光学4-1(基础物理课堂讲稿下第十九讲).ppt

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1、第四章第四章 光的偏振光的偏振 第四章第四章 光的偏振光的偏振 第十九讲第十九讲4.1 4.1 自然光和偏振光自然光和偏振光4.2 4.2 起偏振器与检偏振器起偏振器与检偏振器 马吕斯定律马吕斯定律4.3 4.3 反射和折射时的偏振反射和折射时的偏振4.4 4.4 散射光的偏振散射光的偏振4.5 4.5 双折射现象双折射现象4.6 4.6 惠更斯作图法惠更斯作图法4.7 4.7 偏振棱镜偏振棱镜4.8 4.8 波片和补偿器波片和补偿器4.9 4.9 偏振光的干涉偏振光的干涉4.10 4.10 人为双折射人为双折射4.11 4.11 旋光性旋光性第四章第四章 光的偏振光的偏振问题：问题：1.1.

2、为什么天空呈蔚蓝色？为什么天空呈蔚蓝色？2.2.为什么朝霞晚霞呈橙红色？为什么朝霞晚霞呈橙红色？3.3.为什么云彩是白色的？为什么云彩是白色的？4.4.为什么异性晶体有双折射现象？为什么异性晶体有双折射现象？5.5.怎样检测物体内部是否有残存的内应力？怎样检测物体内部是否有残存的内应力？6.6.怎样制造高速快门开关？怎样制造高速快门开关？7.7.怎样快速测量溶液的浓度？怎样快速测量溶液的浓度？第四章第四章 光的偏振光的偏振1669.(1669.(丹丹)巴塞林纳斯巴塞林纳斯-方解石方解石(C Ca aCOCO3 3)-)-双折射现象双折射现象 1817.(1817.(英英)托马斯托马斯.扬把这扬

3、把这两光束两光束(R R1 1，R R2 2)相遇相遇.本认为本认为应有干涉现象应有干涉现象.由此只能认为这两束光的光振动矢量相互垂直，从而说明由此只能认为这两束光的光振动矢量相互垂直，从而说明:4.1 4.1 自然光和偏振光自然光和偏振光光波动特征之三光波动特征之三光的横波认识光的横波认识但实验结果：但实验结果：无干涉现象无干涉现象.光不是纵波，而是横波。光不是纵波，而是横波。属同一波列分开后又相遇属同一波列分开后又相遇,频率相同，相位差恒定频率相同，相位差恒定.(不满足相干第三条件不满足相干第三条件:振动方向相同振动方向相同)R1(O光光)R2(e光光)S方解石方解石第四章第四章 光的偏振

4、光的偏振光有干涉、衍射、横波性、光速光有干涉、衍射、横波性、光速3103108 8m/sm/s电磁波也有干涉、衍射、横波性、波速电磁波也有干涉、衍射、横波性、波速3103108 8m/sm/s光是光是电磁波电磁波1.1.线偏振光线偏振光横波：横波：光波的电场矢量光波的电场矢量E和磁场矢量和磁场矢量H与波的传播方向垂直与波的传播方向垂直偏振偏振:光振动垂直于传播方向且在一个方向振动占优光振动垂直于传播方向且在一个方向振动占优第四章第四章 光的偏振光的偏振偏振度定义：偏振度定义：P=1P=1线偏振光线偏振光;P=0P=0自然光自然光;P=0P=011部分偏振光部分偏振光寻找一种物质寻找一种物质,仅

5、吸收特定振动方向的光仅吸收特定振动方向的光,可实现部分偏振光。可实现部分偏振光。3.3.部分偏振光部分偏振光各波列振动总效果在某方向振动占优各波列振动总效果在某方向振动占优波列之间无固定相位关系；波列之间无固定相位关系；2.2.自然光自然光一个波列属线偏振光一个波列属线偏振光,但振动方向随机；但振动方向随机；波列之间无固定相位关系；波列之间无固定相位关系；各波列无占优的振动方向各波列无占优的振动方向各方向相同各方向相同第四章第四章 光的偏振光的偏振4.4.椭园偏振光椭园偏振光光矢量方向、大小光矢量方向、大小周期性变化周期性变化迎着传播方向迎着传播方向(z轴方向轴方向)看看矢量端点矢量端点椭园椭

6、园xy右旋右旋椭园偏振光椭园偏振光左旋左旋椭园偏振光椭园偏振光右旋右旋椭园偏振光椭园偏振光左旋左旋椭园偏振光椭园偏振光振动方向相互垂直的两个线偏振光合成可实现椭园偏振光振动方向相互垂直的两个线偏振光合成可实现椭园偏振光具体分析如下：具体分析如下：第四章第四章 光的偏振光的偏振设两个同频率设两个同频率,振动方向互相垂直振动方向互相垂直,且有固定相位差的线偏振光且有固定相位差的线偏振光:Ex=E0 xcos(t+x)Ey=E0ycos(t+y)5.5.园偏振光园偏振光k=k=偶偶:右旋右旋k=k=奇奇:左旋左旋1234567891011120123456789101112第四章第四章 光的偏振光的

7、偏振4.2 4.2 起偏振器与检偏振器起偏振器与检偏振器 马吕斯定律马吕斯定律全部通过全部通过寻找一种物质寻找一种物质,仅吸收特定振动方向的光仅吸收特定振动方向的光,可实现偏振光。可实现偏振光。天然电石气晶体天然电石气晶体碘化硫酸奎宁微小有机晶粒沉淀在塑料膜上并拉伸该膜碘化硫酸奎宁微小有机晶粒沉淀在塑料膜上并拉伸该膜检偏方法检偏方法:旋转检偏器旋转检偏器,出射出射光光 呈呈周期性明暗变化周期性明暗变化,则为偏振光则为偏振光.若已知检偏器偏振方向若已知检偏器偏振方向,还可得被测光的偏振方向还可得被测光的偏振方向.起偏起偏检偏检偏全部不通过全部不通过第四章第四章 光的偏振光的偏振部分通过部分通过马

8、吕斯定律马吕斯定律:偏振化方向偏振化方向证明如下：证明如下：(证毕证毕)自然光自然光I0线偏振光线偏振光I偏振化方向偏振化方向线偏振光线偏振光I起偏器起偏器检偏器检偏器偏振化方向偏振化方向如果如果出射光强出射光强 I I=？第四章第四章 光的偏振光的偏振例题例题.两起偏器如图。若两起偏器如图。若I I0 0为线偏振光为线偏振光,则：则：I I0 0 从左向右，从起偏器从左向右，从起偏器2 2输出输出 I I1 1；I I0 0 从右向左，从起偏器从右向左，从起偏器1 1输出输出 I I2 2。求：求：I I2 2/I/I1 1=?=?I012偏振化方向偏振化方向解：解：若若I I0 0为自然光

9、，则为自然光，则I I2 2/I/I1 1=1 (=1 (自证自证)第四章第四章 光的偏振光的偏振例：例：平行放置两偏振片，使它们的偏振化向成平行放置两偏振片，使它们的偏振化向成 60 夹角。夹角。让自然光垂直入射后，若两偏振片对光振动平行于其偏振化让自然光垂直入射后，若两偏振片对光振动平行于其偏振化方向的光线方向的光线 (1)均无吸收，均无吸收，(2)分别吸收了分别吸收了10%的能量的能量(1)无吸收时，有无吸收时，有解：解：(2)有吸收时，有有吸收时，有求透射光的光强与入射光的光强之比是多大？求透射光的光强与入射光的光强之比是多大？第四章第四章 光的偏振光的偏振1809.(1809.(法法

10、)马吕斯：烛光水面反射光马吕斯：烛光水面反射光-偏振偏振(入射角入射角i=52.45=52.45)1815.1815.布儒斯特定律：布儒斯特定律：当当ib b+=/2/2时时,反射光是线偏振光反射光是线偏振光,并且垂直於入射面。并且垂直於入射面。R由折射定律：由折射定律：称称 ib b 为布儒斯特角为布儒斯特角 入射面：界面法线与入射光线构成的平面。入射面：界面法线与入射光线构成的平面。4.3 4.3 反射和折射时的偏振反射和折射时的偏振n1n2ibib b+=/2/2T线偏振光线偏振光部分偏振光部分偏振光例例:空气空气-玻璃玻璃:ib 56 ;空气空气-水水:ib 53 第四章第四章 光的偏

11、振光的偏振应用：应用：玻璃片堆起偏器玻璃片堆起偏器:每次反射光能每次反射光能15%,15%,为加强反射或使透射光完全偏振为加强反射或使透射光完全偏振 玻璃片堆玻璃片堆(含空气隙含空气隙)玻璃片堆玻璃片堆入射自然光入射自然光线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光海边逆光摄海边逆光摄景物景物,有海有海面面强反射光强反射光,怎么办？怎么办？第四章第四章 光的偏振光的偏振4.4 4.4 散射光的偏振散射光的偏振光的散射现象光的散射现象太阳光太阳光窗户入室窗户入室室内浮悬尘埃室内浮悬尘埃光柱光柱一束光一束光清水杯清水杯滴入两滴牛奶滴入两滴牛奶光柱光柱小颗粒散射光小颗粒散射光18711871年年(英英)瑞利散射

12、定律：瑞利散射定律：当小颗粒尺寸小于可见光波长当小颗粒尺寸小于可见光波长时，时，I散射光散射光1/1/4 4偶极振子的辐射场强偶极振子的辐射场强E2,辐射功率辐射功率E2 41/4 热运动热运动各振子发次波属非相干各振子发次波属非相干各辐射功率之和各辐射功率之和I散射光散射光19071907年年(俄俄)曼杰利斯塔姆曼杰利斯塔姆提出：提出：分子热运动分子热运动密度局部涨落密度局部涨落折射率局涨落折射率局涨落散射光散射光I1/419101910年年(德德)爱因斯坦爱因斯坦提出提出-分子散射的定量理论分子散射的定量理论巧合巧合人眼人眼散射光散射光第四章第四章 光的偏振光的偏振解释自然现象解释自然现象

13、:分子热运动分子热运动密度局部涨落密度局部涨落 白天白天悬浮尘埃悬浮尘埃 I散射光散射光1/1/4 4蓝紫光散射强蓝紫光散射强蓝天空蓝天空日落西山日落西山太阳光太阳光大气层厚大气层厚短波蓝光散射掉短波蓝光散射掉夕阳红夕阳红日出东方日出东方太阳光太阳光大气层厚大气层厚短波蓝光散射掉短波蓝光散射掉红日东升红日东升地球地球云云众多水滴组成众多水滴组成 水滴半径大于水滴半径大于可可见见光光I散射光散射光与与无关无关白云白云研究意义研究意义:解释自然现象解释自然现象,了解物质结构了解物质结构等等日出日出日落日落第四章第四章 光的偏振光的偏振散射引起的偏振散射引起的偏振散射光本质：入射光波的电场散射光本质

14、：入射光波的电场电偶极子振动电偶极子振动变化电磁场变化电磁场电磁波电磁波散射光散射光zxy电偶极子电偶极子P散射最小散射最小散射最大散射最大zxy散射最大散射最大zxyP散射最小散射最小线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光自然光自然光P线偏振光线偏振光部分偏振光部分偏振光自然光自然光结论结论：入射光方向入射光方向线偏振光线偏振光入射光方向入射光方向自然光自然光其它方向其它方向部分偏振光部分偏振光带电粒子受迫振动带电粒子受迫振动第四章第四章 光的偏振光的偏振第四章第四章 光的偏振光的偏振第四章第四章 光的偏振光的偏振第四章第四章 光的偏振光的偏振第四章第四章 光的偏振光的偏振参考书：参考书：1.1.赵凯华，钟锡华赵凯华，钟锡华.光学上册光学上册 2.2.毌国光，战元令毌国光，战元令.光学光学作业：作业：4.2,4.4,4.6