第十二章-光的偏振精选文档.ppt

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1、第十二章-光的偏振本讲稿第一页，共四十五页本章本章教学要求：教学要求：理解自然光和线偏振光。理解布儒斯特定律及理解自然光和线偏振光。理解布儒斯特定律及马吕斯定律。了解双折射现象。了解线偏振光的获马吕斯定律。了解双折射现象。了解线偏振光的获得方法和检验方法。得方法和检验方法。了解圆偏振光、椭圆偏振光及偏振光的干涉。了解圆偏振光、椭圆偏振光及偏振光的干涉。本章重点：本章重点：线偏振光线偏振光,马吕斯定律马吕斯定律,布儒斯特定律。布儒斯特定律。双折射。双折射。本章难点：本章难点：偏振光的获得方法和检验方法偏振光的获得方法和检验方法,布儒斯特定律布儒斯特定律双折射双折射.返回目录下一页上一页本讲稿第二

2、页，共四十五页12.1 自然光与偏振光光的偏振目录光的偏振目录12.3 反射和折射时的偏振 布儒斯特定律12.4 双折射现象12.2 偏振片 起偏和检偏12.5 利用双折射现象产生偏振光的仪器返回总目录返回总目录本讲稿第三页，共四十五页第十二章第十二章 光的偏振光的偏振对纵波而言，包含传播方向与振动方向所构成的平面，哪对纵波而言，包含传播方向与振动方向所构成的平面，哪一个都一样，没有一个显示出与另一个有什么区别或不同。一个都一样，没有一个显示出与另一个有什么区别或不同。称之为：波的振动方向对传播方向具有对称性。称之为：波的振动方向对传播方向具有对称性。但对横波而言，由传播方向与振动方向所构成的

3、平面，与但对横波而言，由传播方向与振动方向所构成的平面，与包含传播方向而不包含振动方向的其它平面有区别。这种包含传播方向而不包含振动方向的其它平面有区别。这种区别与不同称之为：波的振动方向对传播方向不具有对称区别与不同称之为：波的振动方向对传播方向不具有对称性。这种不对称性称之为偏振。性。这种不对称性称之为偏振。12-1 自然光和偏振光 本讲稿第四页，共四十五页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.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本讲稿第五页，共四十五页二线偏振光、自然光、部分偏振光二线偏振光、自然光、部

4、分偏振光光波是电磁波，实验表明：引起人的视觉或引光波是电磁波，实验表明：引起人的视觉或引起感光材料的光化学效应主要是光波中的电矢起感光材料的光化学效应主要是光波中的电矢量量 所致，因此，电矢量所致，因此，电矢量 也称为光矢量。也称为光矢量。本讲稿第六页，共四十五页1）线偏振光）线偏振光 ：光矢量：光矢量E只限于垂直于传播方向的某一只限于垂直于传播方向的某一确定平面内的光（又称为平面偏振光）。确定平面内的光（又称为平面偏振光）。ZXYZXY表示：表示：或或表示：表示：平行于纸面振动平行于纸面振动垂直于纸面振动垂直于纸面振动振动面振动面光矢量光矢量(振动方向振动方向)与传播方向所构成的平面与传播方

5、向所构成的平面本讲稿第七页，共四十五页 自然光自然光：一般光源发出的光中，包含着各个方向的：一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这样的光叫自然光样的光叫自然光.自然光以两互相自然光以两互相垂直垂直的互为独立的的互为独立的 （无确定无确定的的相位相位关系）振幅相等的光振动表示关系）振幅相等的光振动表示,并各具有并各具有一半一半的振动能量的振动能量.注意注意 各光矢量间无固定的相位关系各光矢量间无固定的相位关系.二互相垂直方向是任选的二互相垂直方向是任选的.本讲稿第八页，共四十五页XY自然光自然光-在垂直

6、于传播方向的平面内，光矢量在垂直于传播方向的平面内，光矢量对称，光矢量振动沿各个方向的概率相等。对称，光矢量振动沿各个方向的概率相等。表示：表示：在垂直于传播方向的任在垂直于传播方向的任意两正交方向光矢量的意两正交方向光矢量的平均值相等。平均值相等。结论：自然光的横波性被发光的随机结论：自然光的横波性被发光的随机 性所破坏或掩盖。性所破坏或掩盖。3）部分偏振光）部分偏振光光矢量的平均值在某一方向上最强，与之垂直光矢量的平均值在某一方向上最强，与之垂直的方向上最弱的偏振光。的方向上最弱的偏振光。本讲稿第九页，共四十五页表示：表示：3）部分偏振光）部分偏振光光矢量的平均值在某一方向上最强，与之垂直

7、的方向光矢量的平均值在某一方向上最强，与之垂直的方向上最弱的偏振光。上最弱的偏振光。/于纸面的光振动的平均值于纸面的光振动的平均值垂直于纸面的光振动的平垂直于纸面的光振动的平均值。均值。于纸面的光振动的平均值于纸面的光振动的平均值平行于纸面的光振动的平平行于纸面的光振动的平均值。均值。XY本讲稿第十页，共四十五页右旋圆右旋圆偏振光偏振光右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光 y yx z传播方向传播方向 /2xE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 04 4）圆偏振光圆偏振光,椭圆偏振光椭圆偏振光频率相同、相位差 恒定而振动方向相互垂直的两列光波迭加后，在垂直于光波传播方向的

8、平面内，光矢量以一定的频率旋转，其端点的运动轨迹通常是一个椭圆，称这种合成光波为椭圆偏振光椭圆偏振光 当两线偏光的振幅相等，即Ax=Ay，且=(2k+1)/2时，轨迹由椭圆变为圆，称为圆偏振光圆偏振光；当=k时，光振动轨迹变为直线，成为线偏振光。本讲稿第十一页，共四十五页一）起偏与检偏一）起偏与检偏起偏起偏-从自然光获得偏振光从自然光获得偏振光检偏检偏-检查某束光是否是偏振光；检查某束光是否是偏振光；起偏振器起偏振器-从自然光获得偏振光的装置；从自然光获得偏振光的装置；检偏振器检偏振器-检查某束光是否是偏振光的装置。检查某束光是否是偏振光的装置。二）偏振片及其起偏检偏二）偏振片及其起偏检偏1）

9、何谓偏振片）何谓偏振片透明玻璃片透明玻璃片涂有金鸡纳霜或碧硒（电涂有金鸡纳霜或碧硒（电气石）等材料的簿膜气石）等材料的簿膜Polarizer and polarization analyzer、Malus law12-2 偏振片偏振片 马吕斯定律马吕斯定律 本讲稿第十二页，共四十五页二）偏振片及其起偏检偏二）偏振片及其起偏检偏1 1）何谓偏振片）何谓偏振片透明玻璃片透明玻璃片涂有金鸡纳霜或碧硒（电涂有金鸡纳霜或碧硒（电气石）等材料的簿膜气石）等材料的簿膜自然光自然光偏振光偏振光偏振化方向偏振化方向具有竖直偏振方向具有竖直偏振方向的偏振膜。吸收了的偏振膜。吸收了水平方向的光振动水平方向的光振动本

10、讲稿第十三页，共四十五页2 2）偏振片的用途）偏振片的用途A）作起偏振器）作起偏振器IsIs/2B）作检偏振器）作检偏振器偏振光偏振光变暗变暗自然光自然光不变暗不变暗IsIs/2Is/2Is自然光自然光Is/2I0/2本讲稿第十四页，共四十五页本讲稿第十五页，共四十五页3)3)马吕斯定律马吕斯定律P1 若若P1 P2的偏振化方向间的夹角不为的偏振化方向间的夹角不为0，也不，也不为为90度，则出射的光强为多少？度，则出射的光强为多少？垂直方向的分量被偏振片吸收，故出射的光强：垂直方向的分量被偏振片吸收，故出射的光强：或：或：Is自然光自然光Is/2=I0变暗变暗E E/Is/2P2 设自然光通过

11、设自然光通过P1后的振幅为后的振幅为E0，则光强则光强 振动分解有：振动分解有：本讲稿第十六页，共四十五页马吕斯定律：强度为马吕斯定律：强度为I0的线偏振光透过偏振片的线偏振光透过偏振片 后强度变为后强度变为I=I0cos2。（为入射的偏振光的振动方向与偏振片偏振化方为入射的偏振光的振动方向与偏振片偏振化方向间的夹角。）向间的夹角。）E E/I=I0cos2线偏振光通线偏振光通过偏振片后过偏振片后I01.光强改变光强改变2.仍然为线偏振光仍然为线偏振光,但振动方向但振动方向改变改变 角度角度.本讲稿第十七页，共四十五页P1P2例：一束自然光，光强度为例：一束自然光，光强度为I0，让其出射两个偏

12、振片，让其出射两个偏振片，两个偏两个偏振片之间的夹角为振片之间的夹角为450，求从第二个偏振片出射的偏振光强度。，求从第二个偏振片出射的偏振光强度。解：解：I0自然光自然光I0/2本讲稿第十八页，共四十五页本讲稿第十九页，共四十五页【例例12-2】如例12-2图(a)所示，在两块偏振化方向相互垂直的正交偏振片P1和P3之间插入另一块偏振片P2，光强为I0的自然光垂直入射于偏振片P1，求转动P2时，透过P3的光强与转角之间的关系。本讲稿第二十页，共四十五页一）反射和折射光中的偏振现象一）反射和折射光中的偏振现象1、反射光中垂直振动、反射光中垂直振动 强于平行的振动；强于平行的振动；2、折射光中平

13、行的振、折射光中平行的振 动强于垂直振动；动强于垂直振动；3、反射光折射光偏振、反射光折射光偏振 化的程度随入射角化的程度随入射角 的不同而不同。它的不同而不同。它 们都是部分偏振光们都是部分偏振光.n2n1Polarization of reflection and refraction.Brewsters law12-3 反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振 布儒斯特定律布儒斯特定律 本讲稿第二十一页，共四十五页二）布儒斯特定律（二）布儒斯特定律（18121812年）年）当入射角当入射角 等于一特定角等于一特定角 时，使之满足：时，使之满足：时，反射光只有垂直于时，反射光只有垂直于入射面的

14、振动入射面的振动,变为线偏振光变为线偏振光.这个特定的角称为这个特定的角称为 布儒斯特角；布儒斯特角；此时折射光仍为此时折射光仍为 部分偏振光；部分偏振光；入射角为起偏振角入射角为起偏振角 时，反射光与折射时，反射光与折射 光互相垂直。光互相垂直。n2n1注意：注意：本讲稿第二十二页，共四十五页入射角为起偏振角入射角为起偏振角 时，反射光与折射时，反射光与折射 光互相垂直。光互相垂直。证明：证明：由折射定律：由折射定律：式（式（1）（）（2）对照：）对照：（证毕！）（证毕！）n2n1注意：注意：由布儒斯特定律：由布儒斯特定律：本讲稿第二十三页，共四十五页解决办法：多次反射解决办法：多次反射 和

15、折射。和折射。玻璃堆：玻璃堆：问题：问题：1）反射光强一般较小；）反射光强一般较小；2）折射光仍为部分偏）折射光仍为部分偏振光。振光。n2n1通过反射与折射获得偏振光通过反射与折射获得偏振光本讲稿第二十四页，共四十五页n1n2n1n2入射角为布儒斯特角时：入射角为布儒斯特角时：由布儒斯特定律：由布儒斯特定律：即：即：当光从折射率为当光从折射率为n2的介质的介质(玻璃玻璃)入射到折射入射到折射率为率为n1(空气空气)的介质时，反射光仍为偏振光。的介质时，反射光仍为偏振光。证明证明,玻璃下表面的反射光仍为偏振光：玻璃下表面的反射光仍为偏振光：本讲稿第二十五页，共四十五页例例12-3 一束自然光入射

16、到折射率分别为n1和n2的两种介质的交界面上，发生反射和折射。已知反射光是完全偏振光，求折射角r的值。解：本讲稿第二十六页，共四十五页二）双折射现象二）双折射现象自然光自然光O光光e光光双折射双折射双折射双折射双折射双折射方解石方解石双折射双折射现象现象-同一束光线在晶体的界面同一束光线在晶体的界面上产生折射，晶体内的折射光分为两束。上产生折射，晶体内的折射光分为两束。二）二）寻常光和非寻常光寻常光和非寻常光（16871687年惠更斯研究）年惠更斯研究）1）两束光均是线偏振光，一束叫寻常光（）两束光均是线偏振光，一束叫寻常光（O光）光）一束叫非寻常光（一束叫非寻常光（e光）光）2）O光遵守折射

17、定律，而光遵守折射定律，而e光不遵守所知的折射光不遵守所知的折射 定律。定律。11.4 双折射现象本讲稿第二十七页，共四十五页O光光e光光二）寻常光和非寻常光（二）寻常光和非寻常光（16871687年惠更斯研究年惠更斯研究）与入射角与入射角i有关有关,随随i 而而变，折射光线不一定变，折射光线不一定在入射面内。在入射面内。对对O光：光：对对e光：光：（与入射角无关（与入射角无关 且为定值）且为定值）e光在晶体中传播光在晶体中传播光速是一变化值。光速是一变化值。原因原因自然光自然光方解石方解石本讲稿第二十八页，共四十五页三）晶体的光轴、主截面、主平面三）晶体的光轴、主截面、主平面78786810

18、21）光轴光轴-当光在晶体中传播时，不发生双折射当光在晶体中传播时，不发生双折射 的方向。的方向。光轴光轴对方解石而言：光轴是从对方解石而言：光轴是从102 纯角引直线，使之和它各边纯角引直线，使之和它各边 成等角成等角68的直线（的直线（OO）注意：注意：光轴仅代表一个方向，光轴仅代表一个方向，与与OO平行的线都是光轴。平行的线都是光轴。有两个光轴的晶体称双晶体（云母、硫磺等）有两个光轴的晶体称双晶体（云母、硫磺等）仅有一个光轴的晶体称单晶体（如方解石、石英）仅有一个光轴的晶体称单晶体（如方解石、石英）OO本讲稿第二十九页，共四十五页2 2）o o光光e e与光在晶体中的光速与折射率与光在晶

19、体中的光速与折射率（2）在垂直于光轴方向，o,e两光传播速度差别最大设该方向e光速度为ve,e光在该方向的折射率为O光在晶体中的折射率都为：我们称no、ne为主折射率。（2）e光在晶体中的传播速度介于vo与ve之间；e光在晶体中的折射率介于no和ne之间.（1）o光在晶体中的传播速度为vo；o光的折射率为no.结论：结论：本讲稿第三十页，共四十五页光轴光轴3 3）主截面）主截面-晶面法线与光轴组成的平面晶面法线与光轴组成的平面主截面是由许多平行平面构成。主截面是由许多平行平面构成。4）主平面）主平面-光轴和晶体内任光轴和晶体内任一条折射光线组成的平面。一条折射光线组成的平面。O光与光与e光都有

20、各自的主光都有各自的主平面，入射面在主截面平面，入射面在主截面内时，内时，O光光e光的主平面光的主平面重合并同在主截面内。重合并同在主截面内。注意：注意：入射面在主截面内时入射面在主截面内时,o光光e光的振动方向互相垂直光的振动方向互相垂直且且o光为振动方向垂直于主截面的偏振光（即与光光为振动方向垂直于主截面的偏振光（即与光轴垂直）；轴垂直）；e光为振动面平行于主截面的偏振光。光为振动面平行于主截面的偏振光。1027878本讲稿第三十一页，共四十五页78光轴光轴入射面在主截面内时，入射面在主截面内时，o光光e光的振动方向互相光的振动方向互相垂直，垂直，且且o光为振动方向垂直于主截面的偏振光；光

21、为振动方向垂直于主截面的偏振光；e光为振动方向在主截面的偏振光；光为振动方向在主截面的偏振光；78O光光e光光说明：说明：本讲稿第三十二页，共四十五页78不同的晶体，不同的晶体，e光折射率：光折射率：让光垂直于光轴入射，对让光垂直于光轴入射，对n e可以可以也可也可也可也可v0正晶体正晶体-负晶体负晶体-在晶体内一个点波在晶体内一个点波源发光的波阵面：源发光的波阵面：78光轴光轴正晶体正晶体负晶体负晶体o光光e光光光轴光轴5 5）负晶体与正晶体）负晶体与正晶体光轴光轴本讲稿第三十三页，共四十五页四）用惠更斯原理解释双折射现象四）用惠更斯原理解释双折射现象先明确一个概念：在各向同性的介质中，先明

22、确一个概念：在各向同性的介质中，波面法线与光线的方向一致，即光线与波面垂直波面法线与光线的方向一致，即光线与波面垂直光线是能量传播的方向。光线是能量传播的方向。但在各向异性介质中，但在各向异性介质中，光线只是能量传播的方向。波面法线并不一定是光线只是能量传播的方向。波面法线并不一定是光传播的方向了。如晶体中光传播的方向了。如晶体中e光传播的方向就不光传播的方向就不一定与波阵面垂直，光传播的方向要看能量传播一定与波阵面垂直，光传播的方向要看能量传播的方向。的方向。本讲稿第三十四页，共四十五页o光光e光光晶体晶体光轴光轴光轴光轴（负晶体）（负晶体）1）入射面与主截面平行的情况）入射面与主截面平行的

23、情况A）光轴与晶体表面有一夹角（斜入射）光轴与晶体表面有一夹角（斜入射）本讲稿第三十五页，共四十五页（负晶体）（负晶体）1）入射面与主截面平行的情况）入射面与主截面平行的情况B）光轴与晶体表面有一夹角（正入射）光轴与晶体表面有一夹角（正入射）自然光自然光光轴光轴本讲稿第三十六页，共四十五页（负晶体）（负晶体）C）光轴与晶体表面平行（正入射）光轴与晶体表面平行（正入射）自自然然光光o光光e光光光轴光轴O e二光通过厚度二光通过厚度d的光程差：的光程差：四分之一波片四分之一波片二分之一波片（半波片）二分之一波片（半波片）结论：结论：有双折射。有双折射。本讲稿第三十七页，共四十五页自自然然光光o光光

24、e光光光轴光轴（负晶体）（负晶体）D）光轴与晶体表面垂直（正入射）光轴与晶体表面垂直（正入射）A A）光轴与晶体表面平行（斜入射）光轴与晶体表面平行（斜入射）（负晶体）（负晶体）2 2）入射面与主截面垂直的情况）入射面与主截面垂直的情况本讲稿第三十八页，共四十五页o光光e光光光轴光轴自然光自然光负晶体负晶体o光光e光光光轴光轴朝左看朝左看看到了！看到了！光轴光轴A）光轴与晶体表面平行（斜入射）光轴与晶体表面平行（斜入射）（负晶体）（负晶体）2）入射面与主截面垂直的情况）入射面与主截面垂直的情况本讲稿第三十九页，共四十五页AACD D五）偏振棱镜五）偏振棱镜自然光自然光光轴光轴6871装置：装置

25、：o光光e光光76CFFCABNMDFEBAD将方解石晶体两端将方解石晶体两端的天然晶面磨成与的天然晶面磨成与棱边棱边CD成成68角，然角，然后将晶体沿后将晶体沿AMDN剖开，再用加拿大剖开，再用加拿大树胶将剖面粘合即成树胶将剖面粘合即成方解石方解石1）尼科尔棱镜（）尼科尔棱镜（WNicol 1928年）年）本讲稿第四十页，共四十五页AABCC自然光自然光光轴光轴6871no=1.658ne=1.486o光光e光光n树胶树胶=1.55076DO光以光以76入射到阿拉伯树入射到阿拉伯树胶，产生全反射后被吸收。胶，产生全反射后被吸收。本讲稿第四十一页，共四十五页光光轴轴光轴光轴o光光e光光O光光e

26、光光2）渥氏棱镜（）渥氏棱镜（Wouaston）光轴光轴o光光e光光O光、光、e光是相对主截面而言的光是相对主截面而言的O光垂直主截面，光垂直主截面，e光平行主截面光平行主截面O、e二光通过晶体二光通过晶体后被分得很开，从后被分得很开，从而获得偏振光。而获得偏振光。本讲稿第四十二页，共四十五页五）偏振光的应用五）偏振光的应用汽车车灯与窗玻璃用同一偏振化方向的透明膜汽车车灯与窗玻璃用同一偏振化方向的透明膜1）防止对面来的灯光耀眼）防止对面来的灯光耀眼本讲稿第四十三页，共四十五页2）放立体电影）放立体电影原理：利用人眼的双眼效应原理：利用人眼的双眼效应双眼睁开双眼睁开一只眼睁开，一只眼睁开，一只眼关闭一只眼关闭拍摄：拍摄：本讲稿第四十四页，共四十五页立体电影原理：立体电影原理：本讲稿第四十五页，共四十五页