華東師范大學光學 第五章 光的偏振

物理科學與技術學院第五章光的偏振5.1偏振光與自然光、偏振度5.2由反射和折射獲得偏振光布儒斯特定律5.3單軸晶體的雙折射現(xiàn)象5.4用波面的概念解釋雙折射現(xiàn)象5.5偏振棱鏡和偏振片馬呂斯定律5.6橢圓偏振光與圓偏振光波片5.7偏振態(tài)的實驗檢驗5.8偏振光的干涉5.9光彈性效應和電光效應5.10線偏振光沿晶體光軸傳播時振動面的旋轉5.1自然光與偏振光偏振度縱波—波的振動方向對傳播方向具有對稱性。橫波—波的振動方向對傳播方向沒有對稱性。偏振5.1.1光的偏振性電矢量光矢量偏振態(tài)—在垂直于光傳播方向的平面內光矢量的振動狀態(tài)。

前言單色光復色光{光（頻率）一般，用單色光討論偏振態(tài)自然光圓偏振光橢圓偏振光

右旋偏振態(tài)的分類部分偏振光完全偏振光平面偏振光(線偏振光)

左旋

右旋

左旋5.1.2自然光與偏振光E·面對光的傳播方向看EEyExyx

1.平面偏振光(線偏振光)·····線偏振光可沿兩個相互垂直的方向分解光振動垂直板面光振動平行板面振動面播傳方向表示法：2.自然光自然光的分解一束自然光可分解為兩束振動方向相互垂直的、等幅的、不相干的線偏振光。···非相干沒有優(yōu)勢方向自然光的表示法：自然光自然光相位分布關聯(lián)，不顯示偏振性線偏振光線偏振光5.1.3部分偏振光和偏振度平面偏振光+自然光最常討論的部分偏振光可看成是自然光和線偏振光的混合，分解非相干········天空的散射光和水面的反射光就是這種部分偏振光，它可以分解如下：偏振度自然光

P=0線偏振光

P=1部分偏振光0<P<15.2.1布儒斯特角自然光

部分偏振光5.2由反射和折射獲得偏振光、布儒斯特定律rp=0即反射光中無平行分量，成為平面偏振光。用i10表示i10—布儒斯特角當p分量——振動方向平行于入射面s分量——振動方向垂直于入射面反射光的偏振態(tài)n1n2i10i1'i2S分量P分量5.2.2由折射獲得偏振光實驗上很難以準確的布儒斯特角入射，使反射光成平面偏振光。激光器諧振腔

布儒斯特窗一般用玻璃堆，透射光成平面偏振光。自然光不以布儒斯特角入射：自然光反射和折射后成為部分偏振光·······n1n2i1i1'i2··SP5.2.3偏振現(xiàn)象的解釋書P.206例5-1自然光以入射角i投射到水面上，使發(fā)射光成為完全偏振光?，F(xiàn)有一塊玻璃浸于水中，如光從玻璃面反射也為完全偏振光，試求水面與玻璃面之間的夾角。解：5.3單軸晶體的雙折射

5.3.1尋常光和非尋常光2.尋常(o)光和非尋常(e)光自然光入射到各向異性介質中，折射光分成兩束的現(xiàn)象。1.雙折射現(xiàn)象in1n2rore各向異性介質自然光oeo

o光折射線在入射面內。{e

e

光折射線也不一定在入射面內。{遵從折射定律一般不遵從折射定律···

方解石oee

o···以入射方向為軸旋轉方解石方解石偏振片雙折射的兩束光振動方向相互垂直

演示象折射現(xiàn)雙折射現(xiàn)雙折射會映射出雙像：方解石晶體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光光紙面

o光的像e光的像當方解石晶體旋轉時o光的像不動e光的像圍繞o光的像旋轉方解石晶體{5.3.2光軸

特定的方向，晶體中光沿這個方向傳播時，不發(fā)生雙折射現(xiàn)象。方解石晶體（冰洲石）：定義沿光軸方向傳播

n()=no沿垂直于光軸方向傳播

n()=ne{AB102°78°光軸由鈍隅引出的與三個棱邊成等角的方向就是光軸。n()為e光的折射率單軸晶體：方解石、石英雙軸晶體：云毋、硫磺、黃玉{5.3.3主截面晶體光軸與晶體表面法線構成的平面叫主截面光軸法線經過每一點有三個主截面注意與課本定義的差別P.207AB102°78°光軸主截面o光光軸o光主平面····e光光軸o光的振動方向垂直于o光的主平面e光的振動方向平行于e光的主平面一般，

o光與e光的振動方向不垂直。主平面由光軸和光線構成的平面叫主平面o光主平面e光主平面e光主平面如果光軸在入射面內

兩主平面重合

o光與e光的振動方向相互垂直。注：若兩截面夾角很小，常常將o光與e光的振動方向

看作近似垂直。5.3.4o光與e光的相對光強a.自然光入射光軸·····

e方解石·oI考慮垂直入射的特殊情況（光軸在入射面內）

特例:主截面b.線偏振光入射AeAoθ以入射光為軸旋轉晶體，主截面隨之轉動

θ改變θ

=0

，I0=0,Ie=Iθ

=90

，I0=I,Ie=0o光在晶體中的波面是球面。

e光在晶體中的波面是旋轉橢球面。xz

x

z單軸晶體，以光軸（z軸）旋轉對稱（如圖）在晶體中不同方向數(shù)值不同5.4用波面的概念解釋雙折射現(xiàn)象光軸n隨著振動方向變化光速發(fā)生變化光振動方向垂直z軸光振動方向沿z軸光振動方向沿其它方向，介于~之間主平面----由光線和光軸構成的平面o光----振動方向垂直于主截面不管往任何方向傳播，光振動方向垂直于光軸。波陣面為球面——e光----振動方向平行于主截面振動方向垂直于z,振動方向平行于z,波陣面為旋轉橢球面——傳播方向沿

z傳播方向沿zo光沿任何方向傳播速度相同。e光沿不同方向傳播速度不相同。正晶體負晶體ve<vove>vo石英方解石{5.4.2o光和e光的傳播方向a.

光軸在入射面內r0i····voΔtveΔtcΔtA····BDeore··光軸··b.光軸垂直于晶體表面，正入射c.光軸平行于晶體表面，正入射

ee······晶體··oo··········不發(fā)生雙折射光軸分不開相同傳播速度發(fā)生雙折射分不開不同傳播速度

光軸d.光軸垂直入射面，正入射··光軸

???··????

ooee發(fā)生雙折射同c

光軸

???oe??e.光軸垂直入射面，斜入射5.5偏振棱鏡波片1.尼科耳棱鏡??????no=1.658ne=1.486nb=1.550e2.渥拉斯頓棱鏡????加拿大樹膠???????eo

eo5.5.1偏振棱鏡??????

???????????eo

玻璃例：（1）（2）方解石(負晶體)no=1.658ne=1.486no=1.658ne=1.486nglass=1.5方解石?????eo5.5.2偏振片利用二向色性獲得偏振光二向色性指有些晶體對振動方向不同的電矢量具有選擇吸收的性質二向色性晶體（方解石）光軸電氣石垂直分量（吸收）水平分量柵絲偏振器5.5.3馬呂斯定律

P2A1P2

A2=A1cos

——馬呂斯定律(1809)

——

消光線偏振光IP1透振方向自然光

I0···例5-2假定在兩個靜止的、理想的、正交的起偏器之間有另一個理想的起偏器以角速度w旋轉，試證透射光的強度滿足下列關系式：★例5-3設一水晶棱鏡的頂角A為60度，光軸與棱鏡主截面垂直，鈉光以最小偏向角的方向在棱鏡中折射，用焦距為0.5m的透鏡聚焦，no=1.54425,ne=1.5536,試求o光和e光兩譜線的間隔為多少？5.6橢圓偏振光與圓偏振光圓偏振光——電矢量大小不變，末端在波面內描繪出一個圓。橢圓偏振——電矢量大小改變，末端在波面內描繪出一個橢圓。{迎著光線方向看順時針——右旋逆時針——左旋{5.6.1圓偏振光和橢圓偏振光的描述b.描述a.定義橢圓偏振光可通過兩列頻率相同，振動方向相互垂直，沿同一方向傳播的線偏振光疊加得到。振幅=0，=/2=其他值Ax

Ay橢圓偏振光Ax=Ay圓偏振光斜向橢圓偏振光{圓偏振光可通過兩頻率相同，振動方向相互垂直，且振幅相同，位相差(2k+1)/2,沿同一方向傳播的線偏振光疊加得到。討論線偏振光橢圓偏振光其中變化圓偏振光右旋圓偏振光左旋圓偏振光5.6.2波（晶）片d—波片厚度為nod——

o光在波片中的光程ned——

e光在波片中的光程=

（no-ne）d相位差：

主截面光程差：?波片?波片(半波片)波片——光軸平行于表面的單軸晶體，其o光和e光沿同一方向傳播。（發(fā)生雙折射）與光軸夾角為

的線偏振光經過半波片后，出射光振動方向偏轉2

。b.平面偏振光入射：o光、e光光強比:

sin2/cos2

相位差：erayoray

a.自然光入射：在任意兩個垂直方向的分量無固定位相差

o光和e光無固定位相差出