dch5.1自然光与偏振光5.2线偏振光与部分偏振光(精品).ppt

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1、第五章 光的偏振（Polarization of light）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.偏振现象是横波独具的特性。光的干涉、衍射、偏振光的干涉、衍射、偏振 构成了波动光学的基础构成了波动光学的基础偏振现象是横波区别于纵波的主要特征，偏振现象是横波区别于纵波的主要特征，只有横波才有偏振现象。只有横波才有偏振现象。早在早在1669年丹麦科学家巴托林年丹麦科学家巴托林.通过冰洲通过冰洲石（方解石）观察物体时，首次发现了石（方解石）观察物体时，首次发现了双折射现象双折射现象.法国的科学家马吕斯在法国的科学家马吕斯在1808年通过晶体年通

2、过晶体观察从玻璃上反射光时，发现了偏振现观察从玻璃上反射光时，发现了偏振现象，并引入偏振这一概念象，并引入偏振这一概念.菲涅耳和阿喇果等人总结了偏振光干涉的菲涅耳和阿喇果等人总结了偏振光干涉的规律，为了解释种种偏振现象，托马斯规律，为了解释种种偏振现象，托马斯杨在杨在1817年首次提出了光波是横波。年首次提出了光波是横波。直到直到1865年，麦克斯韦建立了电磁理论以年，麦克斯韦建立了电磁理论以后，光的横波性才得到了坚实的理论基础，后，光的横波性才得到了坚实的理论基础，从而使光的偏振现象得到完全合理的解释，从而使光的偏振现象得到完全合理的解释，反过来光的偏振现象则成为光的电磁理论反过来光的偏振现

3、象则成为光的电磁理论最有力的实验证据。最有力的实验证据。沿纵波的传播方向作任意平面，波的运动情况相沿纵波的传播方向作任意平面，波的运动情况相同，具有对称性，即同，具有对称性，即 纵波的振动相对于传播方向纵波的振动相对于传播方向是轴对称的。是轴对称的。一、光的偏振性一、光的偏振性机械横波与纵波的区别机械横波与纵波的区别横波的振动相对于传播方向不是轴对称的。横波的振动相对于传播方向不是轴对称的。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偏振偏振 波的振动方向相对于传播方向的不对称性，波的振动方向相对于传播方向的不对称性，叫偏振。叫偏振。这就是说，横波具有偏振性，而纵波不这

4、就是说，横波具有偏振性，而纵波不具备偏振性。具备偏振性。光是横波，应该具有偏振性。光是横波，应该具有偏振性。5.1自然光和偏振光（Natural Light and Polarized Light）偏振偏振波的振动方向对于传播方向的不对称性波的振动方向对于传播方向的不对称性横波特有的性质横波特有的性质。一、光的偏振态偏振态 三类五种 1 偏振光偏振光（线偏振光）（线偏振光）符号表示符号表示光振动只沿某一固定方向的光光振动只沿某一固定方向的光.振动面振动面线偏振光-电矢量的振动面只限于某一确定的平面。电矢量与传播方向所构成的平面称为振动面电矢量与传播方向所构成的平面称为振动面线偏振光线偏振光E播

5、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线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：EEyEx yx 自然光特点在与传播方向垂直的平面上，各个方向电矢量的时间平均值相等。可看作沿传2自然光（非偏振光）自然光（非偏振光）播方向对称分布的、无固定相位关系的大量线偏振光的集合。一般光源发出的光，不能直接显示偏振性一般光源发出的光，不能直接显示偏振性包含各个方向的光矢量在所有可能的方包含各个方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等向上的振幅都相等.没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解 机理：原子自发辐射具有独立性、间歇机理：原子自发辐射具

6、有独立性、间歇性和随机性普通光源所发出的光性和随机性普通光源所发出的光,波列之间波列之间是相互独立的，没有固定的关联（相位、是相互独立的，没有固定的关联（相位、振动方向、振幅、波列长短等），按统计振动方向、振幅、波列长短等），按统计原理，无论哪一方向的振动在各方向上的原理，无论哪一方向的振动在各方向上的分布是对称的，振幅也可看成是完全相等分布是对称的，振幅也可看成是完全相等的（统计平均）的（统计平均）.一一束束自自然然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的、等幅的、直的、等幅的、不相干不相干的线偏振光。的线偏振光。符号表示符号表示注意注意 各光矢量间无固定的相各光矢量间无

7、固定的相位关系位关系.所以不能合成一所以不能合成一个线偏振光个线偏振光 二二互相互相垂直方向是垂直方向是任选的任选的.自然光自然光：讨论问题时可看作两个振幅相同振动互相垂直的非相干线偏振光的叠加。部分偏振光部分偏振光：某一方向的光振动比与之垂直方向：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振上的光振动占优势的光为部分偏振部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。等幅的、不相干的线偏振光。符号表示符号表示3 部分偏振光及偏振度部分偏振光及偏振度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图示：通常用

8、偏振度通常用偏振度P P 表示部分偏振光的偏振程度表示部分偏振光的偏振程度对于自然光，对于自然光，I Imax=max=I Iminmin ，P P 0 0；对于线偏振光，对于线偏振光，I Iminmin0 0，P P 1 1。线偏振光是偏振度最大的光，又叫线偏振光是偏振度最大的光，又叫全偏振光全偏振光。部分偏振光还可以表示成为部分偏振光还可以表示成为 自然光和平面偏振光的叠加自然光和平面偏振光的叠加 偏振度偏振度 I IMM在某一方向上的偏振光强度最大值在某一方向上的偏振光强度最大值 I Inn与之垂直方向的偏振光强度最小值与之垂直方向的偏振光强度最小值 平面偏振光平面偏振光 P P=1=1

9、自然光自然光(非偏振光非偏振光)P P=0=0部分偏振光部分偏振光0 0 P P 1 1图示：图示：自然光自然光 线偏振光：线偏振光：部分偏振光：部分偏振光：1、偏振光及其表征、偏振光及其表征：（1）自然光）自然光 （2）线偏振光）线偏振光 （3）部分偏振光）部分偏振光 ,2、偏振光产生的方法：、偏振光产生的方法：（1）二向色性元件（）二向色性元件（天然、人工天然、人工）:起偏器和检偏器，马吕斯定律。起偏器和检偏器，马吕斯定律。（2）界面反射（布儒斯特定律）界面反射（布儒斯特定律）（3）界面折射（应用：）界面折射（应用：laser 的布儒斯特窗）的布儒斯特窗）某些物质能吸收某一方向的光振动某些

10、物质能吸收某一方向的光振动,而而只让与这个方向平行的光振动通过只让与这个方向平行的光振动通过,这种性这种性质称二向色性质称二向色性.5.2 线偏振光与部分偏振光线偏振光与部分偏振光二向色性（dichroism）：利用某些晶体对振动方向不同的电矢量具有选择吸收的性质一、偏振光的获得一、偏振光的获得:物质的二向色性二向色性二向色性：物质所具有的对相互垂直的两个光振动物质所具有的对相互垂直的两个光振动的选择吸收作用。的选择吸收作用。有些能够产生双折射的单轴晶体，对有些能够产生双折射的单轴晶体，对o光和光和e光的吸光的吸收作用有很大不同，对其中的一个吸收作用很强，而收作用有很大不同，对其中的一个吸收作

11、用很强，而对另一个很弱。对另一个很弱。在高分子化合物中，使高分子长链沿某个方向有规在高分子化合物中，使高分子长链沿某个方向有规则的排列，经特殊加工后，它会对相互垂直的两个光则的排列，经特殊加工后，它会对相互垂直的两个光振动产生不同的吸收作用。振动产生不同的吸收作用。具有二向色性的物质可以用来制作偏振片。具有二向色性的物质可以用来制作偏振片。制成的起偏器（检偏器）叫偏振片（polaroid）。涂有二向色性材料的透明薄片涂有二向色性材料的透明薄片.它只让某它只让某一特定方向的光振动通过。一特定方向的光振动通过。偏振片偏振片：起偏器：能够使自然光变为某种偏振光的光学元件检偏器：用来检验偏振光的光学元

12、件。二二二二.起偏和检偏起偏和检偏起偏和检偏起偏和检偏 起偏的原理起偏的原理：利用某利用某些材料在些材料在光学光学性性 质上的各向异性。质上的各向异性。起偏：从自然光获得偏振光起偏：从自然光获得偏振光。起偏器起偏器:起偏的光学器件起偏的光学器件。电气石晶片电气石晶片非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光光轴光轴 偏振片的起偏偏振片的起偏非偏振光非偏振光I0线偏振光线偏振光 IP偏振化方向偏振化方向(透振方向透振方向)偏振片偏振片 检偏：检偏：用偏振器件分析、检验光的偏振态用偏振器件分析、检验光的偏振态 偏振片的起偏偏振片的起偏 起起 偏偏 偏振化方向（偏振化方向（透振方向）：当自然光照射：当自然光照

13、射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向.偏振化方向偏振化方向起偏器起偏器 偏振片上允许通过光振动的方向叫做偏振偏振片上允许通过光振动的方向叫做偏振片的偏振化方向。也叫片的偏振化方向。也叫透光轴透光轴。偏振片的偏振化方向偏振片的偏振化方向检偏器检偏器 检检 偏偏起偏器起偏器偏振片对不同偏振态的作用偏振片对不同偏振态的作用 自然光通过偏振片后即成为线偏振光，线偏振光的自然光通过偏振片后即成为线偏振光，线偏振光的振动方向与偏振片的偏振化方向相同。此时的偏振片振动方向与偏振片的偏振化方向相同。此

14、时的偏振片称为称为起偏器起偏器。若入射自然光的光强为若入射自然光的光强为I0 0，其通过偏振片后，光其通过偏振片后，光强降为强降为I0 0/2/2。检偏检偏用偏振器件分析、检验光的偏振态用偏振器件分析、检验光的偏振态I?P待检光待检光思考：思考：I不变不变？是什么光？是什么光 I变，有消光变，有消光？是什么光？是什么光 I变，无消光变，无消光？是什么光？是什么光Malus定律-线偏振光经过检偏器后的透射光强随起偏器和检偏器透振方向间夹角变化的规律。二马吕斯定律二马吕斯定律（1880 年）年）注意：偏振片的特点是只允许电振动沿透振方向的光通过自然光通过无吸收的理想偏振片后其强度应减为原来的一半。

15、马吕斯定律马吕斯定律-马吕斯定马吕斯定律律 光强为光强为I1 1的线偏振光，当其振动方向与偏振片的偏的线偏振光，当其振动方向与偏振片的偏振化方向的成振化方向的成角时，则透过偏振片的光强为：角时，则透过偏振片的光强为：注意两点：注意两点：入射光必须是线偏振光，不是自然光；入射光必须是线偏振光，不是自然光；是与是与coscos2 2 正比，而不是与正比，而不是与coscos 正比。正比。AI1I =0或或 =1800时时,I2=I1光强最强光强最强讨论：讨论：=900或或=2700时时,I=0光强最弱光强最弱 =0或或 =1800时时,I2=I1光强最强光强最强讨论：讨论：=900或或=2700时

16、时,I=0光强最弱光强最弱 例例 有两个偏振片有两个偏振片,一个用作起偏器一个用作起偏器,一一个用作检偏器当它们偏振化方向间的夹角个用作检偏器当它们偏振化方向间的夹角为为 时时,一束单色自然光穿过它们一束单色自然光穿过它们,出射出射光强为光强为 ；当它们偏振化方向间的夹角为当它们偏振化方向间的夹角为 时，另一束单色自然光穿过它们时，另一束单色自然光穿过它们,出射光出射光强为强为 ,且且 .求两束单色自然光的求两束单色自然光的强度之比强度之比.解解 设两束单色自然光的强度分别为设两束单色自然光的强度分别为I10 和和 I20.经过起偏器后光强分别为经过起偏器后光强分别为 和和经过检偏器后经过检偏

17、器后 在两块正交偏振片在两块正交偏振片p p1 1,p,p3 3 之间插入另一之间插入另一块偏振片块偏振片p p2 2 ，光强为光强为I0 的自然光垂直入射于的自然光垂直入射于偏振片偏振片p p1 1，讨论转动讨论转动p p2 2 透过透过p p3 3 的光强的光强I与转与转角的关系角的关系.讨论讨论若若 在在 间变化，间变化，如何变化如何变化？空气空气 入射面入射面 入射光线和法入射光线和法线所成的平面线所成的平面.反射光反射光 部分部分偏振光偏振光 ，垂直于入射面的振动大于，垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动平行于入射面的振动.折射光折射光 部分部分偏振光，平行于入射面的振动大偏振光

18、，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动于垂直于入射面的振动.理论和实验证明理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关：反射光的偏振化程度与入射角有关.三光反射与折射时的偏振三光反射与折射时的偏振玻璃玻璃 一一.部分偏振现象部分偏振现象FF自然光在两各向同性媒介自然光在两各向同性媒介分界面上反射和折射时，反、分界面上反射和折射时，反、折射光均成为部分偏振光折射光均成为部分偏振光FF特点：反射光垂直入射面的振动较强，折射光特点：反射光垂直入射面的振动较强，折射光反之反之三光反射与折射时的偏振三光反射与折射时的偏振二二.布儒斯特定律布儒斯特定律FF1812年年布儒斯特发布儒斯特发现，当入射角

19、为某特现，当入射角为某特定值时，反射光为振定值时，反射光为振动方向垂直于入射面动方向垂直于入射面的线偏振光的线偏振光布儒斯特角布儒斯特角由折射定律由折射定律-布儒斯特定律布儒斯特定律说明：i=i0时，反射光为线偏振光，而折射光仍时，反射光为线偏振光，而折射光仍然是部分偏振光，但此时偏振化程度最高然是部分偏振光，但此时偏振化程度最高布儒斯特定律布儒斯特定律（1812年）年）反射光为完全偏振光，且振动面垂直入射面，反射光为完全偏振光，且振动面垂直入射面，折射光为部分偏振光折射光为部分偏振光当当 时，时，玻璃玻璃空气空气使反射光成为全偏振光时的入射角使反射光成为全偏振光时的入射角i0 0称为布儒斯称

20、为布儒斯特角。特角。n2n1 当入射角为布儒斯特角时，反射线和折射线当入射角为布儒斯特角时，反射线和折射线互相互相 垂直，即有垂直，即有(1)反射光和折射光互相垂直反射光和折射光互相垂直.讨论讨论 对对空空气气与与玻玻璃璃组组合合的的情情况况，n n1 1 =1.00=1.00(空空气气)，若若n n2 2=1.50(=1.50(玻璃玻璃)，则：，则：可见，当入射光等于起偏角时，反射光可见，当入射光等于起偏角时，反射光线与折射光线互相垂直。线与折射光线互相垂直。(2)根据光的根据光的可逆性可逆性，当入射光以，当入射光以 角角从从 介质入射于界面时，此介质入射于界面时，此 角即为布儒角即为布儒斯

21、特角斯特角.玻玻璃璃玻璃玻璃注意注意 对于一般的光学玻璃对于一般的光学玻璃,反射光的强反射光的强度约占入射光强度的度约占入射光强度的7.5%,大部分光将透过大部分光将透过玻璃玻璃.利用利用玻璃片堆玻璃片堆产生产生线线偏振光偏振光 让让自自然然光光通通过过玻玻璃璃片片堆堆，可可使使折折射射光光的的偏偏振振化化程程度度增增加加。玻玻璃璃片片足足够够多多时时，可使折射光为完全偏振光可使折射光为完全偏振光 反射光光强较弱，折射光较强反射光光强较弱，折射光较强讨论讨论讨论光线的反射和折射讨论光线的反射和折射(起偏角起偏角 )讨论讨论 如图的装置如图的装置 为为偏振片，问下列四种情况，屏上有无干涉条偏振片，问下列四种情况，屏上有无干涉条纹？纹？无（两振动互相垂直）无（两振动互相垂直）(1)去掉去掉 保留保留(2)去掉去掉 保留保留(3)去掉去掉 保留保留(4)都保留都保留无（两振动互相垂直）无（两振动互相垂直）无（无恒定相位差）无（无恒定相位差）有有