大學(xué)物理-光的偏振(完全)課件

1、 第15章（Polarization of light） (4)光的偏振1 光波是電磁波,橫波。 偏振研究光矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)的振動(dòng)狀態(tài)(偏振態(tài))。 最常見的偏振光有五種:自然光、線偏振光、部分偏振光、*橢圓偏振光和圓偏振光。光波中光矢量(電場(chǎng))的振動(dòng)方向與光的傳播方向垂直15.1 光的偏振態(tài)光的傳播方向21.自然光 部分偏振光 線偏振光由于原子發(fā)光的間歇性和無規(guī)則性，使得普通光源發(fā)出的光的光矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)以極快的速度取0360內(nèi)的一切可能的方向，且沒有哪一個(gè)方向占有優(yōu)勢(shì)。具有上述特性的光，稱為自然光。 自然光的表示法：用兩個(gè)獨(dú)立的(無確定相位關(guān)系)、相互垂直的等幅振動(dòng)

2、來表示。圖 圖中,圓點(diǎn)表示垂直于紙面的振動(dòng),短線表示平行于紙面的振動(dòng)。普通光源發(fā)出的光、陽(yáng)光都是自然光。3 將自然光中兩個(gè)相互垂直的等幅振動(dòng)之一部分移去得到的光，稱為部分偏振光。 完全偏振光(線偏振光)的表示法：圖 線偏振光 將自然光中兩個(gè)相互垂直的等幅振動(dòng)之一完全移去得到的光，稱為完全偏振光(線偏振光)。圖 部分偏振光部分偏振光的表示法：完全偏振光(線偏振光):振動(dòng)方向固定4獲得線偏振光的辦法有三:1 利用偏振片起偏2 利用布儒斯特現(xiàn)象獲得線偏振光3利用雙折射現(xiàn)象獲得線偏振光5 若以光傳播方向?yàn)檩S,慢慢旋轉(zhuǎn)檢偏片,觀察透過偏振片的光, 偏振片既可用作起偏器,又可用作檢偏器。圖光強(qiáng)無變化的是自

3、然光光強(qiáng)有變化,但最小值不為零的是部分偏振光;光強(qiáng)有變化,但最小值為零(消光)的是線偏振光。7I=(Aocos)2 = Iocos2 馬呂斯指出,強(qiáng)度為Io的線偏振光,透過檢偏片后,透射光的強(qiáng)度(不考慮吸收)為圖AoIo= Ao2Aocos I=Iocos2式中, 是入射線偏振光的光振動(dòng)方向和偏振片偏振化方向之間的夾角。上式稱為馬呂斯定律。 證明如下：2.馬呂斯定律8 例題 強(qiáng)度為Io自然光連續(xù)通過三個(gè)疊在一起的偏振片A、B、C，AC，求最大透射光強(qiáng)。 解 設(shè)偏振片A、B偏振化方向間的夾角為，有透射光強(qiáng)為可見最大透射光強(qiáng)為圖ABC自然光Io10 例題 一束光是自然光和線偏振光的混合。當(dāng)它通過一

4、偏振片后，測(cè)得最大透射光強(qiáng)是最小透射光強(qiáng)的5倍，求入射光中自然光和線偏振光的光強(qiáng)之比。 解 設(shè)入射光中自然光的光強(qiáng)為I1，線偏振光的光強(qiáng)為I2，則透射光強(qiáng)即入射光中自然光和線偏振光的光強(qiáng)之比為1:2。111. 反射和折射時(shí)光的偏振 布儒斯特定律 一般情況下,反射光和折射光都是部分偏振光： 在反射光中, 垂直振動(dòng)多于平行振動(dòng); 在折射光中, 平行振動(dòng)多于垂直振動(dòng)。這里所說的“垂直”和“平行”是對(duì) 入射面而言的。n1n2圖i方法二利用布儒斯特現(xiàn)象獲得線偏振光15.3 反射和折射時(shí)光的偏振 12 (1)當(dāng)以布儒斯特角入射時(shí)，反射光線折射光線，即： io+r =90。 圖n1n2ior所以： sinr

5、 =cosio=sin(90o-io)于是有： io+r =90o。即反射光線折射光線。證：n1sinio=n2sinr14(2)布儒斯特角不同于全反射的臨界角。 當(dāng)且僅當(dāng) 時(shí)，反射光才是線偏振光。且n1n2或n1n2才會(huì)發(fā)生全反射。1515-4 光在晶體中的雙折射 同時(shí)還存在另一類媒質(zhì),主要是透明晶體物質(zhì),如方解石(化學(xué)成分是CaCO3)、石英、云母、硫磺等,光在其中傳播時(shí),沿著不同方向有不同的傳播速率,這樣的媒質(zhì)稱為光學(xué)各向異性媒質(zhì)。 有些透明媒質(zhì),如玻璃、水、肥皂液等,不論光沿哪個(gè)方向,傳播速度都是相同的,媒質(zhì)只有一個(gè)折射率,這樣的媒質(zhì)稱為光學(xué)各向同性媒質(zhì)。1.雙折射現(xiàn)象 光線進(jìn)入光學(xué)各

6、向異性媒質(zhì)(如方解石)后產(chǎn)生兩條折射光線的現(xiàn)象，稱為雙折射現(xiàn)象。光在晶體中的雙折射現(xiàn)象就是光學(xué)各向異性的表現(xiàn)。方法三 利用雙折射現(xiàn)象獲得線偏振光17圖 晶體中的雙折射現(xiàn)象方解石 (1)o光和e光 兩條折射光線中有一條遵守通常的折射定律(n1sini =n2sinr ,折射光線在入射面內(nèi)),這條光線稱為尋常光線(ordinary rays),簡(jiǎn)稱o光。 另一條光線不遵守通常的折射定律,它不一定在入射面內(nèi),這條光線稱為非常光線(extraordinary rays),簡(jiǎn)稱e光。18(2)o光和e光都是線偏振光,振動(dòng)方向相互垂直。方解石oeoe方解石 (3)產(chǎn)生雙折射的原因: o光和e光的傳播速度不

7、同。 o光在晶體中各個(gè)方向的傳播速度相同，因而折射率no=c/o=恒量。 e光在晶體中的傳播速度e隨方向變化，因而折射率ne=c/e是變量，隨方向變化。 由于o光和e光的折射率不同，故產(chǎn)生雙折射。192.光軸 主平面 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在晶體內(nèi)部存在著某些特殊的方向,光沿著這些特殊方向傳播時(shí),不發(fā)生雙折射現(xiàn)象,這個(gè)特殊方向稱為光軸。應(yīng)該注意,光軸僅標(biāo)志一定的方向,并不限于某一特殊的直線。 只有一個(gè)光軸的晶體,稱為單軸晶體,如方解石、石英、紅寶石等。有兩個(gè)光軸的晶體稱為雙軸晶體,如云母、硫磺、藍(lán)寶石等。 102o方解石圖 光軸 某光線的方向和光軸方向所組成的平面叫做該光線的主平面。 20 某光線的傳播方向和光軸方向所組成的平面叫做該光線的主平面。 我們主要討論方解石的雙折射o光的光振動(dòng)方向垂直于自己的主平面;e光的光振動(dòng)方向平行于自己的主平面。 o光和e光的光振動(dòng)方向是相互垂直的。圖no=1.658, ne=1.486方解石的主平面oe21 3.惠更斯原理研究雙折射現(xiàn)象 作圖方法 1. o光在各個(gè)方向的傳播速度相同，子波面應(yīng)為球面。 e光的傳播速度隨方向變化，但可以證明子波面為旋轉(zhuǎn)橢球面。 2. o光和e