高二物理竞赛课件：线偏振光和自然光.pptx

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1、线偏振光和自然光12光的偏振状态光的偏振状态研究光的振动方向的特性叫做光的偏振研究光的振动方向的特性叫做光的偏振 电磁波是横波电磁波是横波光的生理作用、感光现象，实际是电矢量在起作用光的生理作用、感光现象，实际是电矢量在起作用即是电场强度即是电场强度 矢量。矢量。 E光矢量的不同振动状态叫做光的偏振态光矢量的不同振动状态叫做光的偏振态光的偏振性说明了光的偏振性说明了: : 光是横波。光是横波。3练习：一束平行光垂直入射到某个光栅上练习：一束平行光垂直入射到某个光栅上, ,该光束有两该光束有两种波长的光种波长的光, , 1 1=440nm, =440nm, 2 2=660nm.=660nm.实验

2、发现实验发现, ,两种波长两种波长的谱线的谱线( (不计中央明纹不计中央明纹) )第二次重合于衍射角第二次重合于衍射角 =60=600 0的方的方向上向上, ,求此光栅的光栅常数求此光栅的光栅常数d d. .221121sinsin kk kd sin2132kk 重合时重合时21 69462321 kk第二次重合即第二次重合即4621 kk4, 621 kk10660sin d0160sin6 dmm1005. 33 解：解：4一一. .线偏振光线偏振光在垂直于其传播方向的平面内，在垂直于其传播方向的平面内，光矢量（光矢量（ ）只在）只在一个固定平面内沿单一方向振动的光叫一个固定平面内沿单一

3、方向振动的光叫线偏振光线偏振光，或平面偏振光。或平面偏振光。EE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光光振动方向与传播方向振动方向与传播方向构成的平面叫振动面构成的平面叫振动面5二二. . 自然光自然光各原子是独立地、随机地发光的；光矢量振幅各原子是独立地、随机地发光的；光矢量振幅的大小、振动方向、初位相等等也是随机的。的大小、振动方向、初位相等等也是随机的。在垂直于其传播方向的平面内，光矢量在垂直于其传播方向的平面内，光矢量在哪个方向在哪个方向都不占优势，它们对其传播方向形成轴对称分布。都不

4、占优势，它们对其传播方向形成轴对称分布。振幅相同、振幅相同、彼此没有固定相位关系彼此没有固定相位关系说明没有优势方向说明没有优势方向自然光的表示法：自然光的表示法：自然光可以分解为两个自然光可以分解为两个振动方向互相垂直的、等振幅振动方向互相垂直的、等振幅的、不相干的线偏振光。的、不相干的线偏振光。6三三. .部分偏振光部分偏振光完全偏振光和自然光是两种极端情形，介于二者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称为部分偏振光。之间的一般情形称为部分偏振光。部分偏振光可以看成自然光和线偏振光的混合。部分偏振光可以看成自然光和线偏振光的混合。xyz部分偏振光及其表示法部分偏振光及其

5、表示法垂直纸面的光振动较强垂直纸面的光振动较强在纸面内的光振动较强在纸面内的光振动较强7一、起偏一、起偏由自然光获得偏振光叫由自然光获得偏振光叫“起偏起偏”，相应的光学器件叫相应的光学器件叫“起偏器起偏器”。偏振片偏振片（Polaroid）一种一种由自然光由自然光获得线偏振光获得线偏振光的平面的平面片状器件，通常用片状器件，通常用 P 表示。表示。在忽略偏振片的吸收的情况下，在忽略偏振片的吸收的情况下，出射光强出射光强021II PI0I0/2起偏方向起偏方向，或通光方向，或通光方向（虚线）（虚线）只有沿此方向的光振动才能通过偏振片只有沿此方向的光振动才能通过偏振片8P1I0I0/2P2起偏器

6、起偏器用偏振器件分析、检验光束的偏振状态称用偏振器件分析、检验光束的偏振状态称“检偏检偏”。偏振片既可偏振片既可“起偏起偏”又可又可“检偏检偏”。透过透过P2的光强将随的光强将随着着P2的转动而变化的转动而变化检偏器检偏器P2旋转一周光强两次最强，两次消光旋转一周光强两次最强，两次消光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

7、光二、检偏二、检偏9三、马吕斯定律三、马吕斯定律线偏振光线偏振光通过偏振片通过偏振片P 前后的光强关系：前后的光强关系： 20cosII 0max:, 0III 0:23,2 I 消光消光改变改变 ，I 随之改变。随之改变。P E0 E=E0cos I0IP起偏方向起偏方向, 2 0 0EI 2 2 0 2 cos EEI 10制成偏光眼镜，可观看立体电影。制成偏光眼镜，可观看立体电影。若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都 装上与地面成装上与地面成 45 角、且向同一角、且向同一方向方向 倾斜的偏振片，可以避免汽车会车倾斜的偏振片，可以避免汽车会车时时 大灯光的晃眼大灯

8、光的晃眼。偏振片的偏振片的应用：应用： 作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必要的反射光。作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必要的反射光。 作为许多光学仪器中的起偏和检偏装置。作为许多光学仪器中的起偏和检偏装置。11例例1 一束自然光入射到相互重叠的四块偏振片上，每一束自然光入射到相互重叠的四块偏振片上，每块偏振片的偏振化方向相对前面一块偏振片沿顺时针块偏振片的偏振化方向相对前面一块偏振片沿顺时针转过转过30o角角, 问入射光中有百分之几透过这组偏振片？问入射光中有百分之几透过这组偏振片？ 解解 设入射光的强度为设入射光的强度为I020212cos21cosIII通过偏振片通过偏振片P1后的光强后的光强

9、0121II 通过偏振片通过偏振片P2后的光强后的光强通过偏振片通过偏振片P3后的光强后的光强40223cos21cosIII264301coscos2III入射光的入射光的21%能透过偏振片组。能透过偏振片组。 通过偏振片通过偏振片P4后的光强后的光强12练习：练习：一束光是自然光和线偏振光的混合光，让它垂直一束光是自然光和线偏振光的混合光，让它垂直通过一偏振片，若以此入射光束为轴旋转偏振片，测得通过一偏振片，若以此入射光束为轴旋转偏振片，测得透射光强度最大值是最小值的透射光强度最大值是最小值的5 5倍，那么入射光束中自倍，那么入射光束中自然光与线偏振光的光强度比值为然光与线偏振光的光强度比

10、值为透射光强最大值透射光强最大值1021II 透射光强最小值透射光强最小值021I52010 III2110 II1313.12 反射和折射产生的偏振反射和折射产生的偏振布儒斯特定律布儒斯特定律实验表明实验表明: :自然光在媒质表面反射、折射时，自然光在媒质表面反射、折射时，也出现光的偏振现象。也出现光的偏振现象。反射光中垂直入射面的反射光中垂直入射面的分量比例大；分量比例大；自然光反射和折射自然光反射和折射后产生部分偏振光后产生部分偏振光 入射角入射角 i 变变 反射、折射光的偏振化程度也变。反射、折射光的偏振化程度也变。发现当发现当 i等于某一特定值等于某一特定值iB 时时, ,反射光中是

11、垂直入射面的线偏振光。反射光中是垂直入射面的线偏振光。n1n2i i折射光中平行入射面的折射光中平行入射面的分量比例大。分量比例大。14iB 起偏角起偏角, , 也叫布儒斯特角。也叫布儒斯特角。由折射定律，有由折射定律，有12sinsinBnin 21Bntgin 布儒斯特定律布儒斯特定律例。例。若若 n1=1.00( (空气空气) )，n2=1.50( (玻璃玻璃) )。iB+=90=90O O. .互余互余玻璃玻璃空气空气 185600. 150. 1 Bi1 tan空气空气玻璃玻璃 423350. 100. 1 Bi1 tan2cosBni 起偏振角起偏振角n1n2iBiB线偏振光线偏振

12、光应用：测量不透明介质的折射率应用：测量不透明介质的折射率15要要提高反射线偏振光的强度提高反射线偏振光的强度，可利用玻璃片堆的多次反射。可利用玻璃片堆的多次反射。(透射光接近完全线偏振光透射光接近完全线偏振光 强度几乎强度几乎50%)(反射光是完全线偏振光反射光是完全线偏振光 强度几乎强度几乎50%) iB玻璃玻璃片堆片堆 Bi自然光从空气自然光从空气玻璃：玻璃：%7 入入反反II（太弱）（太弱）玻璃片堆玻璃片堆16练习：有一平面玻璃板练习：有一平面玻璃板放在水中，板面与水面夹角为放在水中，板面与水面夹角为 。设水和玻璃的折射率分别为。设水和玻璃的折射率分别为1.331.33和和1.51.5

13、。已知图。已知图中水面的反射光是完全偏振光，欲使玻璃中水面的反射光是完全偏振光，欲使玻璃板面的反射板面的反射光也是完全偏振光，光也是完全偏振光， 角应是多大？角应是多大？21111tantg/1.33inn 036 56 2iAi BC21tgBnin 解：解：232tg1.5 1.33inn0248 26i o90i由图由图 2io90i 利用布儒斯特定律利用布儒斯特定律ooo248 2636 5611 30i 1713.13 双折射现象双折射现象一一. .双折射现象双折射现象 透过方解石晶体看字出现双像。透过方解石晶体看字出现双像。象象折射现折射现方解石晶体方解石晶体双双纸面纸面折射现折射

14、现3CaCO18用偏振片检验，二者都是线偏振光用偏振片检验，二者都是线偏振光一束光入射到各向异性的媒质一束光入射到各向异性的媒质中分成两束中分成两束(e,o)(e,o)光的现象。光的现象。所以，所以，利用双折射现象也可以获得线偏振光。利用双折射现象也可以获得线偏振光。 寻常光寻常光（ordinary light）：）：12osinsinnin 非寻常光非寻常光（extra-ordinary light）：）：esinconstsini n1n2i o e(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光遵从折射定律遵从折射定律当入射角改变时，当入射角改变时，一般不遵从折射定律一般不遵从折射定

15、律: :双折射材料双折射材料191. 晶体的光轴晶体的光轴（optical axis of crystal） 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不发生双折射，生双折射，光轴是一个特殊的光轴是一个特殊的方向，方向，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，如方解石。如方解石。双轴晶体：双轴晶体：有两个光轴的晶体，有两个光轴的晶体，如云毋。如云毋。该该方向方向称为晶体的称为晶体的光轴。光轴。凡平行凡平行于此方向的直线均为光轴。于此方向的直线均为光轴。二二. .几个重要的概念几个重要的概念2.主平面主平面主平面：主平面：晶体中晶体中某条光线与晶体光

16、轴构成某条光线与晶体光轴构成 的平面的平面, ,称为该光线的主平面。称为该光线的主平面。20o 光振动垂直光振动垂直其其主平面；主平面； 实验表明实验表明: e 光振动在其主平面内。光振动在其主平面内。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一般来说，一般来说，o光主平面和光主平面和 e光主平面并不重合光主平面并不重合若光轴在入射面内，若光轴在入射面内，o光、光、e光均在入射面内传播，光均在入射面内传播，且振动方向相互垂直。且振动方向相互垂直。光轴光轴入射面入射面法线法线o光的主光的主平面平面e 光的主平面光的主平面21o光：光：oovcn no ，ne 称为称

17、为晶体的主折射率晶体的主折射率 正晶体：正晶体：ne no负晶体：负晶体：ne novo tve t光轴光轴 点波源点波源点波源点波源vo tve t光轴光轴 eeevcnv e光：光：oonv (ve vo)如：石英、冰如：石英、冰如：方解石、红宝石如：方解石、红宝石vo t光轴光轴光轴光轴ve tvo t三三. . 晶体的主折射率，正晶体、负晶体晶体的主折射率，正晶体、负晶体/光轴光轴光轴光轴 22四四. . 晶体偏振器件晶体偏振器件 1. 晶体的二向色性、晶体偏振器晶体的二向色性、晶体偏振器某些晶体对某些晶体对o光和光和e光的吸收有很大差异，光的吸收有很大差异，这就是晶体的这就是晶体的二

18、向色性二向色性. . 例如例如, ,电气石电气石对对o光有强烈吸收，对光有强烈吸收，对e光吸收光吸收 很弱，用它可产生线偏振光：很弱，用它可产生线偏振光：( (晶体偏振器晶体偏振器) ) 光轴光轴e光光电气石电气石光轴光轴23天然晶体天然晶体偏振器尺寸不大，成本很高。偏振器尺寸不大，成本很高。现今广泛使用偏振片现今广泛使用偏振片（人工使具有二向色性（人工使具有二向色性的的细微晶粒细微晶粒的光轴在塑料薄膜上定向排列）。的光轴在塑料薄膜上定向排列）。利用偏振棱镜可获得高质量的线偏振光。利用偏振棱镜可获得高质量的线偏振光。 但是，利用偏振片获得的偏振光不够纯，但是，利用偏振片获得的偏振光不够纯， 强度也不大强度也不大。有些有些棱镜棱镜， 自然光自然光 原方向的线偏振光。原方向的线偏振光。有些有些棱镜棱镜， 自然光自然光 分开的两束线偏振光。分开的两束线偏振光。