波动光学：光的偏振.ppt

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1、返返 回回上上 页页下下 页页 光是电磁波，起视觉效应的是电场矢量光是电磁波，起视觉效应的是电场矢量(光矢量光矢量)偏振态偏振态:光矢量的振动状态光矢量的振动状态 五种偏振态：五种偏振态：自然光，线偏振光自然光，线偏振光,部分偏振光部分偏振光,椭圆偏振光椭圆偏振光,圆偏振光圆偏振光 7-1 7-1 自然光和偏振光自然光和偏振光 在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向都在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向都有光振动，且有光振动，且各个方向光矢量的振幅相等各个方向光矢量的振幅相等的光的光1.1.自然光自然光（Natural LightNatural Light）返返 回回上上 页页下下 页页2.

2、2.线偏振光线偏振光（Linearly Polarized LightLinearly Polarized Light）l l光光矢矢量量只只沿沿一一个个固固定定方方向向振振动动的的光光(又又称称平平面面偏偏振光振光)返返 回回上上 页页下下 页页振动面振动面振动面振动面光矢量光矢量光矢量光矢量3.3.部分偏振光部分偏振光（Partially Polarized LightPartially Polarized Light）在垂直于光传播方向的平面内，各方向都有光在垂直于光传播方向的平面内，各方向都有光振动，但振动，但振幅不等振幅不等的光的光返返 回回上上 页页下下 页页l l在在垂垂直直于于

3、光光的的传传播播方方向向的的平平面面内内，光光矢矢量量以以一一定定的的频频率率旋旋转转。矢矢量量端端点点轨轨迹迹为为椭椭圆圆时时称称其其为为椭椭圆圆偏振光偏振光，轨迹为圆时称其为，轨迹为圆时称其为圆偏振光圆偏振光4.4.圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光返返 回回上上 页页下下 页页偏振片偏振片 7-2 7-2 起偏与检偏起偏与检偏 马吕斯定律马吕斯定律 偏振片偏振片（Polaroid）：吸收某方向光振动，而与吸收某方向光振动，而与其垂直方向的光振动能通过的装置其垂直方向的光振动能通过的装置偏振化偏振化偏振化偏振化方向方向方向方向偏振化方向：偏振化方向：能通过光振动的方向能通过光振动的方

4、向一一.起偏与检偏起偏与检偏返返 回回上上 页页下下 页页利用偏振片检验光线的偏振化程度，称为利用偏振片检验光线的偏振化程度，称为检偏检偏自然光通过偏振片后变为线偏振光，称为自然光通过偏振片后变为线偏振光，称为起偏起偏起偏起偏起偏起偏检偏检偏检偏检偏返返 回回上上 页页下下 页页二二.马吕斯定律马吕斯定律（MalusMalus law law）-马吕斯定律马吕斯定律返返 回回上上 页页下下 页页 =0=0或或 =180=1800 0时时,I I2 2=I I1 1光强最强光强最强讨论：讨论：=90=900 0或或 =270=2700 0时时,I I=0=0光强最弱光强最弱返返 回回上上 页页下

5、下 页页 例例11两平行放置的偏振片两平行放置的偏振片,偏振化方向成偏振化方向成30300 0角角,自然光自然光垂直垂直入射后入射后,透射光与入射光的透射光与入射光的强度之比强度之比为为多少多少?(?(分别讨论无吸收和分别讨论无吸收和10%10%的吸收的情况的吸收的情况)解：解：无吸收时无吸收时根据马吕斯定律根据马吕斯定律返返 回回上上 页页下下 页页10%10%吸收吸收时时返返 回回上上 页页下下 页页 例例22如图如图,偏振片偏振片P P1 1、P P2 2，现以，现以I I1 1的自然光和的自然光和I I2 2的线的线偏振光同时垂直入射于偏振光同时垂直入射于P P1 1，在在E E 处观

6、察通过处观察通过P P1 1和和P P2 2后的光强。后的光强。(1)(1)P P1 1任意放置任意放置,将将P P2 2以光线方向为轴以光线方向为轴转动一周转动一周,计算并讨论这时在计算并讨论这时在E E 处所观察到的光强处所观察到的光强变化情况；变化情况；(2)(2)要在要在E E 处得到最大光强处得到最大光强,应如何实应如何实现现?解：解：设设P P1 1、P P2 2的偏振的偏振化方向夹角为化方向夹角为 入射线偏振光振动入射线偏振光振动方向与方向与P P1 1的的偏振化偏振化方向方向夹角为夹角为 返返 回回上上 页页下下 页页线偏振光：线偏振光：因因I I1 1和和I I2 2 是非相

7、干光是非相干光即在即在E E 处观察到的光强随处观察到的光强随P P2 2的转动而的转动而周期性周期性变化变化对自然光：对自然光：返返 回回上上 页页下下 页页在在E E 处得到最大光处得到最大光强，须同时满足强，须同时满足则则时时时时返返 回回上上 页页下下 页页7-3 7-3 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振一一.部分偏振现象部分偏振现象自然光在两自然光在两各向同性各向同性媒介分界面上反射和媒介分界面上反射和折射时，折射时，反、折反、折射光射光均成为均成为部分偏振光部分偏振光特点：特点：反反射光射光垂直垂直入射面的入射面的振动较强振动较强，折折射光射光反反之之返返 回回上上 页页下

8、下 页页二二.布儒斯特定律布儒斯特定律布儒斯特角布儒斯特角由折射定律由折射定律18121812年布儒斯特发现，年布儒斯特发现，当入射角为某特定值当入射角为某特定值时（时（），），反反射光为振动方向射光为振动方向垂直垂直于于入射面的入射面的线偏振光线偏振光-布儒斯特定律布儒斯特定律返返 回回上上 页页下下 页页说明：说明：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，可可使使折折射光为完全偏振光射光为完全偏振光反反射光光强射光光强较弱较弱，折折射光射光较强较强(它包含了它包含了全全部部的的平行平行分量和分量和大部分大

9、部分的的垂直垂直分量分量)i=i0=tg-1n21时，时，反反射光为射光为线偏振线偏振光，而光，而折射光仍折射光仍然是部分偏振光然是部分偏振光,反射光与折射光反射光与折射光垂直。垂直。返返 回回上上 页页下下 页页布儒斯特窗：布儒斯特窗：返返 回回上上 页页下下 页页 例例33将一介质平板放在水中将一介质平板放在水中,板面与水平面的夹板面与水平面的夹角为角为，如图。已知折射率如图。已知折射率n n水水=1.333=1.333，n n介质介质=1.681=1.681，要使水面和介质面反射光均为线偏振光，要使水面和介质面反射光均为线偏振光,求求 解：解：如图所示如图所示根据布儒斯特定律根据布儒斯特

10、定律返返 回回上上 页页下下 页页又又返返 回回上上 页页下下 页页16691669年，巴托里奴斯（年，巴托里奴斯（BartholinusBartholinus）发现：通过发现：通过方解石方解石（冰洲石，即（冰洲石，即CaCOCaCO3 3）观察物体时，物体的观察物体时，物体的像是像是双重双重的。的。各各向向异异性性媒媒质质（如如方方解解石石，石石英英等等）时时，将将产产生特殊的折射现象。生特殊的折射现象。各向各向同性同性媒质（如空气，水，玻璃等）中遵从折射媒质（如空气，水，玻璃等）中遵从折射定律。定律。一一.双折射现象双折射现象（Double Refraction）双双折折 射射双双 折折双

11、双 折折方解石晶体方解石晶体方解石晶体方解石晶体寻常光寻常光(o(o光光ordinary ordinary)：遵守折射定律遵守折射定律非常光非常光(e(e光光extraordinary extraordinary)：不遵守折射定律不遵守折射定律7-4 7-4 光的双折射现象光的双折射现象返返 回回上上 页页下下 页页当方解石晶体旋当方解石晶体旋转时，转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转返返 回回上上 页页下下 页页二二.双折射光的偏振特点双折射光的偏振特点1.概念概念只有一个光轴只有一个光轴(如如方解石、石方解石、石英英)的晶体为的晶体为单单轴晶体轴晶体；有两个；有

12、两个光轴光轴(如如云母、云母、硫磺硫磺)的晶体为的晶体为双轴晶体双轴晶体光轴光轴(Optical Axis)(Optical Axis)(Optical Axis)(Optical Axis)：光线在晶体中沿某一方向传播时光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双折射不发生双折射现象，现象，这这一方向一方向称为晶体的光轴称为晶体的光轴102 AD78 102 102 102 78 如：如：天然方天然方解石晶体解石晶体 返返 回回上上 页页下下 页页 主平面主平面（principal planeprincipal plane）：e光光光轴光轴o光光光轴光轴o 光的主平面光的主平面e 光的主平面光的主平

13、面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。r说明说明(1)光轴在入射面光轴在入射面时时，o 光主平面和光主平面和e 光主平面光主平面重合重合。(2)一般情况两个主平面并一般情况两个主平面并不重合不重合。(3)o 光和光和e 光的光矢量方向光的光矢量方向相互垂直相互垂直。返返 回回上上 页页下下 页页光轴光轴法线法线o光光e光光e e光光不不一定在一定在入射面入射面内，内，o o光光和和e e光的光的主平面并不主平面并不重合重合2.2.特点特点o o光和光和e e光均为光均为线偏振线偏振光光 o o光的振动方向垂直于它自己的主平面，光的振动方向垂直于它自己的

14、主平面，e e光的振光的振动方向平行于它自己的主平面动方向平行于它自己的主平面返返 回回上上 页页下下 页页o光光光光轴轴光光轴轴位位于于入入射射面面内内,o o光光和和e e光光主主平平面面重重合合(一一般般夹夹角很小角很小)，此时，此时o o光与光与e e光的振动方向相互光的振动方向相互垂直垂直光轴光轴e光光光光轴轴返返 回回上上 页页下下 页页三三.双折射现象的解释双折射现象的解释原因原因:o o光光在晶体内的在晶体内的速度速度是是各向同性各向同性的的,而而e e光光却却是是各向异性各向异性的的o o光：光：子波波面为子波波面为球面球面.e e光：光：子波波面为子波波面为椭球面椭球面返返

15、 回回上上 页页下下 页页正晶体正晶体正晶体正晶体(positive(positive crystal)crystal)负晶体负晶体负晶体负晶体(negative(negative crystal)crystal)两光线只有在两光线只有在光轴方向速度相等光轴方向速度相等，故两球面，故两球面在在光轴处相切光轴处相切。返返 回回上上 页页下下 页页光轴光轴光轴光轴惠更斯原理解释（惠更斯原理解释（光轴光轴在入射面内在入射面内）斜射斜射至晶体表面至晶体表面的平面的平面波波 （光轴光轴与表面与表面斜交斜交）平面波平面波入射入射（光轴（光轴与表面斜交）与表面斜交）返返 回回上上 页页下下 页页光轴光轴光轴

16、光轴平平面面波波入入射射，而而光光轴轴与晶体表面与晶体表面平行平行平平面面波波入入射射，而而光光轴轴与晶体表面与晶体表面垂直垂直返返 回回上上 页页下下 页页加拿大树胶加拿大树胶四四.尼科尔棱镜尼科尔棱镜方解石方解石晶体晶体返返 回回上上 页页下下 页页光轴光轴对对e光光，疏，疏密密对对o光光，密，密疏疏全反射全反射线线偏振光偏振光返返 回回上上 页页下下 页页oee e光光o o光光o o光光e e光光五、五、渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜*出射的是两束分得很开的振动方向出射的是两束分得很开的振动方向相互垂直相互垂直的的线线偏振光偏振光返返 回回上上 页页下下 页页六、晶体的二向色性六、晶体的二向色性六、晶体的二向色性六、晶体的二向色性l二向色性：某些晶体对振动垂直的二向色性：某些晶体对振动垂直的 o 光和光和 e 光有光有不同不同 吸收吸收的性质。的性质。l利用晶体的二向色性可以从自然光中获得线偏利用晶体的二向色性可以从自然光中获得线偏振光。振光。l利用晶体的这种性质利用晶体的这种性质（二向色性）（二向色性）可以制作可以制作偏振片。偏振片。返返 回回上上 页页下下 页页尼科尔棱镜尼科尔棱镜返返 回回上上 页页下下 页页返返 回回上上 页页下下 页页