大学物理基础 光的偏振.ppt

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1、 电磁波是横波，电磁波是横波，E、B、v三者都是垂三者都是垂直的。直的。1.机械横波特点：机械横波特点：播播传传方方向向振振动动面面播播传传方方向向振振动动面面13.9 线偏振光线偏振光 自然光自然光2.光波的特点：光波的特点：由于光源发光是由大量原子发光组成，由于光源发光是由大量原子发光组成，每个原子发光的振动方向都是随机的，每个原子发光的振动方向都是随机的，E 和和 B 在各方向的振动都存在。可引起人在各方向的振动都存在。可引起人的视觉的只有的视觉的只有 E 矢量（光矢量）。矢量（光矢量）。E每个光矢量可分解为两相互垂直的振动。每个光矢量可分解为两相互垂直的振动。E13.9.1 自然光自然

2、光用相互垂直的光振动描写自然光。用相互垂直的光振动描写自然光。这两个方向的光振动的光强为自然光强度这两个方向的光振动的光强为自然光强度的一半。的一半。13.9.2 偏振光偏振光-线偏振线偏振光光只有某一个方向的光振动。只有某一个方向的光振动。部分偏振光部分偏振光某一个方向的光振动占优势。某一个方向的光振动占优势。某些物质能强烈地吸收某个方向的光某些物质能强烈地吸收某个方向的光振动，当自然光照射上时，只允许某个特振动，当自然光照射上时，只允许某个特定方向的光振动通过，形成偏振光。定方向的光振动通过，形成偏振光。1.偏振片偏振片 聚乙烯醇浸碘后拉成薄膜，夹在两玻聚乙烯醇浸碘后拉成薄膜，夹在两玻璃片

3、间制成偏振片。璃片间制成偏振片。2.偏振化方向偏振化方向允许特定光振动通过的方向。允许特定光振动通过的方向。13.10 偏振片的起偏和检偏偏振片的起偏和检偏 马吕斯定马吕斯定律律 13.10.1 起偏和检偏起偏和检偏3.起偏起偏将自然光转变成偏振光的过程。将自然光转变成偏振光的过程。偏振化方向偏振化方向起偏器起偏器4.检偏检偏检测偏振光的过程。检测偏振光的过程。检偏器检偏器起偏器起偏器自自然然光光I0线线 偏偏 振振光光I偏偏 振振 化化方向方向线偏振光线偏振光I起偏器起偏器检偏器检偏器自自然然光光I0最亮最亮线线 偏偏 振振光光I自自然然光光I0线线 偏偏 振振光光I最暗最暗当当 P1/P2

4、 时，时，透射光最强。最亮透射光最强。最亮当当 P1 P2 时，时，透射光为透射光为0。最暗。最暗实验发现实验发现马吕斯马吕斯马吕斯马吕斯(Etienne Louis Etienne Louis Etienne Louis Etienne Louis MalusMalusMalusMalus 1775-1812)1775-1812)1775-1812)1775-1812)马吕斯从事光学方面的研究。马吕斯从事光学方面的研究。马吕斯从事光学方面的研究。马吕斯从事光学方面的研究。1808180818081808年发现反射时光的偏振，年发现反射时光的偏振，年发现反射时光的偏振，年发现反射时光的偏振，确

5、定了偏振光强度变化的规律（现称为马吕斯定律）。他研究确定了偏振光强度变化的规律（现称为马吕斯定律）。他研究确定了偏振光强度变化的规律（现称为马吕斯定律）。他研究确定了偏振光强度变化的规律（现称为马吕斯定律）。他研究了光在晶体中的双折射现象，了光在晶体中的双折射现象，了光在晶体中的双折射现象，了光在晶体中的双折射现象，1811181118111811年，他与年，他与年，他与年，他与J.J.J.J.毕奥各自独立地毕奥各自独立地毕奥各自独立地毕奥各自独立地发现折射时光的偏振，提出了确定晶体光轴的方法，研制成一发现折射时光的偏振，提出了确定晶体光轴的方法，研制成一发现折射时光的偏振，提出了确定晶体光轴

6、的方法，研制成一发现折射时光的偏振，提出了确定晶体光轴的方法，研制成一系列偏振仪器。系列偏振仪器。系列偏振仪器。系列偏振仪器。法国物理学家及军事工程师。出生法国物理学家及军事工程师。出生法国物理学家及军事工程师。出生法国物理学家及军事工程师。出生于巴黎，于巴黎，于巴黎，于巴黎，1796179617961796年毕业于巴黎工艺学院，年毕业于巴黎工艺学院，年毕业于巴黎工艺学院，年毕业于巴黎工艺学院，曾在工程兵部队中任职。曾在工程兵部队中任职。曾在工程兵部队中任职。曾在工程兵部队中任职。1808180818081808年起在巴年起在巴年起在巴年起在巴黎工艺学院工作。黎工艺学院工作。黎工艺学院工作。黎

7、工艺学院工作。1810181018101810年被选为巴黎科年被选为巴黎科年被选为巴黎科年被选为巴黎科学院院士，曾获得过伦敦皇家学会奖章。学院院士，曾获得过伦敦皇家学会奖章。学院院士，曾获得过伦敦皇家学会奖章。学院院士，曾获得过伦敦皇家学会奖章。13.10.2 马吕斯定理马吕斯定理 两偏振片两偏振片偏振化方向偏振化方向夹角为夹角为 。将通过将通过 P1 的光的光矢量振幅矢量振幅 A1，分解分解为平行于为平行于P2 的分量的分量 A2 和垂直于和垂直于P2的分的分量量 A。垂直分量垂直分量 A 不能通过不能通过P2，平行分量平行分量 A2 可通过可通过 P2。由于光强与光振幅平方成正比，由于光强

8、与光振幅平方成正比，马吕斯定律马吕斯定律马吕斯定律马吕斯定律讨论：讨论：1.当当时，时，2.当当时，消光时，消光例例1.两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射其上时没有光线透过。当其中一偏直入射其上时没有光线透过。当其中一偏振片慢慢转动振片慢慢转动180 时透射光强度发生的变时透射光强度发生的变化为化为:B （A）光强单调增加；光强单调增加；（B）光强先增加，后有减小至零；光强先增加，后有减小至零；（C）光强先增加，后减小，再增加；光强先增加，后减小，再增加；（D）光强先增加，然后减小，再增加再光强先增加，然后减小，再增加再减小至零。减小至零。例例2.有三个偏振

9、片堆叠在一起，第一块与有三个偏振片堆叠在一起，第一块与第三块的偏振片化方向相互垂直，第二块第三块的偏振片化方向相互垂直，第二块和第一块的偏振化方向相互平行，然后第和第一块的偏振化方向相互平行，然后第二块偏振片以恒定的角速度二块偏振片以恒定的角速度 w 绕光传播的绕光传播的方向旋转，设入射自然光的光强为方向旋转，设入射自然光的光强为 I0。试试证明：证明：此自然光通过这一系统后，出射光此自然光通过这一系统后，出射光的光强为的光强为 当自然光入射到当自然光入射到媒质表面时，反射光媒质表面时，反射光和折射光都是部分偏和折射光都是部分偏振光。振光。当当入射角满足入射角满足时，反射光为时，反射光为偏振光

10、，折射光为部分偏振光。偏振光，折射光为部分偏振光。1 13.11 3.11 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 13.11.1 反射和折射产生的偏振反射和折射产生的偏振13.12.2 布儒斯特定律布儒斯特定律反射线与折射线垂直。反射线与折射线垂直。证明：证明：由折射定律由折射定律和布儒斯特定律和布儒斯特定律证毕证毕即反射线与折射线垂直。即反射线与折射线垂直。玻璃玻璃n2=1.5，布儒斯特角布儒斯特角水水n2=1.33，玻璃堆可产生玻璃堆可产生较强的反射偏振光。较强的反射偏振光。玻璃片堆起偏和检偏玻璃片堆起偏和检偏例例.一束自然光自空气射一束自然光自空气射向一块平

11、板玻璃向一块平板玻璃(如图如图)，设入射角等于布儒斯特角设入射角等于布儒斯特角i0，则在界面则在界面 2 的反射光的反射光 B （A）光强为零；光强为零；（B）是完全偏振光且光矢量的振动方向是完全偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面；垂直于入射面；（C）是完全偏振光且光矢量的振动方是完全偏振光且光矢量的振动方向平行于入射面；向平行于入射面；（D）是部分偏振光。是部分偏振光。当一束自然光穿过双折射晶体时，分当一束自然光穿过双折射晶体时，分成两束偏振光。如方解石晶体。成两束偏振光。如方解石晶体。例如：例如：白纸上涂一个白纸上涂一个黑点，将方解石放在纸黑点，将方解石放在纸上，可观察到两个黑点，上，可

12、观察到两个黑点，旋转方解石，一个黑点旋转方解石，一个黑点不动，另一个黑点旋转。不动，另一个黑点旋转。1 13.123.12 双折射现象双折射现象13.12.1 晶体的晶体的双折射现象双折射现象1.寻常光寻常光-o光光 服从折射定律，沿各方向的光的传播服从折射定律，沿各方向的光的传播速度相同，各向折射率速度相同，各向折射率 no 相同，为偏振光。相同，为偏振光。寻常光、非常光寻常光、非常光2.非常光非常光-e光光 不服从折射定律，沿各方向的光的不服从折射定律，沿各方向的光的传播速度不相同，各向折射率传播速度不相同，各向折射率 ne 不相同，不相同，为偏振光。为偏振光。1.光轴光轴 在该方向上在该

13、方向上o光、光、e光的传播速度相同，光的传播速度相同，折射率相同，两光线重合。折射率相同，两光线重合。AB两点的连线为光轴，两点的连线为光轴，平行于光轴方向平行于光轴方向o、e光重合光重合垂直于光轴方向垂直于光轴方向no、ne相差最大，相差最大，o、e光偏离最大。光偏离最大。光轴、主平面、正负晶体光轴、主平面、正负晶体2.主平面主平面-主截主截面面 晶体内任一光线和光轴所决定的平面晶体内任一光线和光轴所决定的平面为此光线的主平面。为此光线的主平面。o 光、光、e 光都有各自的主平面。光都有各自的主平面。o光的振动方向与它光的振动方向与它的主平面垂直，的主平面垂直，e光的振动方向与它光的振动方向

14、与它的主平面平行。的主平面平行。垂直入射时，两主垂直入射时，两主平面重合。平面重合。光轴光轴方解石方解石3.正负晶体正负晶体正晶体正晶体负晶体负晶体如方解石晶体如方解石晶体如石英晶体如石英晶体例例.ABCD 为一块方解石的一个截面，光为一块方解石的一个截面，光轴方向在屏幕面内且与轴方向在屏幕面内且与AB 成一锐角成一锐角 ,如如图所示图所示.一束平行的单色自然光垂直于一束平行的单色自然光垂直于 AB 端面入射端面入射.在方解石内折射分解为在方解石内折射分解为 o 光和光和 e 光光,o 光和光和 e 光的光的:(A)传播方向相同传播方向相同,光矢光矢量的振动方向互相垂直量的振动方向互相垂直.C

15、 (D)传播方向不相同传播方向不相同,光矢光矢量的振动方向不互相垂直量的振动方向不互相垂直.(C)传播方向不相同传播方向不相同,光矢光矢量的振动方向互相垂直量的振动方向互相垂直.(B)传播方向相同传播方向相同,光矢量光矢量的振动方向不互相垂直的振动方向不互相垂直.1.一束光强为一束光强为 I0 的自然光垂直穿过两个偏的自然光垂直穿过两个偏振片，且此两偏振片的偏振化方向成振片，且此两偏振片的偏振化方向成 45 角，若不考虑偏振片的反射和吸收，则穿角，若不考虑偏振片的反射和吸收，则穿过两个偏振片后的光强为：过两个偏振片后的光强为：B （A）（B）（C）（D）2.三个偏振片三个偏振片 P1、P2与与

16、P3 堆叠在一起，堆叠在一起，P1 与与 P3 的片振化方向相互垂直，的片振化方向相互垂直，P2 与与 P1 的片振化方向间的夹角为的片振化方向间的夹角为 30 。强度为。强度为 I0 的自然光垂直入射到偏振片的自然光垂直入射到偏振片 P1，并依并依次透过偏振片次透过偏振片 P1、P2 与与 P3，若不考虑偏若不考虑偏振片的吸收和反射，则通过三个偏振片后振片的吸收和反射，则通过三个偏振片后的光光强为：的光光强为：C （A）（B）（C）（D）3.自然光以自然光以 60 的入射角照射到某一透明的入射角照射到某一透明介质表面时，反射光为线偏振光，则知：介质表面时，反射光为线偏振光，则知：B （A）折

17、射光为线偏振光折射光为线偏振光 30 ；（B）折射光为部分偏振光，折射角为折射光为部分偏振光，折射角为 30 ；（C）折射光为线偏振光，折射角不能确折射光为线偏振光，折射角不能确定；定；（D）折射光为部分偏振光，折射角不能折射光为部分偏振光，折射角不能确定；确定；4.一束自然光自空气射向一束自然光自空气射向一块平板玻璃一块平板玻璃(如图如图)，设，设入射角等于布儒斯特角入射角等于布儒斯特角i0，则在界面则在界面 2 的反射光的反射光 B （A）光强为零；光强为零；（B）是完全偏振光且光矢量的振动方向是完全偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面；垂直于入射面；（C）是完全偏振光且光矢量的振动方向是

18、完全偏振光且光矢量的振动方向平行于入射面；平行于入射面；（D）是部分偏振光。是部分偏振光。5.一束光是自然光和线偏振光的混合光，一束光是自然光和线偏振光的混合光，让它们垂直通过一偏振片，若以此入射光让它们垂直通过一偏振片，若以此入射光束为轴旋转偏振片，测得透射光强度最大束为轴旋转偏振片，测得透射光强度最大值是最小值的值是最小值的 5 倍，那么入射光束中自然倍，那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为：光与线偏振光的光强比值为：A (A)1/2;(B)1/5;(C)1/3;(D)2/3.6.两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射其上时没有光线透过。当其中一偏振

19、入射其上时没有光线透过。当其中一偏振片慢慢转动片慢慢转动180 时透射光强度发生的变时透射光强度发生的变化为化为:B （A）光强单调增加；光强单调增加；（B）光强先增加，后有减小至零；光强先增加，后有减小至零；（C）光强先增加，后减小，再增加；光强先增加，后减小，再增加；（D）光强先增加，然后减小，再增加再光强先增加，然后减小，再增加再减小至零。减小至零。7.使一光强为使一光强为 I0 的平面偏振光先后通过两的平面偏振光先后通过两个偏振片个偏振片 P1 和和 P2.P1 和和 P2 的偏振化方向的偏振化方向与原入射光光矢量振动方向的夹角是与原入射光光矢量振动方向的夹角是a 和和 90，则通过这

20、两个偏振片后的光强，则通过这两个偏振片后的光强 I是是:C (B)0.(A)(C)(D)(E)8.一束光是自然光和线偏振光的混合光，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，测得透射光强度最大值为轴旋转偏振片，测得透射光强度最大值是最小值的是最小值的 5 倍，那么入射光束中自然光倍，那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为与线偏振光的光强比值为（A）1/2（B）1/5（C）1/3（D）2/3 A 9.自然光以布儒斯特角由空气入射到一玻自然光以布儒斯特角由空气入射到一玻璃表面上，反射光是璃表面上，反射光是（A）在入射面内振动的完全偏振光。在入射面内振动的完全偏振光。（B）平行于入射面的振动占优势的部分平行于入射面的振动占优势的部分偏振光。偏振光。（C）垂直于入射面振动的完全偏振光。垂直于入射面振动的完全偏振光。（D）垂直于入射面的振动占优势的部分垂直于入射面的振动占优势的部分偏振光偏振光.C