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武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振Chapter 19 Chapter 19 polarization of light polarization of light武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振natural light and polarized light 武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振Ev0H光矢量光矢量振动面振动面偏振面偏振面 若光矢量保持在一定平面内振动，称此平面为光矢量若光矢量保持在一定平面内振动，称此平面为光矢量 1 自然光和偏振光自然光和偏振光面内振动称这种光线为面内振动称这种光线为线偏振光线偏振光或或平面偏振光平面偏振光。的的振动面振动面，称这种振动状态为，称这种振动状态为面偏振态。面偏振态。都在一个平都在一个平1、自然光和偏振光、自然光和偏振光武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振机械横波与纵波的区别机械横波与纵波的区别机械横波与纵波的区别机械横波与纵波的区别 武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振在横波的情况下，振动面与其他包含在横波的情况下，振动面与其他包含波的传播方向但不包含振动矢量在内波的传播方向但不包含振动矢量在内的任何平面波都是不相同的，这显示的任何平面波都是不相同的，这显示出波的振动方向对传播方向的不对称出波的振动方向对传播方向的不对称性。这种振动方向对于传播方向的不性。这种振动方向对于传播方向的不对称性叫做对称性叫做偏振偏振。对于纵波，波的振。对于纵波，波的振动方向对传播方向无对称性的概念。动方向对传播方向无对称性的概念。武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振2、自然光：、自然光：各种振动面的光出现的机会相等各种振动面的光出现的机会相等,沿同一振动面的原子沿同一振动面的原子光波列的强度与振动面方向无关光波列的强度与振动面方向无关,称这种光为称这种光为自然光自然光。A、自然光可以分解为两束相互自然光可以分解为两束相互独立独立的、等振幅的、的、等振幅的、振动方向相互垂直的线偏振光，这两线偏振光的光振动方向相互垂直的线偏振光，这两线偏振光的光强等于自然光光强的一半。强等于自然光光强的一半。B、自然光的表示法自然光的表示法：.武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振3、部分偏振光：、部分偏振光：如果将自然光中的两个垂直分量中的其中一个如果将自然光中的两个垂直分量中的其中一个分量部分地削弱，所得的光线称为分量部分地削弱，所得的光线称为部分偏振光。部分偏振光。部分偏振光表示法：部分偏振光表示法：.武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振4、线偏振光的表示法：、线偏振光的表示法：.光矢量在屏平面内光矢量在屏平面内光矢量与屏平面垂直光矢量与屏平面垂直光矢量与屏平面斜交光矢量与屏平面斜交 武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振5、圆偏振光和椭圆偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光这两种光的特点是在垂直于光的传播方向的平面这两种光的特点是在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定频率旋转（左旋或右旋）。内，光矢量按一定频率旋转（左旋或右旋）。A、圆偏振光：如果光矢量端点轨迹是一个圆，圆偏振光：如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光。这种光叫圆偏振光。B、椭圆偏振光：如果光矢量端点轨迹是一个椭圆偏振光：如果光矢量端点轨迹是一个椭圆，这种光叫椭圆偏振光。椭圆，这种光叫椭圆偏振光。武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振 偏振片偏振片偏振片偏振片：有些薄膜材料能吸有些薄膜材料能吸收某一方向的光振收某一方向的光振动，而只让与这个动，而只让与这个方向垂直的光振动方向垂直的光振动通过，这个方向称通过，这个方向称为为偏振化方向偏振化方向。偏偏振振化化方方向向自自然然光光振振线线偏偏光光偏振片偏振片2 起偏与检偏起偏与检偏 马吕斯定律马吕斯定律 一、起偏与检偏一、起偏与检偏称这些薄膜为称这些薄膜为偏振片偏振片。武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振 自然光通过偏振片后变为线偏振光，称为自然光通过偏振片后变为线偏振光，称为起偏起偏起偏起偏。偏偏振振化化方方向向自自然然光光振振线线偏偏光光偏振片偏振片 偏振片又可用来检验光线的偏振化程度，称为偏振片又可用来检验光线的偏振化程度，称为检偏检偏检偏检偏。武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光两偏振片的偏振化方向相互垂直两偏振片的偏振化方向相互垂直 光强为零光强为零偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振.检偏器检偏器自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光自然光武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振.检偏器检偏器自然光自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振.检偏器检偏器自然光自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振.检偏器检偏器自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光自然光武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振.检偏器检偏器自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光自然光武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振.检偏器检偏器自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光自然光武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振.注意：注意：自然光通过一个偏振片光强即变为原自然光通过一个偏振片光强即变为原 来光强的一半来光强的一半检偏器检偏器自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光自然光武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振检偏器偏检偏器偏振化方向振化方向.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光AIA00II0I=AA022马吕斯定律马吕斯定律 二、马吕斯定律二、马吕斯定律=cosA02A022aAA0acosAA0=a检偏器前偏振光振动方向与检偏器检偏器前偏振光振动方向与检偏器aI0I=cos2a偏振化方向之间的夹角偏振化方向之间的夹角武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振讨论：讨论：I0=I0=I 2.此定律只适用于没有光吸收的理想偏此定律只适用于没有光吸收的理想偏马吕斯定律马吕斯定律I0I=cos2a=0，当当a，2=a1.当当振片。振片。武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振n1n2 .r以任意角度入射以任意角度入射1 1、以任意角度入射时、以任意角度入射时,反射光和折射光都为部反射光和折射光都为部分偏振光。分偏振光。实验和理论都表明：实验和理论都表明：反射光中垂直于入反射光中垂直于入射面振动的光的强度射面振动的光的强度比较大，折射光中在比较大，折射光中在入射面内振动的光的入射面内振动的光的强度比较大。强度比较大。3 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振i武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振 2 2、以布儒斯特角入射、以布儒斯特角入射时，时，反射光为线偏振光，折反射光为线偏振光，折射光为部分偏振光。射光为部分偏振光。并且：并且：.i0i0n1n2900r以布儒斯特角入射以布儒斯特角入射90r0+=i0nsinisinr1n20=n21sinisinr0=sinisin0()90i00tg i=0tg i0n1n2=n21由折射定律：由折射定律：布儒斯特定律布儒斯特定律武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振A A、自然光以布儒斯特角入自然光以布儒斯特角入射时，射时，反射光为线偏振光，反射光为线偏振光，折射光为部分偏振光。如图折射光为部分偏振光。如图注意：注意：i0in1n290rB、线偏振光线偏振光以布儒斯特以布儒斯特角角入射时要注意，事实上入射时要注意，事实上反射光只能反射偏振化方反射光只能反射偏振化方向与入射面垂直的那部分向与入射面垂直的那部分偏振光。偏振光。C、反射光的光强只占反射光的光强只占入射光强很小一部分。入射光强很小一部分。0.iin1n90r.200武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振利用玻璃堆获得偏振光利用玻璃堆获得偏振光.线偏振光线偏振光自然光自然光 入射入射武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振一、实验发现一、实验发现 18091809年，法国人马吕斯年，法国人马吕斯(Malus)(Malus)在寻求双折射现象在寻求双折射现象的数学理论时，深深地被方解石晶体奇妙的双折射性质的数学理论时，深深地被方解石晶体奇妙的双折射性质所吸引。传说所吸引。传说18091809年的一天傍晚，他站在家中的窗户旁年的一天傍晚，他站在家中的窗户旁研究方解石晶体，当时夕阳西照，阳光从离他家不远的研究方解石晶体，当时夕阳西照，阳光从离他家不远的巴黎卢森堡宫的窗户玻璃上反射到他这里。当他观察反巴黎卢森堡宫的窗户玻璃上反射到他这里。当他观察反射光透过他手中的方解石晶体成象时偶然发现，方解石射光透过他手中的方解石晶体成象时偶然发现，方解石转到某一位置时，原本出现的两条双折射光线中有一条转到某一位置时，原本出现的两条双折射光线中有一条意外的消失了。这一奇怪现象立即引起了他的注意。由意外的消失了。这一奇怪现象立即引起了他的注意。由此，马吕斯想到玻璃反射时光被偏振化了。此，马吕斯想到玻璃反射时光被偏振化了。18121812年，布儒斯特年，布儒斯特(Brewster)(Brewster)通过实验定量给出了通过实验定量给出了反射光偏振的规律。反射光偏振的规律。4 光的双折射光的双折射武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振象象折射现折射现双双折射现折射现o光光e光光方解石晶体方解石晶体CaCO3纸面纸面二、双折射现象二、双折射现象武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振寻常光线（寻常光线（o光）光）(ordinary rays)(extraordinray rays)非常光线（非常光线（e光）光）服从折射定律的光线服从折射定律的光线不服从折射定律的光线不服从折射定律的光线.eo.oeACDB三、寻常光与非常光三、寻常光与非常光武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振不服从折射定律指的是：不服从折射定律指的是：1.折射光线一般不在入射面内；折射光线一般不在入射面内；2.入射角的正弦与折射角正弦之比不是入射角的正弦与折射角正弦之比不是常量，即折射率和入射光线的方向有关。常量，即折射率和入射光线的方向有关。武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振780102078078010201020光轴光轴光轴光轴：在方解石这类晶体中存在：在方解石这类晶体中存在一个特殊的一个特殊的方向方向，当光线沿这一，当光线沿这一方向传播时不发生双折射现象。方向传播时不发生双折射现象。称这一方向为晶体的光轴。称这一方向为晶体的光轴。单轴晶体单轴晶体：只有一个光轴（方解石、石英）：只有一个光轴（方解石、石英）双轴晶体双轴晶体：有两个光轴（云母、硫磺）：有两个光轴（云母、硫磺）主截面主截面：自然晶面法线自然晶面法线与与光轴光轴所组成的平面所组成的平面。主平面主平面：某一光线某一光线与与光轴光轴所组成的平面所组成的平面 三、光轴、主平面三、光轴、主平面注意：光轴仅是指晶体中的某一方向，并非某一具体注意：光轴仅是指晶体中的某一方向，并非某一具体直线。因此，所有平行此方向的直线均可代表光轴。直线。因此，所有平行此方向的直线均可代表光轴。武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振方 解 石 o光和e光都是完全偏振光，其光振动方向与晶体结构和光入射条件有关。先定义两种平面：晶体的主截面晶体的主截面含光轴并与某晶面正交的平面。对于某一晶面，主截面是一系列互相平行的平面，它们既包含光轴方向，又与该晶面正交（含该晶面的法线方向）109oo71方解石主截面的晶面交线都是平行四边形，边长随截面位置各异，但内角有共同特点109oo71某晶面法线方向 光轴方向武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振任意方向入射 一般情况下这两个主平面不严格重合主平面主平面折射光线的主平面折射光线的主平面含光轴和晶体内某一折射线的平面。武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振若在晶体的主截面内入射主平面主平面晶体主截面三者共面三者共面即都在主截面和入射面内和主要讨论这种最基本的入射情况折射光线的主平面折射光线的主平面含光轴和晶体内某一折射线的平面。武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振 一般来说，一般来说，o光主平面和光主平面和 e光主平面并不光主平面并不重合。重合。当入射光线在主截面内时，当入射光线在主截面内时，o光、光、e 光光以及它们的主平面都在主截面内。此时，以及它们的主平面都在主截面内。此时，两两光的振动方向相互垂直。光的振动方向相互垂直。o光光垂直于垂直于主截面振动，主截面振动，e光在光在主截面内主截面内振动。振动。o光及光及e光光都为线偏振光。都为线偏振光。.光光光光面面面面主主主主光光光光面面面面主主主主平平平平平平平平光轴方向光轴方向eo光光光光e光光光光o武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振正晶体正晶体负晶体负晶体光轴光轴vevovevononenonevevo*光轴光轴vove*产生双折射现象的根本原因是晶体光学产生双折射现象的根本原因是晶体光学 四、惠更斯原理在对双折射现象中的应用四、惠更斯原理在对双折射现象中的应用波面波面e波面波面o性质的各向异性。性质的各向异性。武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振ACDE.eoF.eo光轴光轴i1.平平面面波波倾倾斜斜入入射射方方解解石石晶晶体体用惠更斯原理解释双折射现象武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振ACDFE.eoeo光轴光轴B 2.平面波垂直入射方解石晶体平面波垂直入射方解石晶体武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振ACD.eoeo光轴光轴B.3.平面波垂直入射方解石晶体平面波垂直入射方解石晶体 光轴平行于晶面光轴平行于晶面没没有有发发生生双双折折射射武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振3.平面波垂直入射方解石晶体平面波垂直入射方解石晶体 光轴平行于晶面光轴平行于晶面ACD.eoeo光轴光轴B.发发生生双双折折射射武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振ACDE.oeF.oe光轴光轴i.3.光轴垂直于晶面光轴垂直于晶面武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振五、渥拉斯顿棱镜五、渥拉斯顿棱镜 它由同一材料但光轴相互垂直的两块三棱镜胶它由同一材料但光轴相互垂直的两块三棱镜胶合而成。在合而成。在ABCABC截面内，尽管截面内，尽管o o光和光和e e光传播方向相同，光传播方向相同，但速度不同。到但速度不同。到ACAC界面，原界面，原o o光变为光变为e e光光(振动平行光轴振动平行光轴)，n ne ennno o(光疏到光密光疏到光密),),所以折射角较小。所以折射角较小。到到ADCADC截面内，截面内，o o光和光和e e光便分开了，张角为光便分开了，张角为 ，最后最后折射到空气再进一步分开。折射到空气再进一步分开。eOABDCOe武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振o光发生全反射光发生全反射n加加=1.55n=e1.516 n=1.6584onon加.900oe220680oeAMCN自然光自然光加拿大树胶加拿大树胶光光轴轴n=e1.48641.6584=770临界角，临界角，且且 六、尼科耳棱镜六、尼科耳棱镜n加ne因为因为e光不会发生全反射光不会发生全反射所以所以武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振尼可耳棱镜可以用作起偏器与检偏器。尼可耳棱镜可以用作起偏器与检偏器。.七、应用七、应用A、汽车车灯与车玻璃前都装上与水平方汽车车灯与车玻璃前都装上与水平方向成向成45角的偏振片，可避免对方车晃眼。角的偏振片，可避免对方车晃眼。B、立体电影，滤光镜等。立体电影，滤光镜等。武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振5 偏振光干涉偏振光干涉AoeAAAoeA.d主截面主截面偏振片偏振片M偏振片偏振片N 单色单色自然光自然光波片波片光轴光轴 一对一对相干光相干光偏振化方向偏振化方向a武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振=nd()noe通过波片后两光的光程差为：通过波片后两光的光程差为：经过这样厚度的晶片，非常光和寻常光的光程差为经过这样厚度的晶片，非常光和寻常光的光程差为/4d晶片厚度晶片厚度则：则：nd()noe=4l称为称为四分之一波片四分之一波片。这时。这时o光与光与e光的相位差为光的相位差为/2，若：若：=nd()noe=4l=2武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振P光轴光轴AeAoAo=AsinAe=Acos一般情况下一般情况下o光与光与e光通过这种晶片后叠加形成光通过这种晶片后叠加形成椭圆偏振光。如果椭圆偏振光。如果=/4则则 =，通过晶，通过晶片后形成圆偏振光。值得注意的是片后形成圆偏振光。值得注意的是1/4波片是波片是针对特定波长的入射光而言。针对特定波长的入射光而言。AoAe武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振同样，调整厚度可以制成二分之一波片。线偏振光同样，调整厚度可以制成二分之一波片。线偏振光分之一波片可以使偏振光的振动面旋转分之一波片可以使偏振光的振动面旋转/2.通过通过1/2波片之后仍为线偏振光，如果波片之后仍为线偏振光，如果=/4使用二使用二椭圆偏振光椭圆偏振光波片波片线线偏振光偏振光部分偏振光部分偏振光波片波片部分偏振光部分偏振光可据此区可据此区分此二光分此二光圆圆偏振光偏振光波片波片线线偏振光偏振光自然光自然光波片波片自然光自然光可据此区分此二光可据此区分此二光波片波片光轴与椭圆偏振光轴与椭圆偏振光的长或短轴平行光的长或短轴平行武汉工程大学 大学物理 第十九章第十九章 光的偏振光的偏振