng)的線偏振光，應(yīng)用應(yīng)用玻璃片堆玻璃片堆。玻璃片堆玻璃片堆反射光和折射光的偏振性的應(yīng)用：反射光和折射光的偏振性的應(yīng)用： 海面上的強(qiáng)烈反射光是部分偏振光（垂直入射面的振海面上的強(qiáng)烈反射光是部分偏振光（垂直入射面的振動(dòng)較強(qiáng)）或者線偏振光（振動(dòng)方向垂直于入射面），這使得動(dòng)較強(qiáng)）或者線偏振光（振動(dòng)方向垂直于入射面），這使得照相機(jī)所拍攝的景物不清楚，在鏡頭上加一個(gè)偏光鏡（偏振照相機(jī)所拍攝的景物不清楚，在鏡頭上加一個(gè)偏光鏡（偏振片）來(lái)消除它。片）來(lái)消除它。（C C）用偏光鏡消除用偏光鏡消除反射偏振光，反射偏振光，使玻璃門內(nèi)的使玻璃門內(nèi)的人物清晰可見人物清晰可見（A A）玻璃門表面的玻璃門表面的反光很強(qiáng)反光很強(qiáng)（B