大学物理第5章光的偏振PPT.ppt

大学大学 物理学物理学大学大学 物理学物理学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 光的偏振光的偏振.根据根据Maxwell电磁理论电磁理论,光是一种电光是一种电磁波磁波,在光与物质相互作用时在光与物质相互作用时,主要是横主要是横向振动着的电场强度矢量向振动着的电场强度矢量(光矢量光矢量)起作起作用。光矢量的各种振动状态使光具有各用。光矢量的各种振动状态使光具有各种偏振状态。种偏振状态。*光的偏振状态光的偏振状态*线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验*反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振 *双折射现象双折射现象主要内容主要内容大学大学 物理学物理学1.1.横波和纵波的区别横波和纵波的区别偏振偏振 纵波：振动方向与传播方向纵波：振动方向与传播方向一致一致，不存在偏振问题；，不存在偏振问题；横波：振动方向与传播方向横波：振动方向与传播方向垂直垂直，存在偏振问题。，存在偏振问题。定义：定义：振动方向对振动方向对于传播方向的不对于传播方向的不对称性称为偏振性。称性称为偏振性。说明：说明：只有横波才只有横波才具有偏振现象，偏具有偏振现象，偏振现象是横波区别振现象是横波区别于纵波的最明显的于纵波的最明显的特征。特征。机械横波与纵波的区别机械横波与纵波的区别机机械械波波穿穿过过狭狭缝缝一一、光的偏振性光的偏振性5.1 光的偏振状态光的偏振状态 (Polarization of light)大学大学 物理学物理学2.2.光的偏振性：光的偏振性：光矢量的振动方向总是与光矢量的振动方向总是与光的传播方向垂直的，即光矢光的传播方向垂直的，即光矢量的横向振动状态，相对于传量的横向振动状态，相对于传播方向不具有对称性，播方向不具有对称性，这种这种光矢量的振动相对于光矢量的振动相对于传播方向的不对称性，称为传播方向的不对称性，称为光光的偏振性的偏振性。光的偏振光的偏振性说明光性说明光波是横波波是横波大学大学 物理学物理学非偏振光非偏振光(自然光自然光)完全偏振光（线偏振光）完全偏振光（线偏振光）部分偏振光部分偏振光根据根据偏偏振状态振状态 振动面在空间各个方向高速随机变振动面在空间各个方向高速随机变化的，或者说由化的，或者说由大量振幅相同、各种振大量振幅相同、各种振动方向都有、彼此没有固定相位关系的动方向都有、彼此没有固定相位关系的光矢量的组合叫非偏振光或自然光。光矢量的组合叫非偏振光或自然光。XYZE 没没有有优优势势方方向向特点：特点：在垂直光线的平面内，光在垂直光线的平面内，光矢量沿各方向振动的概率均等矢量沿各方向振动的概率均等.自然光的分解自然光的分解自然光可以用下图表示自然光可以用下图表示 一一束束自自然然光光可可等等效效地地分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、等等幅的、不相干的分振动。幅的、不相干的分振动。非相干叠加非相干叠加二、偏振态的分类二、偏振态的分类 非偏振光非偏振光(自然光自然光)大学大学 物理学物理学振动面振动面u光矢量（光矢量（）只在一个固定）只在一个固定平面内沿单一方向振动的光平面内沿单一方向振动的光叫叫线偏振光线偏振光（也称平面偏振光）。（也称平面偏振光）。光振动方向与传播方向光振动方向与传播方向决定的平面称为振动面决定的平面称为振动面.线偏振光表示法线偏振光表示法完全偏振光完全偏振光（线偏振光线偏振光）大学大学 物理学物理学 完全偏振光和自然光是两种极端情形，介于二者之间完全偏振光和自然光是两种极端情形，介于二者之间的一般情形是部分偏振光。的一般情形是部分偏振光。部分偏振光可以看成部分偏振光可以看成自然光和线偏振光的混合自然光和线偏振光的混合。部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光 部部分分偏偏振振光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、不不等等幅幅的的、不相干的线偏振光。、不相干的线偏振光。部分偏振光部分偏振光表示法表示法在纸面内的光振动较强在纸面内的光振动较强垂直纸面的光振动较强垂直纸面的光振动较强 部分偏振光部分偏振光大学大学 物理学物理学右旋椭圆偏振光右旋椭圆偏振光 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E 0 椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光大学大学 物理学物理学一、起偏和检偏一、起偏和检偏起偏起偏-从自然光获得偏振光从自然光获得偏振光叫叫“起偏起偏”。偏振器偏振器（起偏器）（起偏器）-能将自然光变为偏振光的光学器件。能将自然光变为偏振光的光学器件。检偏检偏-检验一束光是否是检验一束光是否是偏振光偏振光叫叫“检偏检偏”。检偏器检偏器-检偏的光学器件。检偏的光学器件。起偏的原理起偏的原理:利用某种形式的不对称性利用某种形式的不对称性,如如 （1 1）物质的二向色性（）物质的二向色性（某些物质能吸收某一方向的光振动某些物质能吸收某一方向的光振动,而只让与这个方向垂直的光振动通过而只让与这个方向垂直的光振动通过,这种性质称这种性质称二向色性二向色性.（2 2）散射，）散射，（3 3）反射和折射，）反射和折射，（4 4）双折射）双折射.5.25.2 线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验大学大学 物理学物理学偏振片（偏振片（Polaroid）1928年一位年一位19岁的美国大学生岁的美国大学生（）发明的。（）发明的。例如：把硫酸碘奎宁的针状粉末有序地蒸镀在例如：把硫酸碘奎宁的针状粉末有序地蒸镀在 透明的基片上。透明的基片上。起起 偏偏偏振化方向偏振化方向起偏器起偏器 偏振片偏振片是由自然光是由自然光获得线偏振光获得线偏振光的平面片状器件。的平面片状器件。是是利用晶体的二向色性起偏。利用晶体的二向色性起偏。（对某一方向的光振动有（对某一方向的光振动有强烈吸收）强烈吸收）,它只允许某一特定方向的光振动通过它只允许某一特定方向的光振动通过.大学大学 物理学物理学起偏起偏器器检偏器检偏器偏振片既可偏振片既可“起偏起偏”又可又可“检偏检偏”。大学大学 物理学物理学检偏器检偏器 检检 偏偏起偏器起偏器大学大学 物理学物理学 设入射光可能是自然光、线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？或部分偏振光，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: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？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待检光待检光讨论讨论大学大学 物理学物理学问问 题题一般情况下一般情况下 I =？检偏器检偏器起偏器起偏器NM大学大学 物理学物理学马吕斯马吕斯(Etienne Louis Malus 1775-1812)法国物理学家及军事工程师。出法国物理学家及军事工程师。出生于巴黎。生于巴黎。1808年发现反射光的偏振，确定年发现反射光的偏振，确定了偏振光强度变化的规律；了偏振光强度变化的规律；1810年被选为巴黎科学院院士，年被选为巴黎科学院院士，曾获得过伦敦皇家学会奖章。曾获得过伦敦皇家学会奖章。1811年，他发现折射光的偏振。年，他发现折射光的偏振。二二、马吕斯定律马吕斯定律大学大学 物理学物理学 强度为强度为I I0 0的偏振光，通过的偏振光，通过检偏器后，透射光的强度为：检偏器后，透射光的强度为：I=I0 cos2 其中其中 为检偏器的偏振化为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方方向与入射偏振光的偏振化方向之间的夹角。向之间的夹角。P I0IP E0 E=E0cos 马吕斯定律马吕斯定律（18091809）E=E0cos 消光消光 为其它值时为其它值时推导过程推导过程马吕斯定律马吕斯定律大学大学 物理学物理学 光强为光强为 I0 的自然光相继通过偏振片的自然光相继通过偏振片P1、P2、P3后光强后光强为为I0/8，已知，已知P1 P3，问：，问：P1、P2间夹角为何？间夹角为何？解解 分析分析P1P2P3I0I3=I0/8P3P1P2I1I2例题例题1大学大学 物理学物理学5-3 5-3 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振 自然光在两种各向同性介自然光在两种各向同性介质的分界面上反射和折射时，质的分界面上反射和折射时，不但光的传播方向要改变，而不但光的传播方向要改变，而且光的偏振状态也要改变，且光的偏振状态也要改变，空气空气玻璃玻璃 入射面入射面:入射光入射光线和法线所成的平面线和法线所成的平面.反射光反射光-部分偏振光部分偏振光 ，垂直于入射面的振动大于平垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动行于入射面的振动.折射光折射光-部分偏振光部分偏振光，平行于入射面的振动大于垂平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动直于入射面的振动.理论和实验证明：理论和实验证明：反射光的偏振化程度反射光的偏振化程度与入射角有关与入射角有关.大学大学 物理学物理学 反射光的偏振化程度与入反射光的偏振化程度与入射角有关，若光从折射率为射角有关，若光从折射率为n1的介质射向折射率为的介质射向折射率为n2的介质，的介质，当入射角满足当入射角满足这实验规律可这实验规律可用电磁场理论用电磁场理论的菲涅耳公式的菲涅耳公式解释。解释。时，反射光中就只有垂直于入射面的光振时，反射光中就只有垂直于入射面的光振动，而没有平行于入射面的光振动，这时动，而没有平行于入射面的光振动，这时反射光为线偏振光反射光为线偏振光，而，而折射光仍为部分偏折射光仍为部分偏振光振光。这就是这就是Brewster定律。其中定律。其中ib叫做叫做起起偏角偏角或或布儒斯特角布儒斯特角。布儒斯特定律布儒斯特定律布儒斯特角布儒斯特角完全偏振光完全偏振光（式中（式中n21为媒质为媒质2对对媒质媒质1的相对折射率）的相对折射率）大学大学 物理学物理学布儒斯特角布儒斯特角完全偏振光完全偏振光根据折射定律根据折射定律布儒斯特定律：布儒斯特定律：当入射角是布儒斯特角时，当入射角是布儒斯特角时，折射光与反射光垂直。折射光与反射光垂直。相比较：相比较：cosib=sinb故故 ib=900-b说明说明大学大学 物理学物理学 当入射角等于当入射角等于布儒斯特角布儒斯特角时，反射光与折射光互相垂直，时，反射光与折射光互相垂直，反射光为线偏振光，其偏振面反射光为线偏振光，其偏振面与入射面垂直；折射光为部分与入射面垂直；折射光为部分偏振光。偏振光。例：若例：若 n1=1.00(空气空气)，n2=1.50(玻璃玻璃)，n3=1.33(水水)不同的介质，不同的介质，ib是不同的是不同的则：则：小小 结结大学大学 物理学物理学讨论讨论下列图中的反射光、折射光的偏振下列图中的反射光、折射光的偏振状态。状态。(起偏角起偏角 )大学大学 物理学物理学讨讨 论论 一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角为一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角为布儒斯特角布儒斯特角 ，问，问 在在下表面下表面的反射光是什么光？的反射光是什么光？平行玻璃板上表面平行玻璃板上表面反射光是线偏振光反射光是线偏振光.？注意：上表面的折射角注意：上表面的折射角等于下表面的入射角等于下表面的入射角 下表面的反射光是下表面的反射光是否也是线偏振光？否也是线偏振光？！=大学大学 物理学物理学1空气空气玻璃玻璃2结结 论论线偏振光线偏振光入射角为布儒斯特角入射角为布儒斯特角 时，时，在在下表面下表面的反射光也是的反射光也是线偏振光线偏振光理论实验表明：反理论实验表明：反射所获得的线偏光射所获得的线偏光仅占入射自然光总仅占入射自然光总能量的能量的7.4%，而约，而约占占85%的垂直分量的垂直分量和全部平行分量都和全部平行分量都折射到玻璃中。折射到玻璃中。要以反射获得较强要以反射获得较强的线偏振光，你有的线偏振光，你有什么好主意？什么好主意？利用利用玻璃片堆玻璃片堆产生产生线线偏振光偏振光大学大学 物理学物理学玻璃片堆玻璃片堆用以增加反射线偏振光的强度和用以增加反射线偏振光的强度和折射光的偏振化程度。折射光的偏振化程度。空气空气玻璃玻璃 =4233ib玻璃玻璃空气空气 b=1856iibibibibib ib玻璃玻璃片堆片堆(接近线偏振光接近线偏振光)大学大学 物理学物理学例题：例题：已知某材料在空气中的布儒斯特角已知某材料在空气中的布儒斯特角 ib=580，求它的求它的折射率？若将它放在水中（水的折射率为折射率？若将它放在水中（水的折射率为 1.33），求布儒），求布儒斯特角？该材料对水的相对斯特角？该材料对水的相对 折射率是多少？折射率是多少？解：解：设该材料的折射率为设该材料的折射率为 n，空气的折射率为，空气的折射率为1放在水中，则对应有放在水中，则对应有所以所以：该材料对水的相对折射率为该材料对水的相对折射率为1.2。偏振光的应用偏振光的应用测量介质的折射率测量介质的折射率偏光镜偏光镜大学大学 物理学物理学 偏振光的理论意义和价值是证明了光偏振光的理论意义和价值是证明了光是横波。同时，偏振光在很多技术领域得是横波。同时，偏振光在很多技术领域得到了广泛的应用。到了广泛的应用。偏振现象在摄影技术中的应用偏振现象在摄影技术中的应用 在摄影技术中，为了在不同自然条件下拍到理想的或具有在摄影技术中，为了在不同自然条件下拍到理想的或具有艺术效果的照片，一般在照相机镜头前加不同的镜片。其中一艺术效果的照片，一般在照相机镜头前加不同的镜片。其中一种镜片是种镜片是“偏光镜偏光镜”。偏光镜的用途之一是为了更清楚的拍摄。偏光镜的用途之一是为了更清楚的拍摄水中的物体和鱼类等。如在公园清澈的水塘中游荡着漂亮的金水中的物体和鱼类等。如在公园清澈的水塘中游荡着漂亮的金鱼，用相机拍照的最大问题是水表面反射的光线使人看不清水鱼，用相机拍照的最大问题是水表面反射的光线使人看不清水下的鱼。根据布儒斯特定律，自然光经水面反射后是部分偏振下的鱼。根据布儒斯特定律，自然光经水面反射后是部分偏振光，而在布儒斯特角时是平面偏振光，水的折射率为光，而在布儒斯特角时是平面偏振光，水的折射率为1.33，相，相应的布儒斯特角为应的布儒斯特角为i0=53。如右图所示，在相机的镜头前加上。如右图所示，在相机的镜头前加上偏光镜，摄影者在岸上将相机以偏光镜，摄影者在岸上将相机以53左右（估计）对准水面，旋左右（估计）对准水面，旋转镜头前的偏光镜，使其偏振化方向与反射光的偏振面垂直拍转镜头前的偏光镜，使其偏振化方向与反射光的偏振面垂直拍照（此时，在取景器中看到水中的物体最清楚），则可大大减照（此时，在取景器中看到水中的物体最清楚），则可大大减小反射光的影响，拍到清晰的金鱼照片。小反射光的影响，拍到清晰的金鱼照片。大学大学 物理学物理学大学大学 物理学物理学大学大学 物理学物理学一、一、双折射现象双折射现象5-4 双双 折折 射射 现现 象象 波动波动 光光 学学双折射现象双折射现象 波波 动动 光光 学学方解石晶体方解石晶体恒量恒量玻璃玻璃折折 射射 定定 律律 一束自然光射向石一束自然光射向石英、方解石等各向异英、方解石等各向异性介质时，其折射光性介质时，其折射光有两束，这种现象称有两束，这种现象称为为双折射现象双折射现象。大学大学 物理学物理学光通过光通过双折射晶体双折射晶体大学大学 物理学物理学寻常光线寻常光线（o o光光）(ordinary rays)(ordinary rays)服从折射定律的光线服从折射定律的光线 对于晶体一切方向都具对于晶体一切方向都具有相同的折射率，且在入射有相同的折射率，且在入射面内传播，简称它为面内传播，简称它为o光光(extraordinray rays)(extraordinray rays)非寻常光线非寻常光线（e e光光）不服从折射定律的光线不服从折射定律的光线 它的折射率（即波速）随方向而变化，并且它的折射率（即波速）随方向而变化，并且不一定在入射面内传播，简称为不一定在入射面内传播，简称为 e 光。光。大学大学 物理学物理学实验证明：实验证明：O 光和光和 光均为线偏振光光均为线偏振光.ACBoeDeo注意注意：寻常、非常指光在折射时寻常、非常指光在折射时 是否遵守折射是否遵守折射定律，定律，o光、光、e光也只在晶体内部才有意义。光也只在晶体内部才有意义。大学大学 物理学物理学 光轴：光轴：某些晶体内存在确定的方向，在这个方向上，某些晶体内存在确定的方向，在这个方向上，o o光光和和e e光的传播速度相同，这个方向称为晶体的光的传播速度相同，这个方向称为晶体的光轴光轴。光沿该方。光沿该方向传播时向传播时,不发生双折射不发生双折射.MMNN说明：说明：沿光轴方向入射的光束，通过晶体不分为两束光。光轴仅标沿光轴方向入射的光束，通过晶体不分为两束光。光轴仅标志一个特征方向。并不限于某一条特殊的直线志一个特征方向。并不限于某一条特殊的直线.光轴光轴具有一个光轴的晶体，称为单轴晶体。具有一个光轴的晶体，称为单轴晶体。例如：方解石、石英等。例如：方解石、石英等。具有两个光轴的晶体，称为双轴晶体。具有两个光轴的晶体，称为双轴晶体。例如：云母、硫黄等。例如：云母、硫黄等。二、光轴二、光轴 主截面主截面 主平面主平面AB光轴光轴例例：天然方解石晶体天然方解石晶体是六棱体是六棱体,两棱间夹两棱间夹角为角为7878。或或102102。.从从其钝角会合的顶点引其钝角会合的顶点引一条直线一条直线,并使其与并使其与各邻边成等角各邻边成等角,这一这一直线方向就是方解石直线方向就是方解石晶体的晶体的光轴光轴方向方向.102。78。大学大学 物理学物理学晶体的主截面晶体的主截面 由由光轴光轴和晶体和晶体表面表面的法线的法线所组成的平面，所组成的平面，称为晶体称为晶体主截面主截面。光光光光当入射光的入射面与晶当入射光的入射面与晶体的主截面重合时，体的主截面重合时，o光光和和e e光都在入射面内且振动方向互相垂直。光都在入射面内且振动方向互相垂直。在一般情况下在一般情况下,o o光和光和e e光的振光的振动方向并不完动方向并不完全垂直，全垂直，而是而是有一个不大的夹有一个不大的夹角，且角，且e e光不在光不在入射面内。入射面内。大学大学 物理学物理学 在晶体中在晶体中,某光线的传播方向和光轴方向所组成的平面，称为某光线的传播方向和光轴方向所组成的平面，称为该光线的主平面该光线的主平面 光的主平面光的主平面 o光和光和e光有各自的主平面。光有各自的主平面。o光和光和e光都是线偏振光，光都是线偏振光，o光的振动方向垂直于自己的主平面，光的振动方向垂直于自己的主平面，e光的振动方向平行于自己的主平面。光的振动方向平行于自己的主平面。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大学大学 物理学物理学总总 结结光的偏振性光的偏振性偏振态的分类偏振态的分类偏振片偏振片 起偏与检偏起偏与检偏马吕斯定律马吕斯定律反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振 (布儒斯特定律布儒斯特定律)双折射双折射