16-(1-4)自然光和偏振光.ppt
16-1 自然光和偏振光自然光和偏振光实实验验：试试想想象象你你把把一一根根绳绳子子的的一一头头拴拴在在邻邻居居院院子子里里的的树树上上，另另一一头头拿拿在在你你手手里里。再再假假定定绳绳子子是是从从篱篱笆笆的的两两根根竹竹子子的的正正当当中中穿穿过过去去的的。好好了了，如如果果你你现现在在拿拿绳绳子子上上下下波波动动，这这些些波波就就会会从从两两根根竹竹子子之之间间通通过过，并并从从你你的的手手传传到到那那棵棵树树上上。这这时时，那那座座篱篱笆笆对对你你的的波波来来说说是是“透透明明的的”。但但是是，要要是是你你让让绳绳子子左左右右波波动动，绳绳子子就就会会撞撞在在两两根根竹竹子子上，波就不会通过篱笆了。上，波就不会通过篱笆了。1机机械械波波穿穿过过狭狭缝缝一一 何谓光的偏振何谓光的偏振 对纵波而言，包含传播方向与振动方向所构成的平面，哪一对纵波而言，包含传播方向与振动方向所构成的平面，哪一个都一样，没有一个显示出与另一个有什么区别或不同。称之个都一样，没有一个显示出与另一个有什么区别或不同。称之为：波的振动方向对传播方向具有对称性。为：波的振动方向对传播方向具有对称性。2光的振动方向在振动平面内不具有对称性，叫做光的光的振动方向在振动平面内不具有对称性，叫做光的偏振偏振。对横波而言，由传播方向与振动方向所构成的平面，与包含传对横波而言，由传播方向与振动方向所构成的平面，与包含传播方向而不包含振动方向的其它平面有区别。称之为：波的振播方向而不包含振动方向的其它平面有区别。称之为：波的振动方向对传播方向不具有对称性。这种不对称性称之为动方向对传播方向不具有对称性。这种不对称性称之为偏振偏振。机械波的机械波的横波横波与与纵波纵波的区别的区别-偏偏振振光的光的波动性波动性光的干涉、衍射光的干涉、衍射光波是光波是横波横波光的光的偏振偏振3普通光源发光的特点：普通光源发光的特点：在同一时间在大批原子发光；（不是全部）在同一时间在大批原子发光；（不是全部）就单个原子而言，每个原子都是断断续续发光，每次发光就单个原子而言，每个原子都是断断续续发光，每次发光时间极短（时间极短（10-8s）且一次只能发出一个有限长具有偏振性且一次只能发出一个有限长具有偏振性的波列。的波列。同一原子先后发出的光及同一瞬间不同原子同一原子先后发出的光及同一瞬间不同原子发出的光的频发出的光的频率、振动方向、初相位、发光的时间均是随机的。率、振动方向、初相位、发光的时间均是随机的。结论：结论：大量原子所发出的光的合振动的振动面是随机的，且大量原子所发出的光的合振动的振动面是随机的，且各个方向的几率相同。各个方向的几率相同。二二 自然光自然光 偏振光偏振光 部分偏阵光部分偏阵光观测光矢量在各个方向的平均值观测光矢量在各个方向的平均值,没没有哪一个方向占优势有哪一个方向占优势,也没有在任何也没有在任何时间段内占优势时间段内占优势,即这种光在时间上即这种光在时间上具有均匀性具有均匀性,在空间上具有对称性在空间上具有对称性.这这就是自然光就是自然光.41 1 自自然然光光：一一般般光光源源发发出出的的光光中中，包包含含着着各各个个方方向向的的光光矢矢量量在所有可能的方向上的振幅都相等在所有可能的方向上的振幅都相等(轴对称轴对称)这样的光叫这样的光叫自然光自然光。自自然然光光以以两两互互相相垂垂直直的的互互为为独独立立的的（无无确确定定的的相相位位关关系系）振振幅幅相相等等的的光光振振动动表表示示，并各具有并各具有一半一半的振动能量的振动能量。符号表示符号表示总总光矢量光矢量分量分量的特点的特点：(2)各光矢量间各光矢量间无固定无固定的相位关系。的相位关系。(1)互相互相垂直方向是垂直方向是任选任选的的。(3)各光矢量各光矢量振幅相等振幅相等。52 偏振光偏振光符号表示符号表示3 部分偏振光部分偏振光光矢量始终沿某一固定方向振动的光被称为光矢量始终沿某一固定方向振动的光被称为线偏振光线偏振光。振动面振动面 某某一一方方向向的的光光振振动动比比与与之之垂垂直直方方向向上上的的光光振振动动占占优优势势的的光光被称为被称为部分部分偏振光偏振光。符号表示符号表示6偏振度偏振度若一偏振光，光强最强的方向的光强的平均值为若一偏振光，光强最强的方向的光强的平均值为I Imaxmax，与与之垂直方向的光强平均值为之垂直方向的光强平均值为I Iminmin，则：则：偏振度：偏振度：讨论：讨论：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XY716-2 起偏和检偏起偏和检偏 马吕斯定律马吕斯定律8 起起 偏偏一一 偏振片的起偏与检偏偏振片的起偏与检偏 二二向向色色性性:某某些些物物质质能能吸吸收收某某一一方方向向的的光光振振动动，而而只只让让与这个方向垂直的光振动通过，这种性质称与这个方向垂直的光振动通过，这种性质称二向色性二向色性。偏振片偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片。涂有二向色性材料的透明薄片。偏偏振振化化方方向向：当当自自然然光光照照射射在在偏偏振振片片上上时时，它它只只让让某某一一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向。特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向。偏振化方向偏振化方向起偏器起偏器偏振片的起偏作用偏振片的起偏作用9检偏器检偏器 检检 偏偏起偏器起偏器10检偏：检偏：用偏振器件检验光的偏振态用偏振器件检验光的偏振态I?P待检光待检光l 若若 I 不变，是什么光？不变，是什么光？l 若若 I 变，有消光，是什么光？变，有消光，是什么光？l 若若 I 变，无消光，是什么光？变，无消光，是什么光？然光混合而成的然光混合而成的部分偏振光部分偏振光设入射光可能是设入射光可能是自然光自然光线偏振光线偏振光 或由线偏振光与自或由线偏振光与自或或旋转旋转11二二 马吕斯定律马吕斯定律（Malus law 1880 年）年）马吕斯定律：马吕斯定律：强度为强度为I0的偏振光通过检偏振的偏振光通过检偏振器后器后,出射光的强度为出射光的强度为检偏器检偏器起偏器起偏器NM12例例1 有两个偏振片有两个偏振片,一个用作起偏器一个用作起偏器,一个用作检偏器。当它一个用作检偏器。当它们偏振化方向间的夹角为们偏振化方向间的夹角为300时时,一束单色自然光穿过它们一束单色自然光穿过它们,出出射光强为射光强为I1；当它们偏振化方向间的夹角为当它们偏振化方向间的夹角为600时，时，另一束单色另一束单色自然光穿过它们，出射光强为自然光穿过它们，出射光强为I2，且，且I1=I2。求两束单色自然光。求两束单色自然光的强度之比。的强度之比。解：解：设两束单色自然光的强度分别为设两束单色自然光的强度分别为I10和和I20经过起偏器后光强分别为经过起偏器后光强分别为 和和 。经过检偏器后经过检偏器后13例例2 在在两两块块正正交交偏偏振振片片P1，P3之之间间插插入入另另一一块块偏偏振振片片P2，光光强强为为I0的的自自然然光光垂垂直直入入射射于于偏偏振振片片P1，讨讨论论转转动动P2时时透透过过P3的的光光强强I3与转角的关系。与转角的关系。P1P3P1P3P214P1P3P21516-3 布儒斯特定律布儒斯特定律16空气空气玻璃玻璃入入射射面面：入入射射光光线线和和法法线线所所成成的的平面。平面。反反射射光光：部部分分偏偏振振光光，垂垂直直于于入入射射面面的的振振动动大大于于平平行行于于入入射射面面的振动。的振动。折射光：折射光：部分部分偏振光，平行于偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射入射面的振动大于垂直于入射面的振动。面的振动。理论和实验证明理论和实验证明：反射光的偏振化程度与：反射光的偏振化程度与入射角入射角有关。有关。光反射与折射时的偏振光反射与折射时的偏振17空气空气玻璃玻璃布儒斯特定律布儒斯特定律（1812年）年）反反射射光光为为完完全全偏偏振振光光，且且振振动动面面垂垂直直入入射射面面，折折射射光光为为部部分分偏振光。偏振光。当当 (1)反射光和折射光互相垂直。反射光和折射光互相垂直。特点特点18(2)根据光的根据光的可逆性可逆性，当入射光以，当入射光以 角从角从n2介质入射于界面时，介质入射于界面时，此此 角即为布儒斯特角。角即为布儒斯特角。玻璃玻璃玻璃玻璃19注意注意对对于于一一般般的的光光学学玻玻璃璃,反反射射光光的的强强度度约约占占入入射射光光强强度度的的7.5%，大部分光将透过玻璃。，大部分光将透过玻璃。利用利用玻璃片堆玻璃片堆产生产生线线偏振光偏振光20讨论讨论讨论下列光线的反射和折射讨论下列光线的反射和折射。211空气空气例例1 一一自自然然光光自自空空气气射射向向一一块块平平板板玻玻璃璃，入入射射角角为为布布儒儒斯斯特特角角i0，问在界面，问在界面1、2的反射光是什么光？的反射光是什么光？玻璃玻璃2线偏振光线偏振光22例例2 一一束束自自然然光光以以某某一一入入射射角角入入射射到到玻玻璃璃上上，这这时时反反射射光光成成为为偏振光，折射角为偏振光，折射角为320，求，求(1)入射角；入射角；(2)玻璃的折射率。玻璃的折射率。解：解：(1)(2)23偏振的应用偏振的应用 汽车车灯与窗玻璃用同一汽车车灯与窗玻璃用同一偏振化方向的透明膜。偏振化方向的透明膜。(1)防止对面来的灯光耀眼防止对面来的灯光耀眼(2)放立体电影放立体电影原理：原理：利用人眼的双眼效应。利用人眼的双眼效应。-利用反射光的偏振利用反射光的偏振性性24有反射光干扰的橱窗有反射光干扰的橱窗在照相机镜头前加偏振在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰片消除了反射光的干扰25作业作业 练习十八、九练习十八、九26四、偏振光的应用四、偏振光的应用 光的偏振在科学技术及工业生产中有着广泛的应用。比如在机械工业中，利用偏振光的干涉来分析机件内部应力分布情况，这就是光测弹性力学的课题。在化工厂里，我们可以利用偏振光测量溶液的浓度。偏光干涉仪、偏光显微镜在生物学、医学、地质学等方面有着重要的应用。在航海、航空方面则制出了偏光天文罗盘。下面我们介绍几种日常生活中应用偏振光的实例：下面我们介绍几种日常生活中应用偏振光的实例：1、汽车车灯、汽车车灯 汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时，为了避免双方车灯的眩目，司机都关闭大灯，只开小灯，放慢车速，以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角，那么，司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，即不要熄灯，也不要减速，可以保证安全行车。27 另外，在阳光充足的白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光，常会使眼睛睁不开。由于光是横波，所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此，只需带一副只能透射竖带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光。2、观看立体电影、观看立体电影 在拍摄立体电影时，用两个摄影机，两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛，它们同时分别拍下同一物体的两个画像，放映时把两个画像同时映在银幕上。如果设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画面，就可以使观众得到立体感。为此，在放映时，两个放放像机每个放像机镜头上放一个偏振片，两个偏振片的偏振化方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜两个偏振片的偏振化方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜，左眼偏振片的偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同，这样，银幕上的两个画面分别银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体化的影像了通过两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体化的影像了。283、生物的生理机能与偏振光、生物的生理机能与偏振光 人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的，但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。比如蜜蜂有五支眼、三支复眼、两支复眼，每个复眼包含有6300个个小眼，这些小眼能根据太阳的偏光确定太阳的方位，然后以太阳为定向标来判断方向，所以蜜蜂可以准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛。再如在沙漠中，如果不带罗盘，人是会迷路的，但是沙漠中有一种蚂蚁，它能利用天空中的紫外偏光导航利用天空中的紫外偏光导航，因而不会迷路。2916-4 光的双折射现象光的双折射现象恒量恒量玻璃玻璃 n折折 射射 定定 律律301 光的双折射现象光的双折射现象一一 寻常光寻常光 非寻常光非寻常光光光的的双双折折射射现现象象：光光在在入入射射到到光光学学性性质质是是各各向向异异性性的的媒媒质质时时，媒质内部将出现媒质内部将出现两条两条折射光折射光，这种现象叫做双折射现象。，这种现象叫做双折射现象。方解石晶体方解石晶体、石英晶体、石英晶体312 双折射的寻常光和非寻常光双折射的寻常光和非寻常光 寻常光线寻常光线-ordinary rays)-服从服从折射定律的光线折射定律的光线 非寻常光线非寻常光线-extraordinary rays)-不服从不服从折射定律的光线折射定律的光线一般情况，非寻常光线不在入射面内。一般情况，非寻常光线不在入射面内。实验证明：实验证明：o光和光和e光均为偏振光。光均为偏振光。ACBOeDeO32二二 产生双折射的产生双折射的原因原因O光波阵面光波阵面 光波阵面光波阵面光轴光轴 寻寻常常光光线线：在在晶晶体体中中各各方方向向上上传播速度相同。传播速度相同。常量常量 非非寻寻常常光光线线：晶晶体体中中各各方方向向上上传传播播速速度度不不同同，随随方方向向改改变而改变。变而改变。为为主折射主折射率率正正晶体晶体负负晶体晶体33方解石晶体方解石晶体光光轴轴：在在方方解解石石这这类类晶晶体体中中存存在在一一个个特特殊殊的的方方向向，当当光光线线沿沿这这一一方方向向传传播播时时不不发发生生双双折折射射现现象象。称称这这一一方方向向为为晶体的晶体的光轴光轴。光轴光轴三三 几个概念几个概念AB光轴光轴单轴晶体：一个光轴单轴晶体：一个光轴双轴晶体：两个光轴双轴晶体：两个光轴光轴代表着一个方向，与光轴代表着一个方向，与光轴平行的线都是光轴光轴平行的线都是光轴34主截面：主截面：在晶体内，晶体光轴与晶面法线方向构成的平面。在晶体内，晶体光轴与晶面法线方向构成的平面。实实验验表表明明：o光光的的振振动动方方向向垂垂直直于于其其主主平平面面，e光光的的振振动动方方向向在其在其主平面内。主平面内。o光光的的主主平平面面：在在晶晶体体中中o光光与与光光轴轴所所组组成成的的平平面面叫叫做做o光光的的主平面。主平面。e光光的的主主平平面面：在在晶晶体体中中e光光与与光光轴轴所所组组成成的的平平面面叫叫e光光的的主主平平面。面。光轴光轴o光光e光光35 当入射光位于晶体的主平面内时（即入射面就是晶体的主平当入射光位于晶体的主平面内时（即入射面就是晶体的主平面面），），o光、光、e光以及它们的主平面都在入射面内（两光的主平面光以及它们的主平面都在入射面内（两光的主平面与入射面重合）。此时，与入射面重合）。此时，o光和光和e光的光矢量振动方向互相垂直光的光矢量振动方向互相垂直。例例.ABCD 为一块方解石的一个截面，光轴方向在屏幕面内且为一块方解石的一个截面，光轴方向在屏幕面内且与与AB 成一锐角成一锐角q ,如图所示如图所示.一束平行的单色自然光垂直于一束平行的单色自然光垂直于 AB 端面入射端面入射.在方解石内折射分解为在方解石内折射分解为 o 光和光和 e 光光,o 光和光和 e 光光的的:(A)传播方向相同传播方向相同,光矢量的振光矢量的振动方向互相垂直动方向互相垂直.(D)传播方向不相同传播方向不相同,光矢量的振光矢量的振动方向不互相垂直动方向不互相垂直.(C)传播方向不相同传播方向不相同,光矢量的振光矢量的振动方向互相垂直动方向互相垂直.(B)传播方向相同传播方向相同,光矢量的振动光矢量的振动方向不互相垂直方向不互相垂直.C 36BCADABCD为主截面为主截面四四 尼科耳棱镜尼科耳棱镜-偏振器件偏振器件o光光e光光加拿大树胶加拿大树胶纳纳黄黄光光对对方方解解石石、胶的折射率胶的折射率nnnBC为黑色为黑色37尼科耳棱镜可用于起偏和检偏尼科耳棱镜可用于起偏和检偏e光光e光光最明最明MNMN最暗最暗原理：把自然光分成寻常光和非寻常光，然后利用原理：把自然光分成寻常光和非寻常光，然后利用全反射把寻常光反射到棱镜侧壁上，只让非寻常全反射把寻常光反射到棱镜侧壁上，只让非寻常光通过，从而获得一束振动方向固定的线偏振光。光通过，从而获得一束振动方向固定的线偏振光。38
