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第十五章光的偏振1本讲稿第一页，共四十一页 可分解为任意两个方向互相垂直、振幅相等可分解为任意两个方向互相垂直、振幅相等的光矢量分量，的光矢量分量，.二、自然光二、自然光:光沿某一方向传播时，在垂直于传播方向的平面内，光沿某一方向传播时，在垂直于传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有，且各方向光振动的振幅沿各个方向振动的光矢量都有，且各方向光振动的振幅都相等，这种光称为自然光。都相等，这种光称为自然光。2本讲稿第二页，共四十一页三、偏振光三、偏振光1.偏振偏振:自然光经过媒质的吸收、反射、透射、散射使某自然光经过媒质的吸收、反射、透射、散射使某 一方向的光振动占有优势。一方向的光振动占有优势。2.完全偏振光完全偏振光(线偏振光线偏振光)振动平面振动平面:光振动与光传播方向所决定的平面光振动与光传播方向所决定的平面只有单一方向的光振动只有单一方向的光振动,这样的光称为完全偏振光。这样的光称为完全偏振光。3本讲稿第三页，共四十一页3.部分偏振光部分偏振光:二个互相垂直的光振动中某一方向光二个互相垂直的光振动中某一方向光 振动占有相对的优势这样的光称为部振动占有相对的优势这样的光称为部 分偏振光。光矢量分偏振光。光矢量 在某一方向振动较在某一方向振动较 强，强，而垂直该方向的振动较弱。而垂直该方向的振动较弱。部分偏振光部分偏振光 部分偏振光的分解部分偏振光的分解互相垂直方向互相垂直方向上不等幅上不等幅4本讲稿第四页，共四十一页15.2 偏振片的起偏与检偏偏振片的起偏与检偏 马吕斯定律马吕斯定律一、起偏和检偏一、起偏和检偏自然光自然光 偏振光：偏振光：起偏（起偏器）起偏（起偏器）检验一束光是否为偏振光：检验一束光是否为偏振光：检偏（检偏器）检偏（检偏器）检偏（检偏器）检偏（检偏器）偏振片偏振片：能吸收某一：能吸收某一方向的光振动，而只让与方向的光振动，而只让与这个方向垂直的光振动通这个方向垂直的光振动通过的某些薄膜材料。过的某些薄膜材料。(涂有金涂有金鸡纳霜或碧硒等材料的簿膜鸡纳霜或碧硒等材料的簿膜)这个方向称为这个方向称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5本讲稿第五页，共四十一页.起偏器起偏器自然光自然光自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变6本讲稿第六页，共四十一页.起偏器起偏器自然光自然光自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变7本讲稿第七页，共四十一页.起偏器起偏器自然光自然光自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变8本讲稿第八页，共四十一页.起偏器起偏器自然光自然光自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变9本讲稿第九页，共四十一页.起偏器起偏器自然光自然光自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变10本讲稿第十页，共四十一页.起偏器起偏器自然光自然光自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变11本讲稿第十一页，共四十一页.起偏器起偏器自然光自然光自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变12本讲稿第十二页，共四十一页.起偏器起偏器自然光自然光自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变自然光通过旋转的起偏器，光强不变13本讲稿第十三页，共四十一页.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，偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强变化情况光强变化情况光强变化情况光强变化情况14本讲稿第十四页，共四十一页.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，偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强变化情况光强变化情况光强变化情况光强变化情况15本讲稿第十五页，共四十一页.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，偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强变化情况光强变化情况光强变化情况光强变化情况16本讲稿第十六页，共四十一页.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，偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强变化情况光强变化情况光强变化情况光强变化情况17本讲稿第十七页，共四十一页.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，偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强变化情况光强变化情况光强变化情况光强变化情况18本讲稿第十八页，共四十一页.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，偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强变化情况光强变化情况光强变化情况光强变化情况19本讲稿第十九页，共四十一页.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，偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强变化情况光强变化情况光强变化情况光强变化情况20本讲稿第二十页，共四十一页.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，偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强变化情况光强变化情况光强变化情况光强变化情况21本讲稿第二十一页，共四十一页二、马吕斯定律二、马吕斯定律二、马吕斯定律二、马吕斯定律I,AI,A入射偏振光入射偏振光 A马吕斯定律：马吕斯定律：z偏振化方向例：自然光和线偏振光的混合光，垂直通过一偏振片。旋转例：自然光和线偏振光的混合光，垂直通过一偏振片。旋转偏振片，测得透射光强最大值是最小值的偏振片，测得透射光强最大值是最小值的5倍。求入射光中，倍。求入射光中，自然光与线偏振光的光强比。自然光与线偏振光的光强比。解：解：22本讲稿第二十二页，共四十一页15.3 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振 自然光以任意角度入射到两种各向同性介质的分界自然光以任意角度入射到两种各向同性介质的分界面上反射和折射时面上反射和折射时,反射光和折射光都是部分偏振光，反射光和折射光都是部分偏振光，且且 反射光中垂直入射面的振动居多反射光中垂直入射面的振动居多 折射光中平行入射面的振动居多折射光中平行入射面的振动居多实验和理论都表明：实验和理论都表明：n1n2.r以任意角度入射以任意角度入射i*反射光的偏振反射光的偏振布儒斯特定律布儒斯特定律23本讲稿第二十三页，共四十一页当入射角当入射角 .i0i0n1n2900r以布儒斯特角入射以布儒斯特角入射反射光为线偏振光反射光为线偏振光，折射光，折射光为部分偏振光。并且：为部分偏振光。并且：布儒斯特角布儒斯特角由折射定律：由折射定律：布儒斯特定律布儒斯特定律tg i0n1n2=n2124本讲稿第二十四页，共四十一页*玻璃片堆玻璃片堆玻璃片堆玻璃片堆 利用玻璃片堆利用玻璃片堆增加反射增加反射偏振光偏振光光强，提高透射光偏振度，光强，提高透射光偏振度，但光强减小但光强减小线偏振光线偏振光.自然光入射自然光入射i0r25本讲稿第二十五页，共四十一页例例15-1 自然光自然光 通过偏振化方向互相垂直的偏振通过偏振化方向互相垂直的偏振片片 。如果在。如果在 间平行插入另一偏振片间平行插入另一偏振片 ，与与 偏振化方向夹角偏振化方向夹角 ，求：透过，求：透过 后的光强？后的光强？解解26本讲稿第二十六页，共四十一页i0i0i0iii27本讲稿第二十七页，共四十一页已知：n水=1.33,n玻璃1.50，容器底部反射光为偏振光求：i=?ii0i0i028本讲稿第二十八页，共四十一页一、光的双折射现象一、光的双折射现象15.4 光光 的的 双双 折折 射射一束光一束光在晶体内各个方向上折射率相同，传播速度相同在晶体内各个方向上折射率相同，传播速度相同 o光（光（寻常光寻常光寻常光寻常光）e光（光（非常光非常光非常光非常光）一束光在晶体内各个方向上折射率不同，传播速度不同一束光在晶体内各个方向上折射率不同，传播速度不同1）光线入射到各向异性晶体表面时）光线入射到各向异性晶体表面时 二束折射光二束折射光 光光光光双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体29本讲稿第二十九页，共四十一页o光：振动方向垂直于光：振动方向垂直于o光的主平面光的主平面e光：振动方向平行于光：振动方向平行于e光的主平面光的主平面4）光轴与某光线组成的平面）光轴与某光线组成的平面 该光线的主平面该光线的主平面一般来说，一般来说，o光主平面和光主平面和e光主平面不重合，光主平面不重合，只有当光轴只有当光轴位于入射面内时，两主平面重合。位于入射面内时，两主平面重合。此时此时o光、光、e光是两个光是两个振动方向互相垂直的偏振光。振动方向互相垂直的偏振光。2）o光、光、e光都是线偏振光光都是线偏振光3）双折射晶体中存在一）双折射晶体中存在一特定方向特定方向 光轴光轴光线沿这一方向入射时，不发生双折射光线沿这一方向入射时，不发生双折射单轴晶体单轴晶体：方解石、石英、红宝石：方解石、石英、红宝石双轴晶体双轴晶体：云母、蓝宝石：云母、蓝宝石30本讲稿第三十页，共四十一页自然光自然光:部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光 ：*光的偏振性光的偏振性光波是横波光波是横波*反射光的偏振反射光的偏振布儒斯特定律布儒斯特定律.i0i0n1n2900rtgi0n1n2=n21.偏振光表示：偏振光表示：31本讲稿第三十一页，共四十一页*各向异性晶体的光双折射各向异性晶体的光双折射o光（光（寻常光寻常光）：）：沿各方向沿各方向传播速度相同传播速度相同,no=恒量恒量 偏振光，振动方向垂直于偏振光，振动方向垂直于o光的主平面光的主平面e光（光（非常光非常光）：）：沿各方向沿各方向传播速度不相同传播速度不相同,ne=恒量恒量 偏振光，振动方向平行于偏振光，振动方向平行于e光的主平面光的主平面*光轴光轴特定方向特定方向:光线沿这方向入射时，不发生双折射光线沿这方向入射时，不发生双折射当光轴位于入射面内时，两主平面重合当光轴位于入射面内时，两主平面重合,此时此时o光、光、e光是两个振动方向互相垂直的偏振光。光是两个振动方向互相垂直的偏振光。32本讲稿第三十二页，共四十一页二、惠更斯原理对双折射现象的解释二、惠更斯原理对双折射现象的解释二、惠更斯原理对双折射现象的解释二、惠更斯原理对双折射现象的解释1.1.单轴晶体中光波的波面：单轴晶体中光波的波面：单轴晶体中光波的波面：单轴晶体中光波的波面：由于各向异性介质在不同方向上的物理性能不同，因而它的电磁学特性（，）随方向不同而不同。（波阵面是球面）（波阵面是球面）（波阵面是球面）（波阵面是球面）33本讲稿第三十三页，共四十一页波阵面是旋转椭球面波阵面是旋转椭球面波阵面是旋转椭球面波阵面是旋转椭球面垂直于光轴方向的传播速度垂直于光轴方向的传播速度e光的主折射率光的主折射率光的主折射率光的主折射率沿光轴方向沿光轴方向：o o光、光、e e光波面在光轴方向相切光波面在光轴方向相切垂直光轴方向垂直光轴方向：两束光传播速度相差最大两束光传播速度相差最大正晶体：正晶体：石英石英SiO2负晶体：负晶体：方解石方解石CaCO3光轴光轴vevo*光轴光轴vove*波面波面e波面波面o34本讲稿第三十四页，共四十一页方解石方解石单轴负晶体：单轴负晶体：光轴光轴vove*n=e1.4864 1.6584vmaxvminn=o1.658435本讲稿第三十五页，共四十一页ooee *光线入射到晶体表面时，波阵面上每一个子波波源都光线入射到晶体表面时，波阵面上每一个子波波源都向晶体内分别发出球面子波（向晶体内分别发出球面子波（o光）和椭球面子波（光）和椭球面子波（e光）光）*同一时刻，各子波包络面就是光线传播的波面同一时刻，各子波包络面就是光线传播的波面光束斜入射2.晶体中晶体中o光与光与e光的传播光的传播(1).光轴在入射面内,与晶面斜交i光轴光束垂直入射光轴 *从入射点引向相应波阵面切点的连线方向就是晶体中从入射点引向相应波阵面切点的连线方向就是晶体中o 光和光和e光的传播方向光的传播方向oeoeO光光e光光主主平平面面重重合合36本讲稿第三十六页，共四十一页O,e二光束同方向行进，但速度大小不一样。(3).光轴与入射面垂直,与晶面平行(2).光轴在入射面内,与晶面平行,光束垂直入射。光轴光轴光轴vove*光束斜入射i光轴ooeeO光、光、e光主平面不重合光主平面不重合仅在此情况下，仅在此情况下，o光光e光均遵循折射定律光均遵循折射定律37本讲稿第三十七页，共四十一页光轴光轴t如图所示，一束自然光以入射角如图所示，一束自然光以入射角i=450入射到方解石晶体上，入射到方解石晶体上，方解石晶体光轴垂直于纸面。方解石对方解石晶体光轴垂直于纸面。方解石对o光和光和e光的折射率分别光的折射率分别为：为：在图中标出哪一束是在图中标出哪一束是o光，哪一束是光，哪一束是e光？并画出光矢量的光？并画出光矢量的振动方向。振动方向。解：折射定律解：折射定律oei38本讲稿第三十八页，共四十一页902268AMCN光光光光轴轴轴轴加拿大树胶加拿大树胶加拿大树胶加拿大树胶1.尼科尔棱镜尼科尔棱镜.自然光自然光三、偏振棱镜三、偏振棱镜三、偏振棱镜三、偏振棱镜起偏和检偏起偏和检偏起偏和检偏起偏和检偏n加加=1.55n=e1.516n=1.6584on=e1.4864 1.6584.o.oeeo光发生全反射光发生全反射临界角，临界角，=770且且e光不会发生全反射光不会发生全反射所以所以39本讲稿第三十九页，共四十一页起偏起偏检偏检偏 OeeO方解石：方解石：2.渥拉斯顿棱镜：渥拉斯顿棱镜：由两块光轴相互垂直的直角方解石棱由两块光轴相互垂直的直角方解石棱镜组成镜组成分开分开o o光和光和e e光光ABDC1240本讲稿第四十页，共四十一页OeeOABDC12方解石：方解石：41本讲稿第四十一页，共四十一页