最新大学物理第6章-光的偏振ppt课件.ppt

OzAOzA光的偏振性是判断光波是横波还是纵波的重要依据。光的偏振性是判断光波是横波还是纵波的重要依据。纵波的光矢量纵波的光矢量E在垂直在垂直于传播方向的平面于传播方向的平面A内内的分布是均匀的。的分布是均匀的。横波的光矢量横波的光矢量E在垂直于在垂直于传播方向的平面传播方向的平面A内的分内的分布是不均匀的布是不均匀的, 称为光的称为光的偏振。偏振。(1)P12I0P2自然光自然光I0E E/0E2.马吕斯定律马吕斯定律(Malus Law)通过检偏器的光振动振幅通过检偏器的光振动振幅: cos0EE 22020cosEEII 20cosII 马吕斯定律马吕斯定律(8)讨论讨论:021,/, 0IIPP 透射光最强透射光最强0,9021IPP 无光透出无光透出(消光消光)例例19: 起偏器和检偏器起偏器和检偏器,在它们的偏振化方向成在它们的偏振化方向成 1=30 时时, 观测一束单色自然光。又在观测一束单色自然光。又在 2= 60 时时, 观测另观测另一束单色自然光一束单色自然光, 设两次所得的透射光强度相等设两次所得的透射光强度相等,求求: 两光束强度之比。两光束强度之比。1I2I2/1I2/2I解解:(9)1211cos2 II 按题意按题意 I1=I2于是于是222121cos2cos2 II 3130cos60coscoscos22122221 II起偏器起偏器检偏器检偏器检偏器检偏器起偏器起偏器2222cos2 II 6.9.3 反射和折射起偏反射和折射起偏 布儒斯特定律布儒斯特定律 (Polarizing of reflection and refraction, Brewsters law)1.反射起偏反射起偏(Polarizing of reflection)入射平面入射平面: 入射线与介质面法线组成的平面。入射线与介质面法线组成的平面。入射自然光入射自然光:垂直振动垂直振动平行振动平行振动反射光中反射光中: 垂直振动垂直振动多于平行振动。多于平行振动。折射光中折射光中: 平行振动多于垂直振动。平行振动多于垂直振动。(10)n2n1ri120tannni 使之满足使之满足:1)反射光为线偏振光反射光为线偏振光, 只有垂直振动只有垂直振动; ; i0为起偏角为起偏角(布儒斯特角布儒斯特角)2)折射光为部分偏振光折射光为部分偏振光, 全部的平行振动和部分的垂直振动全部的平行振动和部分的垂直振动;(11)2.布儒斯特定律布儒斯特定律(Brewsters law)当入射角当入射角i = i0 时时n2n13)反射光线与折射光线互相垂直。反射光线与折射光线互相垂直。0i0r9000ri3.折射起偏的方法折射起偏的方法(method of polarizing of refraction)i0(接近线偏振光接近线偏振光) 玻璃片堆玻璃片堆(12)双折射现象双折射现象: 一束光线通过折射后分为两束的现象一束光线通过折射后分为两束的现象6.9.4 双折射起偏双折射起偏(polarizing of double refraction of light)1.双折射现象双折射现象o光光e光光双折射双折射方解石方解石(13)自然光自然光双折射双折射双折射双折射寻常光寻常光: 折射光线遵守折射定律折射光线遵守折射定律, 折射率为常数折射率为常数, 其折射光线总在入射面内其折射光线总在入射面内, 简称简称 o 光。光。非常光非常光: 折射光线不遵守折射定律折射光线不遵守折射定律, 折射率不为常数折射率不为常数, 其折射线不一定在入射面内其折射线不一定在入射面内, 简称简称 e 光。光。3.光轴光轴(optical axis) 主截面主截面(principal section)光轴光轴: : 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生 双折射双折射, , 该方向称为晶体的光轴。例如该方向称为晶体的光轴。例如方解石方解石 的光轴方向如图的光轴方向如图光轴光轴单轴晶体单轴晶体: : 只有一个光轴的晶体只有一个光轴的晶体 ( (如方解石、如方解石、石英等石英等) ) 双轴晶体双轴晶体: : 有两个光轴的晶体有两个光轴的晶体 ( (如云母、如云母、硫磺等硫磺等) )(14)AB102782.寻常光和非常光寻常光和非常光(ordinary and extraordinary light) 主截面主截面: : 晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面e光光光轴光轴e光的光的主截面主截面o光光光轴光轴o光的光的主截面主截面实验表明实验表明: 1)o光和光和e光都是线偏振光光都是线偏振光, 但光矢量的振动但光矢量的振动方向不同方向不同, o光的振动方向垂直于自己的主截面光的振动方向垂直于自己的主截面, 而而e光光的振动平行于自己的主截面。的振动平行于自己的主截面。 2)当光轴在入射面内时当光轴在入射面内时, o光与光与e光的主截面相重合光的主截面相重合, o光与光与e光的振动方向相互垂直。光的振动方向相互垂直。在一般情况下在一般情况下, o光与光与e光的振动方向并不完全垂直。光的振动方向并不完全垂直。 3)o光永远在光永远在入射面内入射面内, 而而e光不一定光不一定, 只有只有光轴平行光轴平行于入射面时于入射面时, o光和光和e光都在入射面内光都在入射面内。(15)o光光e光光主截面主截面光轴在入光轴在入射面内射面内入射面入射面光轴光轴光轴光轴正晶体正晶体(vo ve)负晶体负晶体(vo ve )o光光e光光vo tve tve tvo t(16)4.光在单轴晶体中的波面光在单轴晶体中的波面vo tve t光轴光轴 子波源子波源子波源子波源vo tve t光轴光轴 5.光在单轴晶体中的光在单轴晶体中的传播方向传播方向以方解石为例以方解石为例, 用作图法用作图法(惠更斯原理惠更斯原理)确定确定o光和光和e光在晶体内的传播方向光在晶体内的传播方向1)光轴平行晶体表面光轴平行晶体表面, 且在入射面内且在入射面内,自然光入射自然光入射光轴光轴(17)eeooeeeoootcoooo:,vcntvntc 得得由由光光程程相相等等eeee:,vcntvntc 得得同同理理光轴光轴tv otv e 2)光轴与晶体表面斜交光轴与晶体表面斜交, 且在入射面内且在入射面内,自然光入射自然光入射(18)光轴光轴oooeee光轴光轴ooee3)光轴平行晶体表面光轴平行晶体表面,且垂直于入射面且垂直于入射面,自然光入射自然光入射ooosinsinnvcri eeesinsinnvcri (19) 光轴光轴eove tvo ttc ieeooo光主折射率光主折射率e光主折射率光主折射率 光轴光轴rore4)光轴垂直于晶体表面光轴垂直于晶体表面, 且在入射面内且在入射面内,自然光入射自然光入射(20)光轴光轴eoeo无双折射现象无双折射现象1)尼科耳棱镜尼科耳棱镜(Nicol prism)双折射的应用双折射的应用:1)获得线偏光获得线偏光, 2)改变入射光的偏振态改变入射光的偏振态6.9.5 偏振棱镜偏振棱镜 波片波片(polarized prism and wave plat)1.偏振棱镜偏振棱镜起偏起偏优点优点: 对可见光透明度高对可见光透明度高, 能得到较完善的线偏光能得到较完善的线偏光缺点缺点: 入射光束与出射光束不在一条线上入射光束与出射光束不在一条线上(21)光轴光轴 BADC o光光e光光e光光e光光 黑色涂层黑色涂层68 71 68 90 自然光自然光加拿大树胶加拿大树胶 ABCD 光轴光轴光轴光轴oe2)渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜(Wollaston prism)(sinsineoeoennnnir 远离远离BD面的法线传播面的法线传播, 同理同理e光从光从ABD进入进入BCD中中将变为将变为o光光, 靠近靠近BD面的法线传播。面的法线传播。i 自然光垂直入射自然光垂直入射AB, 在在ABD中中, o光光e光重合光重合,由于由于ABD中的光轴与中的光轴与BCD中的光轴相互垂直中的光轴相互垂直,o光从光从ABD进入进入BCD中将变为中将变为e光光(22)1 2 eoer (23)2.波片波片(wave plate)2cos(eeedtAE )2cos(ooodtAE 出波片出波片C 时时, o光和光和e光的振动光的振动:AAoAe 光轴光轴P1偏振片偏振片P1 单色自然光单色自然光 波片波片Cdxy(光轴光轴)A AeAo光轴光轴 d e光光o光光dnn)(2eo sincos22eoeo2e2e2o2o AAEEAEAE所以所以则则其其它它值值2)12()12( ,2 kkk 合成为线偏振光合成为线偏振光合成为正椭圆偏振光合成为正椭圆偏振光合成为斜椭圆偏振光合成为斜椭圆偏振光45,2)12( k 合成为圆偏振光合成为圆偏振光(24)k=0, 1, 2, 1) 1/4波片波片 /2 dnneo 又又41) 12(eo4/1 nnkd41eomin nnd, 2 , 1 , 0k思考思考: (1)线偏光通过线偏光通过1/4波片后波片后, 出射光的偏振态和出射光的偏振态和 光强如何光强如何?(25)(正椭圆或圆偏光正椭圆或圆偏光, 光强不变光强不变)(2)自然光通过自然光通过1/4波片后波片后, 出射光的偏振态和出射光的偏振态和 光强如何光强如何?(自然光自然光, 光强不变光强不变)(3)正椭圆或圆偏光通过正椭圆或圆偏光通过1/4波片后波片后,又如何又如何?能使能使从从波片波片透透射射后后的两束线偏振光的两束线偏振光(o光和光和e光光)的相的相位差位差 = (2k+1) /2 ，这样的波片称为，这样的波片称为1/4波片。波片。2) 1/2波片波片(半波片半波片)思考思考: 右旋右旋偏振光通过半波片后偏振光通过半波片后, 旋向是否变化旋向是否变化?(26)光轴光轴xy线偏振光线偏振光垂直入射到垂直入射到半波片半波片上上,透透射光仍为线偏振光射光仍为线偏振光,但其但其光矢量光矢量向着光轴的向着光轴的方向旋转方向旋转2 角角,如如右右图图能使能使从从波片波片透透射射后后的两束线偏振光的两束线偏振光(o光和光和e光光)的的相相位差位差 (2k+1) ，这样的波片称为，这样的波片称为1/2波片。波片。 入入eA入入A入入oA2)(1) 12(eo2/1 nnkd,210k21eomin nnd 透透oA透透A透透eA3) 全波片全波片 kk,2 注意注意: 几分之几波片是对某一波长几分之几波片是对某一波长 而言的而言的例例:某波片对某波片对 为为1/4波片波片, 对对 /2则为则为1/2波片波片eonnkd ,2,1 ,0k(27)例例20: 如图如图, 1)P与与A处于消光处于消光, 插入插入1/2波片波片, 转动一转动一周周,问问有几次消光有几次消光, 为什么为什么?2) P与与A处于消光处于消光, 插入插入1/2波片波片(任意取向任意取向), 转动转动A一一周周, 问问有几次消光有几次消光, 为什么为什么?3) P与与A处于消光处于消光,插入插入1/2波片波片,旋转波片至消光旋转波片至消光; 顺时顺时转动转动P( 角角),欲重新达到消光欲重新达到消光,需转动需转动A(逆时逆时)多少多少?解解: 1) 四次消光四次消光P光轴光轴2)二次消光二次消光(28)2/ A光轴光轴设设 为为P与波片光轴方向与波片光轴方向间的夹角间的夹角当当 =0, /2, , 3 /2 时时,分别使分别使P后后的线偏光旋转的线偏光旋转2 =0, , 2 , 3 3)PAAA PA 波片后的振动方向波片后的振动方向(29)P光轴光轴2/ A光轴光轴波片光轴波片光轴A应逆时旋转应逆时旋转 0I0I20I 20cos2I 20cos2I圆偏光圆偏光(30)例例21: 有两个圆偏振器有两个圆偏振器, 偏振片用偏振片用P1和和P2 表示表示, 波片波片用用N1和和N2 表示表示, 按按N1 - P1 - P2 - N2 顺序排列顺序排列, P1和和P2 偏振化方向间的夹角偏振化方向间的夹角 , 以光强为以光强为I0 的自然光垂直入的自然光垂直入射到上述偏振系统射到上述偏振系统, 求求透射光的偏振态和光强透射光的偏振态和光强?解解:由圆偏振器由圆偏振器,可知可知P1与与N1, P2与与N2之间夹角为之间夹角为45 例例22: 用旋转的检偏镜对某一单色光进行检偏用旋转的检偏镜对某一单色光进行检偏, 在旋在旋转一圈的过程中转一圈的过程中, 发现从检偏镜出射的光强并无变发现从检偏镜出射的光强并无变化化. 先让这一束光通过一块先让这一束光通过一块1/4波片波片, 再通过旋转的检再通过旋转的检偏镜检偏偏镜检偏, 则测得最大出射光强是最小出射光强的则测得最大出射光强是最小出射光强的2倍倍. 求求入射的是什么偏振态的光入射的是什么偏振态的光, 其中自然光光强占其中自然光光强占总光强的百分之几总光强的百分之几?解解:光强无变化光强无变化,自然光自然光,圆偏光圆偏光,两者混合两者混合光强无消光光强无消光,非圆偏光非圆偏光;光强有变化光强有变化,非自然光非自然光;结论结论: 两者混合两者混合(31)设入射总光强为设入射总光强为1, 其中自然光强为其中自然光强为x , 则圆偏光强为则圆偏光强为(1-x)xI 自自xI1园园xI 自自xI1线线2/xI自自)1(maxxI线线)02(2)1(2xxx%7 .662/3x0min线线I(32)(33)光的偏振教学要求光的偏振教学要求1.熟练掌握光的五种形态熟练掌握光的五种形态(自然光、线偏振光、部分自然光、线偏振光、部分 偏振光、椭圆和圆偏振光偏振光、椭圆和圆偏振光)。2.理解光的起偏和检偏理解光的起偏和检偏,掌握马吕斯定律及应掌握马吕斯定律及应 用。用。3.理解光在反射、折射时偏振态的变化理解光在反射、折射时偏振态的变化, 掌握布儒斯掌握布儒斯 特定律。特定律。4.理解单轴晶体的双折射理解单轴晶体的双折射, 学会用惠更斯作图法确定学会用惠更斯作图法确定 双折射方向双折射方向; 熟练掌握熟练掌握1/4波片和波片和1/2波片的特性。波片的特性。自 然 光自 然 光起 偏 与 检 偏起 偏 与 检 偏偏 振 光偏 振 光获得偏振获得偏振光的方法光的方法偏振片偏振片折 射 起 偏折 射 起 偏反 射 起 偏反 射 起 偏双折射双折射晶 体 二 向 色 性晶 体 二 向 色 性马 吕 斯 定 律马 吕 斯 定 律 20cosII 布 儒 斯 特 定 律布 儒 斯 特 定 律120tannni 尼 科 尔 棱 镜尼 科 尔 棱 镜波片波片:1/4波片波片1/2波片波片完全偏振光完全偏振光部分偏振光部分偏振光自然光自然光线 偏 振 光线 偏 振 光圆 偏 振 光圆 偏 振 光椭 圆 偏 光椭 圆 偏 光几 种 偏 振 状 态几 种 偏 振 状 态