物理-第五章--光的偏振.ppt

5.1 光的偏振态光的偏振态光波中光矢量的振动方向总和光的传播方向相垂直光波中光矢量的振动方向总和光的传播方向相垂直 对横波：对横波：（光波）（光波）光是电磁波，是横波光是电磁波，是横波传播方向传播方向当光的传播方向确定时，我们只知道光矢量在垂直于光的传播方当光的传播方向确定时，我们只知道光矢量在垂直于光的传播方向的平面内，至于在这个平面内的哪个方向向的平面内，至于在这个平面内的哪个方向是不能完全确定的是不能完全确定的.通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态 称为称为光的偏振态光的偏振态第五章第五章 光的偏振光的偏振光波中光矢量的振动方向总和光的传播方向相垂直光波中光矢量的振动方向总和光的传播方向相垂直 对横波：对横波：（光波）（光波）传播方向传播方向因此，在研究除光的干涉和衍射外，作为因此，在研究除光的干涉和衍射外，作为横波的光，还必须研究其横波的光，还必须研究其振动方向的问题振动方向的问题 光的偏振问题光的偏振问题u只有横波才只有横波才具有偏振现象具有偏振现象u光光的的干干涉涉和和衍衍射射现现象象揭揭示示了了光光的的波波动动性性，但但不不能能确确定定光光是是横横波波还是纵波。还是纵波。光矢量可能有各种不同的振动方向，光矢量可能有各种不同的振动方向，通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态 称为称为光的偏振态光的偏振态对纵波对纵波：振动方向与传播方向一致，即振动只有一个方向。：振动方向与传播方向一致，即振动只有一个方向。光是电磁波，是横波光是电磁波，是横波具有偏振的特性具有偏振的特性通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态 称为称为光的偏振态光的偏振态光的分类：光的分类：常见的偏振态可分为以下三类：常见的偏振态可分为以下三类：非偏振光非偏振光、完全偏振光（偏振光）完全偏振光（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椭圆偏振光椭圆偏振光圆偏振光圆偏振光1,线偏振光线偏振光:又称为平面偏振光又称为平面偏振光E播播传传方方向向振振动动面面面对光的传播方向看面对光的传播方向看偏振方向偏振方向光矢量只沿一个固定的方向振动。光矢量只沿一个固定的方向振动。线偏光的振动面（振动方向与传播方向决定的平面）线偏光的振动面（振动方向与传播方向决定的平面）是固定不动的。是固定不动的。表示方法：表示方法：传播方向传播方向传播方向传播方向光振动平行于纸面的偏振光光振动平行于纸面的偏振光光振动垂直于纸面的偏振光光振动垂直于纸面的偏振光线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：EEyEx yx 还有个特点：还有个特点：2,2,自然光自然光（Natural LightNatural Light）（非偏振光）（非偏振光）:传播方向传播方向自自然然光光在在垂垂直直于于光光传传播播方方向向的的平平面面内内，沿沿各各个个方方向向振振动动的的光光矢矢量量都都有有，光光矢矢量量具具有有轴轴对对称称性性且且光光矢矢量量的的分分布布均均匀匀，各各个个方方向向光光振振动动振振幅幅都都相相等等，无固定相位差。无固定相位差。哪哪个个振振动动方方向向都没有优都没有优u 自然光可分解为两个垂直的、自然光可分解为两个垂直的、振幅相等的独立光振动。振幅相等的独立光振动。u 自然光两个分振动的光强相等，自然光两个分振动的光强相等，各占自然光光强的一半（各占自然光光强的一半（50%）自然光的分解自然光的分解自然光的表示法自然光的表示法：短短线线和和点点分分别别表表示示平平行行于于纸纸面面和和垂垂直直于于纸纸面面的的光光振振动动.点点和和短短线线交交替替均均匀匀画画出出，表表示示光光矢矢量量对对称称而均匀分布，注意二者无固定的相位关系而均匀分布，注意二者无固定的相位关系.平行于纸面和垂直纸面的分振动光强相等平行于纸面和垂直纸面的分振动光强相等.传播方向传播方向自然光的分解自然光的分解3.3.部分偏振光部分偏振光存在优势方向存在优势方向部分偏振光部分偏振光介于自然光和偏振光之间介于自然光和偏振光之间部部分分偏偏振振光的分解光的分解光矢量具有各个方向振动光矢量具有各个方向振动象自然光象自然光,光矢量在各方向振动振幅不等光矢量在各方向振动振幅不等偏振偏振特点：特点：各各个个方方向向振振动动的的光光矢矢量量都都有有；振振幅幅不不相相等等；光光矢矢量量不不具具有有轴对称性轴对称性部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干不相干（无固定位相关系）（无固定位相关系）的线偏振光的线偏振光。3.3.部分偏振光部分偏振光表示法：表示法：存在优势方向存在优势方向部分偏振光部分偏振光介于自然光和偏振光之间介于自然光和偏振光之间部部分分偏偏振振光的分解光的分解平行多余垂直分量平行多余垂直分量垂直于多余平行分量垂直于多余平行分量仰首看到仰首看到“天光天光”俯首看到俯首看到“湖光湖光”4,圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光 y yx z传播方向传播方向 /2xE 0特点：特点：光光矢矢量量只只沿沿一一个个固固定定的的方方向向振振动动的的同同时时，在在还还要要绕绕着着传传播播方方向向均均匀匀转转动动（光光矢量按一定频率旋转）。矢量按一定频率旋转）。如果光矢量端点轨迹是一个圆如果光矢量端点轨迹是一个圆圆偏振光圆偏振光如果光矢量端点轨迹是一个椭圆如果光矢量端点轨迹是一个椭圆椭圆偏振光椭圆偏振光根据相互垂直的简谐振动的合成规律根据相互垂直的简谐振动的合成规律这两个分振动具有确定的相位关系。这两个分振动具有确定的相位关系。=不同，椭圆形状、旋向也不同。不同，椭圆形状、旋向也不同。=3/2 =5/4 =7/4 =/2 =/4 =0yx =3/4（-3/4）（-/2）（-/4）复习复习圆圆、椭椭圆圆偏偏振振光光5.2 线偏振的获得与检验线偏振的获得与检验 1.1.起偏和检偏起偏和检偏在实验室内怎样产生偏振光？在实验室内怎样产生偏振光？又如何检验光的偏振态呢？现在常用的方法是利用偏振片。又如何检验光的偏振态呢？现在常用的方法是利用偏振片。起偏器起偏器:起偏起偏的光学器件的光学器件-偏振片偏振片 起偏：起偏：检检偏：偏：现在常用的起偏和检偏的器件是偏振片现在常用的起偏和检偏的器件是偏振片如何由自然光获得线偏振光？如何由自然光获得线偏振光？u从自然光获得偏振光从自然光获得偏振光的过程；的过程；u鉴别光的偏振状态鉴别光的偏振状态的过程；的过程；x yzz线栅起偏器线栅起偏器 入射入射电磁波电磁波非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光光轴光轴电气石晶片电气石晶片透振方向透振方向2.2.偏振片偏振片这种晶粒对某一方向的光矢量有强烈的吸收这种晶粒对某一方向的光矢量有强烈的吸收而相对垂直的方向的光矢量则吸收很少。而相对垂直的方向的光矢量则吸收很少。这就使得做成的偏振片基本上只允许振动面这就使得做成的偏振片基本上只允许振动面在在某某一一特特定定方方向向的的偏偏振振光光通通过过，这这一一方方向向称称为为偏偏振振化化方方向向(即光通过的方向即光通过的方向）是在透明基片上蒸度一层某种晶粒做成是在透明基片上蒸度一层某种晶粒做成.重要规律重要规律2 2、自然光通过偏振片光强衰减一半。、自然光通过偏振片光强衰减一半。1 1、自然光通过偏振片变为线偏振光；、自然光通过偏振片变为线偏振光；偏振片的偏振化方向（偏振片的偏振化方向（又称为又称为透偏振方向）透偏振方向）：偏振片：偏振片允许通过的光振动的方向允许通过的光振动的方向偏偏振振化化方方向向自然光自然光偏振片偏振片线偏振光线偏振光3.3.各种偏振态的光通过偏振片情况各种偏振态的光通过偏振片情况 自然光自然光 自然光通过偏振片为线偏光；自然光通过偏振片为线偏光；转动偏振片转动偏振片360光强不变化；光强不变化；线偏光线偏光 线偏光通过偏振片为线偏光；线偏光通过偏振片为线偏光；转动偏振片转动偏振片360光强有变化，光强有变化，有两次消光；有两次消光；偏振化方向偏振化方向3.3.各种偏振态的光通过偏振片情况各种偏振态的光通过偏振片情况 部分偏振光部分偏振光 转动偏振片转动偏振片360光强有变化；无消光光强有变化；无消光 圆偏振光圆偏振光 转动偏振片转动偏振片360光强不变化；光强不变化；椭圆偏振光椭圆偏振光 转动偏振片转动偏振片360光强有变化；无消光光强有变化；无消光4.4.马吕斯定律马吕斯定律 自然光自然光 线偏光线偏光马吕斯定律马吕斯定律（18091809）消光消光马吕斯定律马吕斯定律（18091809）例题例题1,在双缝干涉中用自然光在屏上形成干涉条在双缝干涉中用自然光在屏上形成干涉条纹纹,若在两缝后放一偏振片若在两缝后放一偏振片,则则:（）干涉条纹间距不变（）干涉条纹间距不变,明纹亮度加强明纹亮度加强（）干涉条纹间距不变（）干涉条纹间距不变,明纹亮度减弱明纹亮度减弱（）干涉条纹间距变窄（）干涉条纹间距变窄,明纹亮度减弱明纹亮度减弱（）无干涉条纹（）无干涉条纹B例例2.已知已知以角速度以角速度 转动转动自然光入射强度为自然光入射强度为求：出射光求：出射光?I=?Imax=何时何时解：解：5.3 反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振一反射光和折射光的偏振一反射光和折射光的偏振自自然然光光在在两两种种各各向向同同性性媒媒质质分分界界面面上上反射反射和和折射折射时，时，不不仅仅光光的的传传播播方方向向要要改改变变，而而且且偏偏振状态也要发生变化。振状态也要发生变化。一般情况下，反射光和折射光一般情况下，反射光和折射光不再是自然光，而是部分偏振光。不再是自然光，而是部分偏振光。反射光中反射光中垂直于垂直于入射面的光振动多于平行入射面的光振动；入射面的光振动多于平行入射面的光振动；折射光中折射光中平行于平行于入射面的光振动多于垂直入射面的光振动入射面的光振动多于垂直入射面的光振动理论和实验证明：理论和实验证明：反射光的偏振化程度和入射角反射光的偏振化程度和入射角 i 有关。有关。当入射角等于某一特定值当入射角等于某一特定值 i0 时，时，反射光反射光是光振动垂直入射面的是光振动垂直入射面的线偏光线偏光，这一特定角这一特定角 i0 称为起偏角或称为起偏角或布儒斯特角。布儒斯特角。当当i=i0 0 时时，i0 0 +r0 0=90=90有有布儒斯特定律布儒斯特定律 (1812(1812年年)二布儒斯特定律二布儒斯特定律实验中还发现实验中还发现应用应用：（）可测不透明媒质折射率（）可测不透明媒质折射率（）获得较强线偏振光。（）获得较强线偏振光。玻璃片堆玻璃片堆当自然光以起偏角入射时，反射光为线偏光，但光强很弱；当自然光以起偏角入射时，反射光为线偏光，但光强很弱；折射光仍为部分偏振光，但光强较强。折射光仍为部分偏振光，但光强较强。为了增强反射光的强度和折射光的偏振化程度，采用为了增强反射光的强度和折射光的偏振化程度，采用i0(接近线偏振光接近线偏振光)应用应用3 3：在拍摄玻璃窗内的物体时，在拍摄玻璃窗内的物体时，去掉反射光的干扰？去掉反射光的干扰？未装偏振片未装偏振片装偏振片装偏振片例题例题1：一束单色光自空气射向一块平板玻璃，：一束单色光自空气射向一块平板玻璃，设入射角等于布儒斯特角，则在界面的反射光设入射角等于布儒斯特角，则在界面的反射光为：为：，是自然光；，是自然光；，是线偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射，是线偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面面，是线偏振光且光矢量的振动方向平行于入射，是线偏振光且光矢量的振动方向平行于入射面；面；，是部分偏振光，是部分偏振光结果：结果：一束光射入晶体时，折射光分成两束；一束光射入晶体时，折射光分成两束；当晶体在垂直入射光的平面内转动时，当晶体在垂直入射光的平面内转动时，一束折射光传播方向保持不变，一束折射光传播方向保持不变，另一束折射光随着晶体转动传播方向改变。另一束折射光随着晶体转动传播方向改变。双折射现象双折射现象 方解石方解石oe e o影片：双折射影片：双折射一光的双折射现象一光的双折射现象1.光的双折射现象光的双折射现象一束光射入各向异性媒质时，折射光分成两束的现象一束光射入各向异性媒质时，折射光分成两束的现象2.寻常光寻常光o，非常光，非常光e在上述实验中转动晶体，在上述实验中转动晶体，折射光传播方向不变的那束光称为折射光传播方向不变的那束光称为寻常光寻常光o；随着晶体转动传播方向改变的那束光称为随着晶体转动传播方向改变的那束光称为非常光非常光e 寻常光寻常光（o光光）遵从折射定律遵从折射定律；n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光 非寻常光非寻常光（e光光 ）一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律e e 光折射线也不一定在入射面内。光折射线也不一定在入射面内。o o 光和光和 e e 光光均为线偏振光。振动面互相垂直均为线偏振光。振动面互相垂直实验上如何证明实验上如何证明二晶体光轴、主平面二晶体光轴、主平面当光在晶体内沿某个特殊方向传播时当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，不发生双折射，该方向称为晶体的该方向称为晶体的光轴。光轴。1.1.晶体的光轴晶体的光轴沿光轴方向沿光轴方向 o 光和光和 e 光在的传播速率相等光在的传播速率相等注意：注意：光轴只是一特殊方向而非一实在轴线光轴只是一特殊方向而非一实在轴线 凡平行于此方向的直线均为光轴。凡平行于此方向的直线均为光轴。如天然方解石如天然方解石平行六面体平行六面体2.2.单轴晶体单轴晶体、多轴晶体、多轴晶体多多轴晶体：轴晶体：不只一不只一个个光轴的晶体。光轴的晶体。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。如天然方解石如天然方解石平行六面体平行六面体如：方解石、石英、红宝石等如：方解石、石英、红宝石等如：蓝宝石（双轴晶体）如：蓝宝石（双轴晶体）3.3.主平面主平面晶体中光的晶体中光的传播方向传播方向与晶体与晶体光轴光轴构成的平面。构成的平面。e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面o光光光轴光轴o光的光的主平面主平面o 光的光振动方向垂直于光的光振动方向垂直于o 光的主平面；光的主平面；e 光的光振动方向平行光的光振动方向平行 e 光的主平面。光的主平面。一一般般情情况况下下，o 光光的的主主平平面面和和 e 光光的的主主平平面面并不重合。并不重合。1.单轴晶体的子波波阵面单轴晶体的子波波阵面光轴光轴o 波波面面e 波波面面两种光线沿光轴方向的速率相等，两种光线沿光轴方向的速率相等，两波面在两波面在光轴方向光轴方向相切，相切，在在垂垂直直光光轴轴方方向向上上，两两光光线线传传播播速速率率相相差最大差最大三三单轴晶体中光传播的惠更斯作图法单轴晶体中光传播的惠更斯作图法 光子波波阵面为球面光子波波阵面为球面振动沿各方向传播振动沿各方向传播速度相同速度相同光光振动沿各方向传播振动沿各方向传播速度不同速度不同光光光子波波阵面为旋转椭球面光子波波阵面为旋转椭球面光轴光轴o 波波面面e 波波面面o 光的传播速率用光的传播速率用vo 表示表示折射率用折射率用no 表示，表示，e 光在垂直光轴方向上的传播速率光在垂直光轴方向上的传播速率用用ve 表示，折射率用表示，折射率用ne 表示表示根据根据no 和和ne 的大小关系，晶体分为的大小关系，晶体分为正晶体正晶体和和负晶体负晶体 no o ，ne称为称为晶体的主折射率晶体的主折射率2.2.晶体的主折射率晶体的主折射率、正晶体、负晶体正晶体、负晶体负晶体负晶体 :n ne e n no(e o o)光轴光轴 ve tvo t光轴光轴 vo tve t如石英如石英 no o ，ne称为称为晶体的主折射率晶体的主折射率如方解石如方解石tt0tt13.3.单轴晶体中光传播的惠更斯作图法单轴晶体中光传播的惠更斯作图法思路：（波的折射）思路：（波的折射）向向晶晶体体内内发发出出球球面面子子波波和和椭椭球球面面子子波波。作作所所有有各各点点所所发发子子波波的的包包络络面面，即即得得晶晶体体中中o 光光波波面面和和e 光光波波面面，从从入入射射点点引引向向相相应应包包络络面面与与o 光光波波面面和和e 光光波波面面的的切切点点的的连连线线方方向向就就是是所所求求晶晶体体中中的的o 光光和和e 光光传传播播方方向向下面以下面以负晶体负晶体为例来说明为例来说明a.a.光轴平行晶体表面，自然光垂直入射光轴平行晶体表面，自然光垂直入射o o ,e e 在方向上虽没分开，在方向上虽没分开，但速度上是分开的。但速度上是分开的。(e e o o)b.b.光轴平行晶体表面，光轴平行晶体表面，c.c.自然光自然光斜斜入射入射c.c.光轴与晶体表面斜交，光轴与晶体表面斜交，自然光斜入射自然光斜入射四晶体偏振器件四晶体偏振器件利用晶体的双折射现象，可制成棱镜来获得线偏光利用晶体的双折射现象，可制成棱镜来获得线偏光其思想是：其思想是：1.偏振棱镜偏振棱镜尼科耳棱镜尼科耳棱镜将一束自然光射入到晶体制成的复合棱镜，将一束自然光射入到晶体制成的复合棱镜，利用双折射现象分成寻常光和非常光，利用双折射现象分成寻常光和非常光，然后利用全反射原理把寻常光反射到棱镜侧壁上，然后利用全反射原理把寻常光反射到棱镜侧壁上，只让非常光通过棱镜，从而获得一束振动方向固定的线偏光。只让非常光通过棱镜，从而获得一束振动方向固定的线偏光。这样的棱镜有很多，这里介绍这样的棱镜有很多，这里介绍尼科耳棱镜尼科耳棱镜尼科耳棱镜尼科耳棱镜光轴光轴加拿大胶加拿大胶光轴光轴方解石方解石树胶树胶临界角约为临界角约为6915 2 2、晶体的二向色性晶体的二向色性某些晶体对某些晶体对o光和光和e光具有选择吸收性，具有这种选择吸收性的晶光具有选择吸收性，具有这种选择吸收性的晶体叫做的体叫做的二向色性晶体二向色性晶体晶体的二向色性晶体的二向色性电气石电气石 光轴光轴e光光电气石电气石光轴光轴例如：例如：电气石对电气石对e e光吸收较少，而对光吸收较少，而对O O光则吸收很强光则吸收很强1mm1mm的电气石就能把透过的的电气石就能把透过的O O光全部吸收掉，光全部吸收掉，而而使使e e光透出光透出偏振光偏振光偏振光偏振光