复旦大学《大学物理》课件-光的偏振(1).pdf

光的偏振光的偏振一一.横波的偏振性横波的偏振性 1.偏振偏振:波波的振动方向相对传播方向的的振动方向相对传播方向的不对称性不对称性。横波具有偏振性，纵波不具有偏振性。横波具有偏振性，纵波不具有偏振性。横波横波纵波纵波12-12 光的偏振光的偏振2.光的偏振态光的偏振态n自然光自然光n线偏振光线偏振光n部分偏振光部分偏振光n圆偏振光圆偏振光n椭圆偏振光椭圆偏振光12-12 光的偏振光的偏振二二.自然光、线偏振光、部分偏振光自然光、线偏振光、部分偏振光光矢量方向始终不变，只沿一个光矢量方向始终不变，只沿一个固定方向振动。固定方向振动。线偏振光的表示法：线偏振光的表示法：光振动平行板面光振动平行板面光振动垂直板面光振动垂直板面1.线偏振光线偏振光12-12 光的偏振光的偏振振幅相等、振动方向任意、无固定振幅相等、振动方向任意、无固定相位关系的光振动组成。相位关系的光振动组成。2.自然光自然光用两独立的、等振幅的垂直方向用两独立的、等振幅的垂直方向振动表示。振动表示。自然光的表示法：自然光的表示法：1 12 2xyxyIIIIII12-12 光的偏振光的偏振某方向光振动振幅大，在其垂直方某方向光振动振幅大，在其垂直方向上的光振动振幅小。向上的光振动振幅小。3.部分偏振光部分偏振光部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法：平行板面振动占优势平行板面振动占优势垂直板面振动占优势垂直板面振动占优势12-12 光的偏振光的偏振1n玻璃玻璃2n玻璃玻璃2n1n0i三三.线偏振光的获取线偏振光的获取1.反射起偏反射起偏布儒斯特定律布儒斯特定律120tannni i20i12-12 光的偏振光的偏振021sinsininn000sintancosiii0sincosi玻璃片堆产生线偏振光玻璃片堆产生线偏振光i i0 0线偏振光线偏振光玻璃片堆玻璃片堆 12-12 光的偏振光的偏振i1i2n空气n水n介OAB例 如图所示如图所示，将一介质平板放在水中将一介质平板放在水中，板面与水平面板面与水平面的夹角为的夹角为。已知已知 n水=1.333，n介质=1.681，现欲使现欲使水面和介质面反射光均为线偏振光水面和介质面反射光均为线偏振光，问问应为多少应为多少?解:由布儒斯特由布儒斯特定律得定律得1333.1tan1空水nni333.1i1=53.1221.681tan1.2611.333nin介水i2=51.5812-12 光的偏振光的偏振由图可得由图可得i1i2n空气n水n介OAB在三角形在三角形 OAB 中中，有有190i)90(12ii9018.5112.537.14180)90()90(2ii112-12 光的偏振光的偏振 2.偏振片偏振片 用薄膜或晶体做成的，能使某方向（用薄膜或晶体做成的，能使某方向（偏振化方向偏振化方向）光振动通过，而与这个方向垂直的光振动不能通过。光振动通过，而与这个方向垂直的光振动不能通过。偏振化方向：偏振片允许通过的光振动的方向，用偏振化方向：偏振片允许通过的光振动的方向，用符号符号“”表示。表示。021I偏振化方向偏振化方向0I起偏器起偏器起偏起偏12-12 光的偏振光的偏振偏振光的检验偏振光的检验两偏振片的偏振化两偏振片的偏振化方向相平行方向相平行，通过通过第一个偏振片的偏第一个偏振片的偏振光能够通过第二振光能够通过第二个偏振片个偏振片。将第二个偏振片旋将第二个偏振片旋转转90，结果没有结果没有光通过光通过第二个偏振片就起到了检验偏振光的作用第二个偏振片就起到了检验偏振光的作用，把第二个把第二个偏振片叫做偏振片叫做 检偏器检偏器 (analyzer)，该过程就称为该过程就称为检偏检偏。12-12 光的偏振光的偏振【思考思考】入射光可能是自然光、线偏振光或由线偏入射光可能是自然光、线偏振光或由线偏振光与自然光混合而成的部分偏振光，怎样用偏振振光与自然光混合而成的部分偏振光，怎样用偏振片来区分它们？片来区分它们？12-12 光的偏振光的偏振自然光自然光线偏振光线偏振光部分偏振光部分偏振光I0，E0通过检偏器的光振幅为通过检偏器的光振幅为E=E0cosI，E四四.马吕斯定律(Malus law)偏振化方向偏振化方向偏振化方向偏振化方向kE0 cosE0 sinE0起偏器起偏器检偏器检偏器12-12 光的偏振光的偏振 通过检偏器的光强通过检偏器的光强 I E2 通过起偏器的光强通过起偏器的光强 I0 E02两光强之比两光强之比20220cos EE2cos马吕斯定律马吕斯定律12-12 光的偏振光的偏振2200IEIE02cosII例例 用两偏振片平行放置作为起偏器和检偏器。在它们用两偏振片平行放置作为起偏器和检偏器。在它们的偏振化方向成的偏振化方向成30300 0角时，观测一自然光光源，又在角时，观测一自然光光源，又在成成60600 0角时，观察同一位置处的另一自然光光源，两角时，观察同一位置处的另一自然光光源，两次所得的强度相等。求两光源照到起偏器上光强之比次所得的强度相等。求两光源照到起偏器上光强之比。解解 令令I1和和I2分别为两光源照到起偏器上的光强。透分别为两光源照到起偏器上的光强。透过起偏器后，光的强度分别为过起偏器后，光的强度分别为I1/2和和I2/2。按照马吕。按照马吕斯定律，透过检偏器后光的强度为斯定律，透过检偏器后光的强度为60cos22212II 所以所以30cos21211II 但按题意但按题意21II 60cos30cos2221II 即即3130cos60cos43412221 II12-12 光的偏振光的偏振212cosII 3p1p0I0I1I3p2p1p2I3I2p3p1p0121II 20cos2I【思考思考】在两块正交偏振片在两块正交偏振片 之间插入另一块偏之间插入另一块偏振片振片 ，光强为，光强为 的自然光垂直入射于偏振片的自然光垂直入射于偏振片 ，讨论转动讨论转动 透过透过 的光强的光强 与转角的关系与转角的关系.I31p,p2p2p3p0I1p12-12 光的偏振光的偏振0I1I3p2p1p2I3I)2(cos223 II202cos2II 220223sincos21sinIII2sin81203II 203I0,23,2,03I8,47,45,43,403II 2p3p1p42sin2cossin22sin12-12 光的偏振光的偏振一束自然光分别通过图中所示四组偏振片，每组由两块偏振片组成，偏振片的偏振化方向用虚线标出。则穿过各组偏振片后的透射光强度按大小顺序排列应为（）a,b,c,dd,b,c,aa,d,b,cd,c,a,bABCD提交单选题1分未加偏振片时未加偏振片时拍摄的水族箱拍摄的水族箱加偏振片时加偏振片时拍摄的水族箱拍摄的水族箱雪地太阳镜上镀有偏振片，可以滤去部分雪地反射光。雪地太阳镜上镀有偏振片，可以滤去部分雪地反射光。12-12 光的偏振光的偏振放放3D电影电影原理：利用人眼的双眼效应原理：利用人眼的双眼效应12-12 光的偏振光的偏振分振幅干涉分振幅干涉等倾干涉等倾干涉(n2n1)反射光反射光2,3为相干光为相干光1n1n2n1M2MeC3Ai1B2PL一、干涉明暗条件一、干涉明暗条件21()nABBCn AD 21.光线光线2和和 3的光程差：的光程差：D12-4 分振幅干涉分振幅干涉等倾干涉等倾干涉一路光有半波损失、另一路没有，一路光有半波损失、另一路没有，光程差要附加半个波长光程差要附加半个波长22cos2en222212sin2e nniP1n1n2n1M2MeLiDC3A1B221()2n AB BCnAD2(1,2,.)2kk(21)(0,1,2,.)2kk 暗暗明明2.明暗条件：明暗条件：12-4 分振幅干涉分振幅干涉等倾干涉等倾干涉一束单色光依次穿过四层介质，按照图中的光路推断，光在a、b、c三种介质中的速度大小排序为（）vavbvcvbvcvavcvavbvavcvbABCD提交单选题1分222212sin2e nni 3.条纹特征条纹特征同一入射角同一入射角i光线光线等倾条纹等倾条纹同样的同样的同一干涉级次同一干涉级次K条纹为明暗相间的同心圆环条纹为明暗相间的同心圆环 i增大，条纹级次降低（最高增大，条纹级次降低（最高级次在圆环中心）级次在圆环中心）12-4 分振幅干涉分振幅干涉等倾干涉等倾干涉212kk明明暗暗222212sin2e nni【拓展思考拓展思考】薄膜厚度变化对干涉条纹位置形状有影响吗？薄膜厚度变化对干涉条纹位置形状有影响吗？12-4 分振幅干涉分振幅干涉等倾干涉等倾干涉,=21,2kk明暗(n2n1)反射光反射光2,3为相干光为相干光透射光透射光4,5也为相干光也为相干光1n1n2n1M2MeC34E5Ai1B2PL【问题问题】薄膜透射方向能否干涉？薄膜透射方向能否干涉？12-4 分振幅干涉分振幅干涉等倾干涉等倾干涉4.透射光透射光4,5的干涉情况的干涉情况:1n1n2ndLiDC34E5A1B24 521()n BC CEnBF，F2 321()2n AB BCnAD，同一入射角光线同一入射角光线反射光干涉加强反射光干涉加强透射光干涉减弱透射光干涉减弱明明暗暗12-4 分振幅干涉分振幅干涉等倾干涉等倾干涉e例例 一平行平面肥皂膜，一平行平面肥皂膜，折射率为折射率为1.33，厚度为，厚度为0.32微米，微米，如用白光垂直照射，观察反射光，问肥皂膜成什么颜色？如用白光垂直照射，观察反射光，问肥皂膜成什么颜色？解：解：222en 反射增强1,2,3kk 2212enkn1n2n111700knm 2557knm3341knm可见光波长范围可见光波长范围 400760nm呈现绿色呈现绿色12-4 分振幅干涉分振幅干涉等倾干涉等倾干涉二二.应用：增透膜和增反膜应用：增透膜和增反膜 增透膜：增透膜：利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉条件来减少反射，从而使透射增强。相消干涉条件来减少反射，从而使透射增强。增反膜增反膜：利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足：利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干涉，使反射光加强。相长干涉，使反射光加强。基材薄薄膜膜e12-4 分振幅干涉分振幅干涉等倾干涉等倾干涉问：若反射光相消干涉的条件中取问：若反射光相消干涉的条件中取 k=1，膜的厚度为多少？，膜的厚度为多少？22(21)/2n ek1n3n2n7232.982 104emn22en 解：解：e反射光相消反射光相消 反射光经历两次半波反射光经历两次半波 损失损失,光程差不再加光程差不再加 。321nnn212-4 分振幅干涉分振幅干涉等倾干涉等倾干涉【例题例题】已知光波长已知光波长 ，照相机镜头，照相机镜头n3=1.5，其，其上涂一层上涂一层 n2=1.38的氟化镁增透膜，光线垂直入射。的氟化镁增透膜，光线垂直入射。550 nm 此膜对反射光干涉相长的条件：此膜对反射光干涉相长的条件：22n ek11825knm22412.5knm33275knm可见光波长范围可见光波长范围 400760nm波长波长412.5nm的可见光有增反。的可见光有增反。此增透膜在可见光范围内有没有增反？此增透膜在可见光范围内有没有增反？1n3n2ne12-4 分振幅干涉分振幅干涉等倾干涉等倾干涉22n ek1n3n2n满足满足n1n3(或或n1 n2 n2n3(或或n1 n2 n3)附加附加 的讨论的讨论2存在附加程差存在附加程差不存在附加程差不存在附加程差12-4 分振幅干涉分振幅干涉等倾干涉等倾干涉如图所示，单色光垂直照射在厚度为L的薄膜上.薄膜和它周围的介质折射率标注在图中.考虑从薄膜上、下表面反射光的光程差，在以下四种情形下，那些情形中的光程差不需要附加/2?1,32,41,42,3ABCD提交单选题1分