大學(xué)普通物理課件-第24章-光的偏振

第24（10）章

光

的

偏

振

PolarizationofLight本章主要內(nèi)容§24-1光的偏振狀態(tài)§24-2線偏振光的獲得與檢驗(yàn)§24-3反射和折射時(shí)間的偏振*§24-4由散射引起的光的偏振§24-5雙折射現(xiàn)象*§24-6橢圓偏振光和圓偏振光*§24-7偏振光的干涉*§24-8人工雙折射*§24-9旋光現(xiàn)象其次十四章光的偏振所謂偏振是指：光矢量總是與光的傳播方向垂直的特性。事實(shí)上就是電磁波的橫波性光矢量總是處于振動(dòng)態(tài)

振動(dòng)方向光實(shí)質(zhì)上是電磁波，電磁波都是橫波。通常把光波中的電場(chǎng)強(qiáng)度稱為光矢量。對(duì)確定的傳播方向，光矢量可能的方向并不唯一。光矢量傳播方向

光矢量振動(dòng)方向§24-1光的偏振狀態(tài)

PolarizationStatesofLight偏振態(tài)——光矢量的振動(dòng)狀態(tài)。（振動(dòng)方向及其角分布）

非偏振光——自然光non-polarized/naturallight

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)光矢量都有，分布勻整，具有軸對(duì)稱性，而且振幅相等、沒有固定的相位關(guān)系。非偏振光

完全偏振光

部分偏振光通常光有三類不同的偏振態(tài)：各原子發(fā)出的波列是隨機(jī)的(振動(dòng)方向、初相、頻率)，由于我們的視察時(shí)間一般比原子每次的發(fā)光時(shí)間（10-8）長得多。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。一般光源發(fā)出的光都是非偏振光。光矢量角分布均勻自然光示意圖全部光矢量的強(qiáng)度在隨意兩個(gè)垂直的方向上的重量之和相等。即，自然光可用兩個(gè)垂直的振幅相等的光振動(dòng)（無相位關(guān)系）來表示。光矢量投影

完全偏振光線偏振光linearlypolarizedlight

光矢量有單一的振動(dòng)方向線偏振光示意圖偏振面

在垂直于傳播方向的平面上，光矢量E

只沿一個(gè)固定的方向振動(dòng),這種光叫線偏振光.橢圓偏振光和圓偏振光光矢量均勻轉(zhuǎn)動(dòng)

（以光的頻率）軌跡為橢圓或圓

實(shí)際為相差為/2兩垂直方向線偏振光的合成..左旋光右旋光分橢圓偏振光:光矢量E在沿著光的傳播方向前進(jìn)的同時(shí),還圍著傳播方向勻整轉(zhuǎn)動(dòng).假如光矢量的大小不斷變更(不變),使其端點(diǎn)描繪出一個(gè)橢圓(圓).

部分偏振光

partialpolarizedlight

光矢量振動(dòng)方向的角分布不均勻部分偏振光示意圖光矢量投影自然光經(jīng)反射或折射后得到的光多為部分偏振光。見§24-3

部分偏振光可視為自然光與線偏振光的疊加。=

+§24-2線偏振光的獲得與檢驗(yàn)

ObtainmentandTesting

ofaLinearlyPolarizedLight1.

線偏振光的獲得與檢驗(yàn)光矢量能夠通過的那個(gè)振動(dòng)方向稱為通光方向或偏振化方向。

線偏振光的獲得自然光通過偏振片可以獲得線偏振光。偏振片用于獲得線偏振光時(shí)稱為起偏器。

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)玻璃片之間就形成了偏振片。自然光I0線偏振光I=I0/2自然光I0線偏振光I=I0/2線偏振光I’<I偏振片—能夠吸取一個(gè)方向的光矢量而讓另一個(gè)與其垂直

的光矢量通過，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)稱為檢偏器。

線偏振光的檢驗(yàn)轉(zhuǎn)動(dòng)用于檢驗(yàn)的偏振片視察透射光。當(dāng)其偏振化方向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)消光現(xiàn)象。假如有消光，則表明入射光為線偏振光；否則，不是線偏振光。假如入射檢偏器的光是自然光或者部分偏振光，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器一周，透射光又如何？P2旋轉(zhuǎn)一周,光強(qiáng)出現(xiàn)兩次最強(qiáng),兩次消光.2.

馬呂斯定律入射的線偏振光振動(dòng)方向與檢偏器P2的通光方向成隨意角時(shí)，出射光的強(qiáng)度為多大？設(shè)入射線偏振光(I0)光矢量的振幅為A0，通過P2的光矢量振幅為A。因檢偏器只允許P2方向的光矢量振動(dòng)分量通過，故有Malus定律

1809年實(shí)驗(yàn)相應(yīng)的光強(qiáng)關(guān)系為[例]光強(qiáng)為I0的自然光通過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光方向成角，求透過其次塊偏振片P2的光強(qiáng)。解：透過第一塊偏振片的光強(qiáng)為透過第三塊偏振片的光強(qiáng)為透過第二塊偏振片的光強(qiáng)為P1

P3

P2自然光可以用兩個(gè)相互垂直的振幅相等的光振動(dòng)(線偏振光)來表示.§24-3反射和折射時(shí)間的偏振

PolarizationofLight

inReflectionandRefraction試驗(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)生變更：一般狀況下，反射光和折射光都是部分偏振光。（湖光）當(dāng)為特定角時(shí)，反射光為線偏振光，且光矢量垂直于入射面（折射光仍為部分偏振光），該特定角滿足——Brewster（起偏)角1812年試驗(yàn)中得到，稱為Brewster定律。

的等價(jià)條件為：反射光線垂直于折射光線，即。光的電磁理論建立后，Brewster定律可以從該理論推導(dǎo)出來：設(shè)垂直于入射面的光矢量稱為

s

光；平行于入射面的光矢量稱為

p

光。理論上導(dǎo)出

s

光和

p

光的能量反射率分別為當(dāng)時(shí)，，即反射光的

p

光強(qiáng)度為零，反射光只有

s

光，為線偏振光。折射光中也包含

s

光（因Rs<1），故折射光為部分偏振光。（空氣）

（玻璃）由一塊玻璃片得到的線偏振光是很微弱的，為了獲得足夠強(qiáng)的線偏振光，應(yīng)用玻璃片堆。玻璃片堆反射光和折射光的偏振性的應(yīng)用：海面上的猛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），這使得照相機(jī)所拍攝的景物不清晰，在鏡頭上加一個(gè)偏光鏡（偏振片）來消退它。（C）用偏光鏡消退反射偏振光，使玻璃門內(nèi)的人物清晰可見（A）玻璃門表面的反光很強(qiáng)（B）用偏光鏡減弱反射偏振光例1：一束自然光從空氣射向一塊平板玻璃，設(shè)入射角等于布儒斯特角，則在界面2的反射光為（）A)自然光B)線偏振光且光矢量的振動(dòng)方向垂直于入射面C)線偏振光且光矢量的振動(dòng)方向平行于入射面D)部分偏振光§24-5雙折射現(xiàn)象

BirefringencePhenomena雙折射的兩條光線：

一條聽從折射定律，稱為尋常光或o光；

另一條不聽從，稱為特殊光或e光。雙折射現(xiàn)象尋常光與特殊光ordinarylight,extraordinarylight一般透明介質(zhì)（晶體或非晶體）中的光速是各向同性的，光在這類介質(zhì)的分界面上發(fā)生的折射服從折射定律：然而，有很多晶體（如方解石、石英、云母、電氣石、冰等）中的光速具各向異性。當(dāng)自然光從空氣入射到這類晶體的表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩條折射光線。

這種現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象。eo查看令方解石晶體繞光的入射方向旋轉(zhuǎn)光光雙折射紙面光光雙折射紙面光光雙折射紙面光光雙折射紙面返回eoeo實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，o光和e光都是線偏振光，振動(dòng)方向彼此垂直，且隨晶體轉(zhuǎn)動(dòng)而改變。o光和e光的振動(dòng)方向由晶體特性決定。尋常光：在晶體中各個(gè)方向都具有相同的折射率（亦即沿各個(gè)方向的傳播速度相同），且在入射面內(nèi)傳播。特殊光：在晶體中各個(gè)方向的折射率不同（亦即波速不同），并且不一定在入射面內(nèi)傳播。eo以方解石（CaCO3）為例：

雙折射晶體的各向異性特征光軸光軸——晶體中的特殊方向，當(dāng)光線沿此方向傳播時(shí)，尋常光和非常光的傳播速度相同，折射率相同，不發(fā)生雙折射。單軸晶體和雙軸晶體注：光軸代表的是某個(gè)方向，不是某一條直線。正晶體負(fù)晶體vo——

o光的光速。（各向同性）ve——e光在垂直于光軸方向上的光速。

（極大值或微小值）正晶體：負(fù)晶體：石英，冰方解石，電氣石在各向異性的介質(zhì)中，尋常光沿各方向的傳播速度相同，而特殊光沿各方向的速度不同。

假想在晶體內(nèi)有一子波波源O,從子波波源發(fā)出兩組子波。o光的波陣面是球面，e光的是旋轉(zhuǎn)橢球面。正晶體與負(fù)晶體o光的折射率為；與ve相對(duì)應(yīng)的

e光的折射率為。稱為主折射率。尋常光和特殊光的偏振態(tài)主平面——晶體中光的傳播方向與晶體光軸構(gòu)成的平面。主平面入射面光軸與o光的傳播方向構(gòu)成的平面叫o光主平面。光軸與e光的傳播方向構(gòu)成的平面叫e光主平面。e光光軸e光的主平面o光光軸o光的主平面··光軸在入射面時(shí),o光主平面和e光主平面重合,此時(shí)o光振動(dòng)和e光振動(dòng)相互垂直。一般狀況下，兩個(gè)主平面夾角很小，故可認(rèn)為o光振動(dòng)和e光振動(dòng)照舊相互垂直。(o光振動(dòng)垂直o光主平面)(e光振動(dòng)在e光主平面內(nèi))利用Huygens作圖法可以給出折射光的傳播方向和偏振態(tài)：光軸光軸光軸光軸光

軸