光學 第五章 光的偏振1

1、光 學,2014年12月,光 學,第一節(jié) 自然光和偏振光,根據(jù)電磁波理論，光是橫波，即振動的電矢量或磁矢量與波的傳播方向垂直。這樣就會出現(xiàn)振動矢量在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)有方向選擇的現(xiàn)象，這就是所謂光的“偏振性”。事實上，廣義光的偏振應該包括五種狀態(tài)：,（1）線偏振光,1、偏振光概述,（2）圓偏振光,（3）橢圓偏振光,（4）自然光,（5）部分偏振光,第一節(jié) 自然光和偏振光,（1）線偏振光,1、偏振光概述,任一點電場矢量末端的軌跡是同一方位的直線,光場中任一點電場振動方程為：,它在所選取的坐標系上的分量為,是光角頻率,（2）圓偏振光,第一節(jié) 自然光和偏振光,1、偏振光概述,任意一點電場振動方

2、程可以表示成所選取的坐標系上的分量,光場中任一點電場矢量末端的軌跡是圓,（3）橢圓偏振光,第一節(jié) 自然光和偏振光,1、偏振光概述,任意一點電場矢量的振動方程可以表示成所選取的坐標系上的分量,光場中任一點電場矢量末端的軌跡是橢圓,第一節(jié) 自然光和偏振光,1、偏振光概述,線偏振光、圓偏振光是橢圓偏振光的特殊情況。,規(guī)定：當迎著光的傳播方向觀察時，如果電場的電矢量末端描出的橢圓軌跡是沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，稱之為右旋偏振光，反之稱之為左旋橢圓偏振光,右旋偏振光,左旋偏振光,第一節(jié) 自然光和偏振光,1、偏振光概述,（4）自然光,光束中任一點包含了所有方向的橫向電矢量振動，對于光的傳播方向形成對稱分布。各個方

3、向的電矢量之間的相位是隨機的，即彼此間沒有固定的相位關(guān)聯(lián)。,第一節(jié) 自然光和偏振光,1、偏振光概述,（5）部分偏振光,光束中各點包含了所有方向的橫向電矢量振動，但對于光的傳播方向形成不對稱分布。同時，各個方向的電矢量之間的相位是隨機的，即彼此間沒有固定的相位關(guān)聯(lián)。,第一節(jié) 自然光和偏振光,1、偏振光概述,（1）偏振片的作用,產(chǎn)生偏振光起偏器,檢測偏振光檢偏器,（2）偏振片工作原理,以機械波為例,當橫波穿過柵狀物體時，如果物體結(jié)構(gòu)對波的震動方向沒有阻礙，波將通過，,第一節(jié) 自然光和偏振光,2、偏振片,有阻礙時，波的振幅被削弱。,光的偏振片工作原理：對某一方向的電矢量可以透過，與這一電矢量正交方向

4、的電矢量將被吸收或被偏轉(zhuǎn)。,偏振片中可以透過電矢量的方向稱做偏振片的光軸。,（3）偏振片的實現(xiàn),第一節(jié) 自然光和偏振光,2、偏振片,能夠形成這樣功能的材料有天然的和人工制造的。,（3）偏振片的實現(xiàn),第一節(jié) 自然光和偏振光,2、偏振片,天然材料主要有：,二向色性材料對于振動方向不同電矢量有選擇的吸收，例如電氣石,雙折射晶體振動方向不同電矢量在晶體中傳播方向不同，例如石英，方解石等,界面的反射和折射振動方向不同的電矢量反射率或透射率不同,能夠形成這樣功能的材料有天然的和人工制造的。,一種人造偏振片原理是，將聚氯乙烯薄膜沿一個方向拉伸，然后在碘的溶液中浸泡，干燥后就可以成為偏振片。,（3）偏振片的實

5、現(xiàn),第一節(jié) 自然光和偏振光,2、偏振片,拉伸,碘液浸泡,能夠形成這樣功能的材料有天然的和人工制造的。,一種人造偏振片原理是，將聚氯乙烯薄膜沿一個方向拉伸，然后在碘的溶液中浸泡，干燥后就可以成為偏振片。,（3）偏振片的實現(xiàn),第一節(jié) 自然光和偏振光,2、偏振片,形成碘鏈,光軸方向？,線偏振光：,設偏振方向與偏振片光軸方向夾角為 ，,出射光強為,偏振方向與偏振片光軸一致, 馬呂斯定律,入射光強為,出射光強隨著光軸的轉(zhuǎn)動而變化，最大光強為I0，最小光強為零，稱作消光,第一節(jié) 自然光和偏振光,3、五種偏振光入射到偏振片后出射光情況,設光的振動方程為,則出射的偏振光振動方程為,圓偏振光：,出射光強為,總的

6、振幅為：,加入偏振片后任一時刻透過的振幅為,入射光的振幅可以表示為,當圓偏振光入射到偏振片上時，隨著偏振片旋轉(zhuǎn)，出射光的光強不發(fā)生變化,總的光強為：,第一節(jié) 自然光和偏振光,3、五種偏振光入射到偏振片后出射光情況,當橢圓偏振光入射到偏振片上時，隨著偏振片旋轉(zhuǎn)，出射光的光強將發(fā)周期性的大小變化，當偏振片光軸方向和橢圓長軸方向一致時，出射光強最大，當光軸方向和橢圓短軸方向一致時，出射光光強最小。,對于部分偏振光，定義偏振度的概念：,第一節(jié) 自然光和偏振光,橢圓偏振光：,是透過偏振片最大光強,是透過偏振片最小光強,部分偏振光：,當部分偏振光入射到偏振片上時，隨著偏振片旋轉(zhuǎn)，出射光的光強將發(fā)周期性的大

7、小變化，但無消光位置。,3、五種偏振光入射到偏振片后出射光情況,當自然光入射到偏振片上時，隨著偏振片旋轉(zhuǎn)，出射光的光強不發(fā)生變化，與圓偏振光相似。,第一節(jié) 自然光和偏振光,自然光：,可以將自然光中所有的電矢量向正交的XY方向投影：,X和Y方向總的電場Ex和Ey為多少？,各個方向的電矢量不相干，所以電場不能相加，但可以將其光強進行疊加,3、五種偏振光入射到偏振片后出射光情況,設入射到偏振片的自然光光強為 I0，則：,第一節(jié) 自然光和偏振光,自然光：,從偏振片出射的光強：,等價電場分量：,從偏振片出射的電場振幅：,3、五種偏振光入射到偏振片后出射光情況,1、菲涅耳反射、折射公式,第二節(jié) 光的反射和

8、折射偏振態(tài),p 分量振幅反射率,p 分量振幅透射率,s 分量振幅反射率,s 分量振幅透射率,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),1、菲涅耳反射、折射公式,斯托克斯公式,電場能量比關(guān)系,光強透射率,光強反射率,能流透射率,能流反射率,能量守恒,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),1、菲涅耳反射、折射公式,從空氣入射到玻璃,-1,以上公式規(guī)律可以用函數(shù)曲線直觀的反映出來，例如玻璃和空氣界面的反射,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),1、菲涅耳反射、折射公式,從玻璃入射到空氣,r,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),1、菲涅耳反射、折射公式,光強反射率與入射角的關(guān)系,1,1,0,90,從光疏介質(zhì)入射到光密介質(zhì),從光密介質(zhì)入

9、射到光疏介質(zhì),第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),1、菲涅耳反射、折射公式,qB,qC,從光疏介質(zhì)入射到光密介質(zhì),p,qB,90,反射光相位與入射角的關(guān)系,從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì),第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),1、菲涅耳反射、折射公式,2、反射光偏振態(tài)的變化,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),反射光的菲涅耳公式：,是入射光的兩個正交分量,是反射光的兩個正交分量,可以證明反射光兩個正交分量振幅比：,當,反射光中僅剩垂直入射面電場分量，反射光為線偏振光。,此時,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),當,當,兩種情況都表明：,2、反射光偏振態(tài)的變化,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),反射光正交分量的比例小于入射光正交分

10、量的比例,如果入射光是自然光，,反射光是部分相干光,2、反射光偏振態(tài)的變化,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),如果入射光是線偏振光:,當,當,從光疏介質(zhì)入射到光密介質(zhì),2、反射光偏振態(tài)的變化,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),如果入射光是線偏振光:,當,當,從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì),2、反射光偏振態(tài)的變化,第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),如果入射光是圓偏振光:,出射光一般為橢圓偏振光,如果入射光是橢圓偏振光:,出射光一般為橢圓偏振光,3、透射光偏振態(tài)的變化,根據(jù)界面折射反射時的能量守恒定律,并結(jié)合反射偏振變化情況，可以分析出透射光的偏振變換,和斯托克斯公式,2、反射光偏振態(tài)的變化,1）P分量和S分量不一致、反射時的躍變，將會改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài),2）自然光入射時，反射光和折射光一般是部分偏振光,3）入射光是圓偏振光時，反射光和折射光一般是橢圓偏振光,4）入射光是線偏振光時，反射光和折射光一般仍然是線偏振光，但偏振方向可能發(fā)生改變,5）全反射時，如果入射的是線偏振光，反射光一般是橢圓偏振光,6）無論什么偏振光入射，當以布儒斯特角入射時，反射光都為線偏振光，偏振態(tài)垂直與入射面,4、反射和折射時偏振態(tài)的變化總結(jié),第二節(jié) 光的反射和折射偏振態(tài),當光以布儒斯特角入射