大学物理第17章-6.ppt
2015-2016 2015-2016 第一学期第一学期 张福俊张福俊1*2Flash tracking the key points of last lecture可能是主极大暗纹在两个主极大之间共有_条暗纹。在两个主极大之间共有_条次极大。*主极大到相邻的极小之间的角宽度主极大的角宽度*3缺级出现位置：asin =k单缝中央明纹内多光束干涉主极大的条数?可观察到主极大的最高级次?光栅的分辨本领：光谱角色散：解解:光栅方程光栅方程屏幕上的线距离屏幕上的线距离 x3=f 3=3.86mm例例4 4：一光栅每厘米刻痕一光栅每厘米刻痕500500条条,钠光的两条谱线钠光的两条谱线(1=589.0 nm、2=589.6nm)，求正入射时第，求正入射时第3级中两线分开的角距级中两线分开的角距离离?若透镜焦距若透镜焦距f=2m，其线距离多大，其线距离多大?对光栅方程式取微分得对光栅方程式取微分得:4*例例5 5：有两光栅，光栅：有两光栅，光栅A A的光栅常量的光栅常量d dA A=2=2m m，光栅宽度，光栅宽度W WA A4cm4cm；另一光栅；另一光栅B B的光栅常量的光栅常量d dB B=4=4m,m,光栅宽度光栅宽度W WB B10cm10cm，现有波长为，现有波长为500nm500nm和和500.01nm500.01nm的平面光波垂直照射这两的平面光波垂直照射这两块光栅，选定在第二级工作，试问：这两块光栅分别将这块光栅，选定在第二级工作，试问：这两块光栅分别将这两条谱线分开多大的角度？能否分辨这两条谱线？两条谱线分开多大的角度？能否分辨这两条谱线？解：光栅公式解：光栅公式注意：可注意：可k=2,k=2,=0.01nm,=0.01nm,可得：可得：对光栅对光栅A A对光栅对光栅B B5*要分辨这两个波长的光，需要分辨本领大于要分辨这两个波长的光，需要分辨本领大于对于光栅对于光栅A A和和B BR RA A4000040000，R RB B5000050000光栅光栅B B恰好能分辨这两条谱线，而恰好能分辨这两条谱线，而A A光栅不能分辨。光栅不能分辨。6*17-6 偏振光的产生和检验偏振光的产生和检验17-6-1 自然光自然光 偏振光偏振光17-6-2 反射起偏和折射起偏反射起偏和折射起偏17-6-3 起偏和检偏起偏和检偏17-6-4 双折射现象双折射现象本节内容：本节内容：7*什么是偏振性？什么是偏振性？什么是偏振性？什么是偏振性？按照波的振动方向与波传播的方向的关系，可以按照波的振动方向与波传播的方向的关系，可以按照波的振动方向与波传播的方向的关系，可以按照波的振动方向与波传播的方向的关系，可以将波分为横波和纵波。将波分为横波和纵波。将波分为横波和纵波。将波分为横波和纵波。光的干涉和衍射现象都证明了光是一种电磁波。光的干涉和衍射现象都证明了光是一种电磁波。光的干涉和衍射现象都证明了光是一种电磁波。光的干涉和衍射现象都证明了光是一种电磁波。光是横波还是纵波？光是横波还是纵波？光是横波还是纵波？光是横波还是纵波？对横波而言，当狭缝与振动方向垂直时，波不能对横波而言，当狭缝与振动方向垂直时，波不能对横波而言，当狭缝与振动方向垂直时，波不能对横波而言，当狭缝与振动方向垂直时，波不能通过狭缝，当狭缝与振动方向平行时，波能完全通通过狭缝，当狭缝与振动方向平行时，波能完全通通过狭缝，当狭缝与振动方向平行时，波能完全通通过狭缝，当狭缝与振动方向平行时，波能完全通过狭缝，这个特性称为偏振性。过狭缝，这个特性称为偏振性。过狭缝，这个特性称为偏振性。过狭缝，这个特性称为偏振性。利用偏振性就可以检验光是横波还是纵波了。利用偏振性就可以检验光是横波还是纵波了。利用偏振性就可以检验光是横波还是纵波了。利用偏振性就可以检验光是横波还是纵波了。对于纵波而言，波总是可以完全通过狭缝。对于纵波而言，波总是可以完全通过狭缝。对于纵波而言，波总是可以完全通过狭缝。对于纵波而言，波总是可以完全通过狭缝。实验发现：光通过某些狭缝后光强有明显的衰减。实验发现：光通过某些狭缝后光强有明显的衰减。8*一.完全偏振光1.线偏振光17-6-1 17-6-1 自然光自然光 偏振光偏振光面对光的传播方向看面对光的传播方向看 光矢量只沿垂直于波线方向的一个光矢量只沿垂直于波线方向的一个光矢量只沿垂直于波线方向的一个光矢量只沿垂直于波线方向的一个固定方向固定方向作振动作振动作振动作振动的光波，称为线偏振光。光矢量与波线组成的平面称为的光波，称为线偏振光。光矢量与波线组成的平面称为的光波，称为线偏振光。光矢量与波线组成的平面称为的光波，称为线偏振光。光矢量与波线组成的平面称为振动面，由于偏振面只有一个，且保持不变，也称为面振动面，由于偏振面只有一个，且保持不变，也称为面振动面，由于偏振面只有一个，且保持不变，也称为面振动面，由于偏振面只有一个，且保持不变，也称为面偏振光。偏振光。偏振光。偏振光。Ezxy表示法：表示法：光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面9*右旋圆右旋圆偏振光偏振光右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光 0 y yx z传播方向传播方向 /2x某时刻右旋圆偏振光某时刻右旋圆偏振光 E 随随 z 的变化的变化E2.圆偏振光和椭圆偏振光特点：光矢量的端点绕光波的传播方向作螺旋形旋转特点：光矢量的端点绕光波的传播方向作螺旋形旋转10*圆圆和和椭圆偏振光椭圆偏振光可看成是两束频率相同、传播方向可看成是两束频率相同、传播方向一致、振动方向相互垂直、相位差为某个确定值的一致、振动方向相互垂直、相位差为某个确定值的两两个线偏振光的合成。个线偏振光的合成。反之，反之，线偏振光线偏振光则可以看成是两则可以看成是两束频率相同、束频率相同、相位相同、振幅相同、相位相同、振幅相同、传播方向亦相同的传播方向亦相同的左、右旋圆偏振光左、右旋圆偏振光的合成。的合成。相位差相位差 /2或或3 /2x y yx x，y振幅相同，振幅相同，相位差不等于相位差不等于 0，和和 2 /2，3 /211*二.自然光自然光的表示法：自然光的表示法：没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解 一束自然光可分解为两束振动方向相互一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等垂直的、等幅的、幅的、不相干不相干的线偏振光。的线偏振光。非相干非相干12*三.部分偏振光表示法：表示法：自然光和完全偏振光的混合，就构成了自然光和完全偏振光的混合，就构成了部分偏振光。部分偏振光。最常讨论的部分偏振光可看成是自然光和线偏振最常讨论的部分偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合，天空的散射光和水面的反射光就是这种部光的混合，天空的散射光和水面的反射光就是这种部分偏振光。分偏振光。分解分解非相干非相干平平行行板板面面的的光振动较强光振动较强 垂垂直直板板面面的的光振动较强光振动较强它可以分解如下：它可以分解如下：13*四.偏振度Ip 部分偏振光中包含的完全偏振光的强度部分偏振光中包含的完全偏振光的强度It 部分偏振光的总强度部分偏振光的总强度In 部分偏振光中包含的自然光的强度部分偏振光中包含的自然光的强度完全偏振光完全偏振光（线、圆、椭圆）（线、圆、椭圆）P=1自然光自然光（非偏振光）非偏振光）P=0部分偏振光部分偏振光0 P 1 偏振度：偏振度：14*由自然光获得偏振光叫由自然光获得偏振光叫“起偏起偏”，相应的光学器，相应的光学器件叫件叫“起偏器起偏器”。17-6-2 17-6-2 反射起偏和折射起偏反射起偏和折射起偏它是利用晶体的它是利用晶体的二向色性二向色性起偏。起偏。1928 1928年年,一位一位1919岁的美国大学生岁的美国大学生 （E.H.LandE.H.Land）发）发明了一种由自然光明了一种由自然光获得线偏振光获得线偏振光的平面片状器件，称为的平面片状器件，称为偏振片，通常用偏振片，通常用 P P 表示。表示。x yzz线栅起偏器线栅起偏器 入射入射电磁波电磁波起偏原理类似于起偏原理类似于金属（导线）线栅起偏器金属（导线）线栅起偏器：只有振动方向与导线垂直的电磁波能通过。只有振动方向与导线垂直的电磁波能通过。15*IMMSRR iiIMMSRR光在介质界面反射光在介质界面反射时有偏振现象时有偏振现象,入射入射角任意时角任意时,如下图如下图 当入射角为一定值时当入射角为一定值时,反射光反射光为完全偏振为完全偏振,此时入射角为此时入射角为i iB B,称为称为布儒斯特角。布儒斯特角。布布儒儒斯斯特特定定律律线偏振光线偏振光 非完全偏振光非完全偏振光反射起偏反射起偏16*起偏振角起偏振角n1n2i0i0r0线偏振光线偏振光由折射定律和布儒斯特定律有由折射定律和布儒斯特定律有i0+r0=90=90O O例：例：若若 n n1 1=1.00(=1.00(空气空气)，n n2 2=1.50(=1.50(玻璃玻璃)玻璃玻璃空气空气=185600.150.1 0i空气空气玻璃玻璃=423350.100.1 0i互余互余17*S玻璃片堆可做起偏器玻璃片堆可做起偏器&折射起偏折射起偏 玻璃片堆玻璃片堆(透透射射光光接接近近完完全全线线偏偏振振光强度几乎光强度几乎50%)50%)(反反射射光光是是完完全全线线偏偏振振光强度几乎光强度几乎50%)50%)18*1.1.测量不透明介质的折射率。测量不透明介质的折射率。利用布儒斯特定律利用布儒斯特定律 2.2.在拍摄玻璃窗内的物体时，在拍摄玻璃窗内的物体时，加偏振片加偏振片可去掉反射可去掉反射光的干扰。光的干扰。偏振片的偏振片的应用应用：未加偏振片未加偏振片加偏振片后加偏振片后3.3.制成偏光眼镜，制成偏光眼镜，可观看立体电影。可观看立体电影。4.4.若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与地面成若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与地面成4545 角、且向同一方向倾斜的偏振片，可以避免汽车会车时角、且向同一方向倾斜的偏振片，可以避免汽车会车时大灯光的晃眼大灯光的晃眼。19*实验告诉我们实验告诉我们:自然光通过偏振片起偏自然光通过偏振片起偏,在忽略偏在忽略偏振片的吸收的情况下，振片的吸收的情况下，出射光强出射光强把把聚乙烯醇聚乙烯醇薄膜薄膜加热，并沿一个方向拉长，再浸入加热，并沿一个方向拉长，再浸入碘溶液中，使碘原子附着在长分子上形成一条条长碘溶液中，使碘原子附着在长分子上形成一条条长“碘碘链链”，就制成了，就制成了偏振片。偏振片。PI0I0/2 只有与碘链垂直方向的光振动能通过偏振片，该方只有与碘链垂直方向的光振动能通过偏振片，该方向称为向称为起偏方向起偏方向，或通光方向。（下图虚线），或通光方向。（下图虚线）碘链相当于导线，碘原子中的自由电子可以沿碘链碘链相当于导线，碘原子中的自由电子可以沿碘链自由运动。自由运动。17-6-3 17-6-3 起偏和检偏起偏和检偏20*马吕斯定律马吕斯定律证明：如右图证明：如右图当线偏振光通过旋转的偏振片P后，光强有什么变化？P E0 E=E0cos 当偏振片的偏振化方向与线偏振光的偏振方向相同时当偏振片的偏振化方向与线偏振光的偏振方向相同时，透过偏振片的光强最大，当两个方向垂直时，透射光，透过偏振片的光强最大，当两个方向垂直时，透射光的光强最小（为零）。的光强最小（为零）。线偏振光光强线偏振光光强I I1 1,透过检偏振器光强透过检偏振器光强I I2 2,振动方向与偏振片的偏振化方向夹角振动方向与偏振片的偏振化方向夹角21*思考题：思考题：思考题：思考题：设入射光可能是自然光、线偏振光或部分偏振光，设入射光可能是自然光、线偏振光或部分偏振光，如何用偏振片来区分它们？如何用偏振片来区分它们？以光线为轴转动以光线为轴转动P:P:I I 不变不变？I I 变，有消光变，有消光？I I 变，无消光变，无消光？上述办法能区分出自然光和圆偏振光吗？上述办法能区分出自然光和圆偏振光吗？能区分出部分偏振光和椭圆偏振光吗？能区分出部分偏振光和椭圆偏振光吗？自然光自然光线偏振光线偏振光部分偏振光部分偏振光I?P待检光待检光22*例1：光强的光强的调制调制。在偏振化方向正交的起偏器。在偏振化方向正交的起偏器M和检器和检器N 之间，插入一片以角速度之间，插入一片以角速度 旋转的理想偏振片旋转的理想偏振片P，入射，入射自然光强为自然光强为I0,试求由系统出射的光强是多少？试求由系统出射的光强是多少？四明四暗四明四暗 t t=0=00 0,90,900 0,180,1800 0,270,2700 0时，时，输出光强为零。输出光强为零。t t=45=450 0,135,1350 0,225,2250 0,315,3150 0时时,输出光强为输出光强为 解解:利用偏振片利用偏振片P P的旋转可调制光信号的旋转可调制光信号23*例2：一束自然光与平面偏振光混合，当旋转偏振片一束自然光与平面偏振光混合，当旋转偏振片时，它通过偏振片时发现透射光的强度可以变化时，它通过偏振片时发现透射光的强度可以变化5倍，倍，求入射光中两种光强度之比？求入射光中两种光强度之比？解：解：设入射光中自然光的强度为设入射光中自然光的强度为I1,平面偏振光为平面偏振光为I2,由题意，透射光的强度变化范围为：由题意，透射光的强度变化范围为：24*例题3：一束自然光强度为一束自然光强度为I0，连续通过三个偏振片，连续通过三个偏振片P1，P2，P3，它们的偏振化方向为，它们的偏振化方向为P1垂直垂直P3，P2与与P3的的夹角为夹角为，当出射光强度为入射光强度的，当出射光强度为入射光强度的3/32。求。求P2与与P3的夹角是多少？的夹角是多少？例题4：某种透明介质对于空气的临界角（全反射）某种透明介质对于空气的临界角（全反射）等于等于45度，光从空气射向此介质时的布儒斯特角度，光从空气射向此介质时的布儒斯特角。2530*17.17.3434，17.35 35，17.3626*
