复旦大学《大学物理》课件-光的偏振 (1)(1).pdf

光的偏振 光的偏振性反射和折射光的偏振光的偏振性反射和折射光的偏振一、光的偏振性一、光的偏振性偏振性：偏振性：振动方向对于传播方向的不对称性振动方向对于传播方向的不对称性只有横波才有偏振现象只有横波才有偏振现象:是区别于纵波的明显标志是区别于纵波的明显标志HEV电磁波是横波电磁波是横波没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解 在垂直光的传播方向的平面里，将光矢量在垂直光的传播方向的平面里，将光矢量向任意两向任意两个互相垂直的方向分解。个互相垂直的方向分解。自然光图示法自然光图示法1 1、自然光、自然光光矢量始终沿一个方向振动的光光矢量始终沿一个方向振动的光振动方向振动方向 /纸面纸面振动方向振动方向 纸面纸面2 2、线偏振光、线偏振光(完全偏振光完全偏振光)：可将自然光分解为两束相互独立的、等振幅的、振动方可将自然光分解为两束相互独立的、等振幅的、振动方向相互垂直的线偏振光。这两束线偏振光的光强各等于自然向相互垂直的线偏振光。这两束线偏振光的光强各等于自然光光强的一半。他们彼此没有固定的相位差。光光强的一半。他们彼此没有固定的相位差。振动面：振动面：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3 3、部分偏振光：、部分偏振光：介于自然光和完全偏振光之间介于自然光和完全偏振光之间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。光。平行纸面的光振动较强平行纸面的光振动较强垂直纸面的光振动较强垂直纸面的光振动较强振动面：振动面：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光的偏振性的图示法：光的偏振性的图示法：自然光自然光 线偏振光：线偏振光：部分偏振光：部分偏振光：u 二向色性二向色性:某些物质能吸收某一方向的光振动某些物质能吸收某一方向的光振动,而只让与这个方向垂直的光而只让与这个方向垂直的光振动通过振动通过,这种性质称二向色性这种性质称二向色性.1 1、偏振片、偏振片u 偏振化方向偏振化方向 ：当光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这：当光照射在偏振片上时，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。个方向叫此偏振片的偏振化方向。二、偏振片马吕斯定律二、偏振片马吕斯定律2、偏振片的起偏与检偏、偏振片的起偏与检偏3 3、马吕斯定律（、马吕斯定律（Malus law）(1809):I0I=EE022=cosE02E022 cosEE0=检偏器偏检偏器偏振化方向振化方向EE0.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光EIE00I Malus law 60例题例题：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,一个用作检偏器当它们偏振化方向间的一个用作检偏器当它们偏振化方向间的夹角为夹角为 时时,一束单色自然光穿过它们一束单色自然光穿过它们,出射光强为出射光强为 ；当它们偏振化方向间；当它们偏振化方向间的夹角为的夹角为 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,出射光强为出射光强为 ，且，且 。求。求两束单色自然光的强度之比两束单色自然光的强度之比 。301I2I21II 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 由马吕斯定律：由马吕斯定律：30cos22101II60cos22202II3160cos30cos22201021IIII例题例题：在两块正交偏振片在两块正交偏振片p p1 1,p,p3 3 之间插入另一块偏振片之间插入另一块偏振片p p2 2 ，光强为，光强为I0 的自然光垂的自然光垂直入射于偏振片直入射于偏振片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与转角的关系与转角的关系。212cosII 3p1p0I0I1I3p2p1p2I3I2p3p1p0121II20cos2I)2(cos223 II2sin81203II若若 在在 间变化，间变化，如何变化如何变化？203I0,23,2,03I8,47,45,43,403II3p1p0I0I1I3p2p1p2I3I2p3p1p0121II2sin81203II三、反射和折射光的偏振性三、反射和折射光的偏振性自然光反射和折射后产生部分偏振光自然光反射和折射后产生部分偏振光n1n2iir1、反射光和折射光的偏振、反射光和折射光的偏振2 2、布儒斯特定律、布儒斯特定律i iB 布儒斯特角布儒斯特角 或或 起偏角起偏角12BBn sinin sinrn1n2iBiBrB线偏振光线偏振光起偏角起偏角+2/BBir BBsinrcosi一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角为布儒斯特角一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角为布儒斯特角 ,问问 在界面在界面 2 的反的反射光是什么光？射光是什么光？0i*一次起偏垂直入射面的振动仅很小部分被反射（约一次起偏垂直入射面的振动仅很小部分被反射（约15%）所以）所以反射偏振光很弱反射偏振光很弱。0i0i1n1空气空气玻璃玻璃2n2满足起偏角条件满足起偏角条件*对于一般的光学玻璃对于一般的光学玻璃,反射光的强度约占入射光强度的反射光的强度约占入射光强度的7.5%,大部分光将透大部分光将透过玻璃过玻璃.4、利用、利用玻璃片堆玻璃片堆产生产生线线偏振光偏振光0i接近线偏振光接近线偏振光线偏振光线偏振光例题例题：如图，自然光由空气入射到，折射率如图，自然光由空气入射到，折射率n n2 2=1.33=1.33的水面上，入射角为的水面上，入射角为 i i 时使反射光为时使反射光为完全偏振光。今有一块玻璃浸入水中，其折射率完全偏振光。今有一块玻璃浸入水中，其折射率 n n3 3=1.5,=1.5,若光由玻璃面反射也成为完全若光由玻璃面反射也成为完全偏振光，求水面与玻璃之间的夹角偏振光，求水面与玻璃之间的夹角。12136 561 33.ntgn 又因又因 i i2 2 是布儒斯特角，由布儒斯特定律可是布儒斯特角，由布儒斯特定律可得：得：32221 548 261 33n.tgiin.0311653662482 i第十一讲光的双折射现象第十一讲光的双折射现象一、双折射一、双折射 ：当当一束自然光射向各向异性的介质时，从界面折入介质内部的折射光分一束自然光射向各向异性的介质时，从界面折入介质内部的折射光分为传播方向不同的两束光的现象为传播方向不同的两束光的现象方解石的一物双像方解石的一物双像特性特性：两束折射光是光矢量方向不同的平面偏振光两束折射光是光矢量方向不同的平面偏振光寻常光寻常光(o光光)：一束光始终在入射面内，且遵循折射定律一束光始终在入射面内，且遵循折射定律非常光非常光(e光光)：一束光一般不在入射面内，且不遵循折射定律一束光一般不在入射面内，且不遵循折射定律1 1、晶体的光轴、晶体的光轴:光线沿该方向传播，不产生双折射现象，这个光线沿该方向传播，不产生双折射现象，这个 特殊方向称为特殊方向称为晶体的光轴晶体的光轴。(注：不限于一条注：不限于一条 直线，而是一个方向直线，而是一个方向)单轴晶体单轴晶体:只有一个光轴的晶体：方解石、石英、红宝石等只有一个光轴的晶体：方解石、石英、红宝石等双轴晶体：双轴晶体：有两个光轴方向的晶体：云母、硫磺、黄玉等有两个光轴方向的晶体：云母、硫磺、黄玉等二、几个相关概念二、几个相关概念2 2、主截面、主截面(主平面主平面)：e光o光光轴o o光光的振动方向的振动方向垂直于垂直于自己的主截面自己的主截面e e光光的振动方向的振动方向平行于平行于自己的主截面自己的主截面 对于主截面和入射面重合的情况，对于主截面和入射面重合的情况，o光、光、e光都在入射面内，它们的振动相互光都在入射面内，它们的振动相互垂直。垂直。晶体中由某光线与晶体光轴构成的平面晶体中由某光线与晶体光轴构成的平面称为与该光线相对应的称为与该光线相对应的主截面主截面。o光波面是球面光波面是球面eecn 常常量量vO光波阵面光波阵面 光波阵面光波阵面e光轴光轴Ovevvcn常量常量o光的传播速率在各个方向上是相同的光的传播速率在各个方向上是相同的e光的传播速率在各个方向上是不同的光的传播速率在各个方向上是不同的三、双折射现象的原因三、双折射现象的原因e光波面是旋转椭球面光波面是旋转椭球面1、平行光倾斜入射，光轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交、平行光倾斜入射，光轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交光轴光轴AFEeOeO如果光轴不在入射面内，球面和椭球面相切的点，就不会在入射面内，则如果光轴不在入射面内，球面和椭球面相切的点，就不会在入射面内，则 O光、光、e 光光振动方向并不相互垂直。振动方向并不相互垂直。*惠更斯作图法解释双折射现象惠更斯作图法解释双折射现象702、平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交、平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交光轴光轴AEOeBFEF出射两束偏振方向相互垂直的线偏光出射两束偏振方向相互垂直的线偏光3、平行光垂直入射，光轴在入射面内光轴垂直于晶体表面、平行光垂直入射，光轴在入射面内光轴垂直于晶体表面光轴光轴AEeBEOFF出射光沿相同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，传播速度相同，不产生双折出射光沿相同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，传播速度相同，不产生双折射现象。射现象。4、平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴平行晶体表面、平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴平行晶体表面光轴光轴AEeBFEFO 出射光沿同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，但传播速度不相同，我们认出射光沿同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，但传播速度不相同，我们认为产生了双折射现象。为产生了双折射现象。光轴光轴光轴光轴e波面波面v0o波面波面v0veveoo正晶体正晶体负晶体负晶体正晶体：正晶体：如石英如石英负晶体：负晶体：如方解石如方解石eovveovv双折射晶体的分类：双折射晶体的分类：oennoenn1 1、尼科耳棱镜、尼科耳棱镜 利用晶体制成一些棱镜或者器件可以从自然光中获得利用晶体制成一些棱镜或者器件可以从自然光中获得高质量的线偏振光。高质量的线偏振光。(1.658)(1.55)(1.486)oennn出射的是一束振动方向在屏幕面内的线偏振光出射的是一束振动方向在屏幕面内的线偏振光四、双折射现象的应用四、双折射现象的应用eO两块直角方解石光轴相互垂直，如图：两块直角方解石光轴相互垂直，如图：ABDCO方解石方解石4864.1en6584.1on0VVe主 e2 2、渥拉斯顿棱镜、渥拉斯顿棱镜 波波 动动 光光 学学衍衍射射单缝衍射：单缝衍射：光栅衍射：光栅衍射：圆孔衍射：圆孔衍射：干干涉涉光程，光程，光程差与干涉强度的关系：光程差与干涉强度的关系：分波阵面法干涉：分波阵面法干涉：分振幅法干涉：分振幅法干涉：偏偏振振光的偏振性：光的偏振性：反射光反射光 透射光的偏振：透射光的偏振：双折射：双折射：abndv媒质媒质光程、光程差光程、光程差 *使用透镜不会产生使用透镜不会产生附加光程差附加光程差1212 2 cos IIII I 光程差与干涉强度的关系光程差与干涉强度的关系021III0 minI 40 0II k 22(k)21204 II max k=0,1,2,3,Constructive k(k)22122Destructive S1s2sdxL1r2rIMonochromatic 12rr xdLYoungs Double-Slit Experiment k,(k),2120 1 2k,LxdBright fringes Dark fringes 1sPM2sdD劳埃德镜劳埃德镜PLxdD 半波损失：在正入射和一般斜入射情况下，半波损失：在正入射和一般斜入射情况下，如果光如果光从光疏介质入射到光密从光疏介质入射到光密介质，介质，则反射光则反射光有有半波损失。半波损失。en n n 12A22/ne =0