第14章-光的偏振.pptx
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1、14-1 14-1 自然光和偏振光自然光和偏振光一、横波的偏振性一、横波的偏振性偏振面偏振面:通过波的传播方向且包含通过波的传播方向且包含振动矢量的那个平面。振动矢量的那个平面。如:上下如:上下抖动的绳抖动的绳振动平面与包含传播方向在内的其他平面不同,称为振动平面与包含传播方向在内的其他平面不同,称为波的振动波的振动方向相对于传播方向没有对称性,这种不对称性称为偏振。方向相对于传播方向没有对称性,这种不对称性称为偏振。实验表明只有横波才有偏振现象,这是横波区别于纵波最显著的区别。实验表明只有横波才有偏振现象,这是横波区别于纵波最显著的区别。E播播传传方方向向振振动动面面按光的电磁波理论,光矢量
2、按光的电磁波理论,光矢量E的振动方向虽然始终垂直于传播方向,的振动方向虽然始终垂直于传播方向,但在垂直于传播方向的平面内,但在垂直于传播方向的平面内,E还可能有各种不同的振动状态,这还可能有各种不同的振动状态,这种振动状态通常称为种振动状态通常称为光的偏振态。光的偏振态。按振动状态的不同,光可分为:按振动状态的不同,光可分为:4)圆偏振光)圆偏振光 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;5)椭圆偏振光)椭圆偏振光右旋圆右旋圆偏振光偏振光左旋圆左旋圆偏振光偏振光 0 y yx z传播方向传播方向 /2x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
3、变化E二、自然光二、自然光 光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上既有时间光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上既有时间分布的均匀性又有空间分布的均匀性。分布的均匀性又有空间分布的均匀性。普通光源发光具有间歇性和随机性,包含所有方向的光振动,并普通光源发光具有间歇性和随机性,包含所有方向的光振动,并且没有哪个方向的光振动更占优势,平均说来,空间上均匀对称且没有哪个方向的光振动更占优势,平均说来,空间上均匀对称分布,各个方向上,时间的平均值相等。分布,各个方向上,时间的平均值相等。为了研究的方便将自然光向任意为了研究的方便将自然光向任意互相垂直的两个方向分解,因此互相垂直的两个方向分解,因此自然光可
4、看作自然光可看作互相垂直、振幅相互相垂直、振幅相等(光强相等)、独立(不相干)等(光强相等)、独立(不相干)的两个光振动。的两个光振动。注:自然光不一定不是单色光。注:自然光不一定不是单色光。三、线偏振光三、线偏振光 光矢量始终沿某一固定方向振动。光矢量始终沿某一固定方向振动。可将自然光中相互垂直的两个分振动之一完全移去,获可将自然光中相互垂直的两个分振动之一完全移去,获得线偏振光,故又称为完全偏振光。又光矢量始终都在得线偏振光,故又称为完全偏振光。又光矢量始终都在振动面内振动,故称为平面偏振光。振动面内振动,故称为平面偏振光。注:线偏振光不一定是单色光。注:线偏振光不一定是单色光。线偏振光可
5、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 表示方法:表示方法:四、部分偏振光四、部分偏振光 各方向的振动都有,但振幅大小不相等。各方向的振动都有,但振幅大小不相等。既可以看作介于自然光和线偏振既可以看作介于自然光和线偏振光之间,也可看作自然光与线偏光之间,也可看作自然光与线偏振光的混合。振光的混合。1)将自然光中一个分振动部分移走即可获得部分偏振光。)将自然光中一个分振动部分移走即可获得部分偏振光。3)天空的散射光和水面的反射光就是这种部分偏振光)天空的散射光和水面的反射光就是这种部分偏振光分解分解非相干非相干表示方法:表示方法:2)两个方向的光振动强弱对
6、比度越高则越接近线偏振光,越低则)两个方向的光振动强弱对比度越高则越接近线偏振光,越低则越接近自然光。越接近自然光。14-2 起偏和检偏起偏和检偏 马吕斯定律马吕斯定律一、偏振片的起偏和检偏一、偏振片的起偏和检偏 普通光源发出的光都是自然光,从自然光中获取线偏振光的装置普通光源发出的光都是自然光,从自然光中获取线偏振光的装置叫叫起偏器起偏器。偏振片是一种较常用而又最简便的起偏器。此外利用光的。偏振片是一种较常用而又最简便的起偏器。此外利用光的发射、折射和晶体棱镜的双折射也可获取线偏振光。发射、折射和晶体棱镜的双折射也可获取线偏振光。偏振片是在透明的基片上蒸镀一层某种物质(如硫酸金鸡纳碱、碘化偏
7、振片是在透明的基片上蒸镀一层某种物质(如硫酸金鸡纳碱、碘化硫酸奎宁等)晶粒制成的。硫酸奎宁等)晶粒制成的。晶粒特性:对互相垂直的两个晶粒特性:对互相垂直的两个分振动矢量具有选择吸收性,分振动矢量具有选择吸收性,即对某方向的光振动具有强烈即对某方向的光振动具有强烈的吸收,而对与之垂直的光振的吸收,而对与之垂直的光振动吸收很少,这种特性称为二动吸收很少,这种特性称为二向色性。向色性。偏振化方向(透光轴):允许某一偏振化方向(透光轴):允许某一特定方向的光振动通过的方向,即特定方向的光振动通过的方向,即透光方向。透光方向。非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光透光轴透光轴电气石晶片电气石晶片起偏:从自然光
8、中获取线偏振光的过程;起偏:从自然光中获取线偏振光的过程;光强无变化光强无变化 两次光强最弱,两次光强最强两次光强最弱,两次光强最强两次光强最强,两次光强为零两次光强最强,两次光强为零偏振片偏振片P旋转一周:旋转一周:检偏:检验某束光是否为线偏振光的过程。检偏:检验某束光是否为线偏振光的过程。自然光自然光I0线线偏偏振振光光 IP 偏振化方向偏振化方向(通光方向)(通光方向)-部分偏振光;部分偏振光;-自然光自然光-线偏振光。线偏振光。二、马吕斯定律二、马吕斯定律(Malus law)1809年,马吕斯在研究线偏振光通过检偏器后的透光光强时发现,年,马吕斯在研究线偏振光通过检偏器后的透光光强时
9、发现,如果入射线偏振光的光强为如果入射线偏振光的光强为I0,透过检偏器后,透射光的光强:透过检偏器后,透射光的光强:-马吕斯定律马吕斯定律 是线偏振光的振动方向与检偏器的透光轴方向之间的夹角。是线偏振光的振动方向与检偏器的透光轴方向之间的夹角。线偏振光:线偏振光:光强最强;光强最强;光强为零。光强为零。例例1:一束自然光射到由四个偏振片组成的偏振片组上,四个偏振片如:一束自然光射到由四个偏振片组成的偏振片组上,四个偏振片如图放置,每个偏振片的偏振化方向相对于前一个顺时钟转角图放置,每个偏振片的偏振化方向相对于前一个顺时钟转角30o,设入射,设入射光光强为光光强为I0,则通过第二片后光强为:,则
10、通过第二片后光强为:_,通过第四片后变为:,通过第四片后变为:_。自然光自然光I0P1 P2P3P4I1I2I3I4 14-3 反射与折射时光的偏振反射与折射时光的偏振 自然光在两种各向同性的媒质分界面上反射和折射时,反射光和自然光在两种各向同性的媒质分界面上反射和折射时,反射光和折射光都成为部分偏振光,在特定的条件下,反射光有可能成为完全折射光都成为部分偏振光,在特定的条件下,反射光有可能成为完全偏振光。偏振光。如图,自然光分解为垂直振动如图,自然光分解为垂直振动(黑点)和平行振动(短线)(黑点)和平行振动(短线)实验发现:在反射光中,垂实验发现:在反射光中,垂直振动多于平行振动,折射直振动
11、多于平行振动,折射光中,平行振动多于垂直振光中,平行振动多于垂直振动,即反射光和折射光均为动,即反射光和折射光均为部分偏振光。部分偏振光。入射角入射角i 变变反射、折射光反射、折射光的偏振度也变。的偏振度也变。理论和实践证明:反射光的偏振化程度与入射角有光。理论和实践证明:反射光的偏振化程度与入射角有光。布儒斯特角或起偏角布儒斯特角或起偏角如:空气如:空气玻璃:玻璃:玻璃玻璃空气:空气:(1)可以证明:)可以证明:当入射角等于某一定当入射角等于某一定值值i0,且满足:且满足:反射光中只有垂直入射面的分振动,反射光中只有垂直入射面的分振动,成为线偏振光,而折射光仍为部分成为线偏振光,而折射光仍为
12、部分偏振光,但这时折射光的偏振化程偏振光,但这时折射光的偏振化程度最高度最高-布儒斯特定律(布儒斯特定律(1912年)年)。(2)入射光为线偏振光)入射光为线偏振光(3 3)反射光光强很弱,)反射光光强很弱,透射光光强很强。透射光光强很强。为了增强发射光光强为了增强发射光光强和透射光的偏振化程和透射光的偏振化程度,常采用玻璃片堆。度,常采用玻璃片堆。如:空气如:空气玻璃玻璃,反射光光强为垂直振动,反射光光强为垂直振动的的15%,透射光光强为垂直振动的,透射光光强为垂直振动的85%和全和全部的平行振动,故透射光偏振化程度不高。部的平行振动,故透射光偏振化程度不高。例例2:有一平面玻璃板放在水中,
13、板面与水面夹角为:有一平面玻璃板放在水中,板面与水面夹角为,设水与玻璃的设水与玻璃的折射率分别为折射率分别为1.333和和1.517,若使图中水面和玻璃的反射光都是完全,若使图中水面和玻璃的反射光都是完全偏振光,偏振光,角应是多少?角应是多少?例例3:在杨氏双缝干涉实验中,下述情况能否看到干涉条纹?简单说明:在杨氏双缝干涉实验中,下述情况能否看到干涉条纹?简单说明理由。理由。(1)在单色自然光源)在单色自然光源S后面加一偏振片后面加一偏振片 P;(2)在()在(1)的情况下,再在)的情况下,再在S1,S2后加后加P1,P2,且且P1,P2的透光轴方向垂直,的透光轴方向垂直,与与P透光轴方向的夹
14、角为透光轴方向的夹角为45;(3)在()在(2)的情况下,再在)的情况下,再在E前加偏振片前加偏振片 P3,P3和和P的透光轴方向一致。的透光轴方向一致。答:(答:(1)可看到,且偏振片很薄忽略光程差,条纹与没有)可看到,且偏振片很薄忽略光程差,条纹与没有P基本一致基本一致,不过光强减弱;,不过光强减弱;(2)不能看到,两束光振动方向垂直,不满足干涉条件;)不能看到,两束光振动方向垂直,不满足干涉条件;(3)可看到,经)可看到,经P3后,振动方向一致,满足相干条件,条纹不同,后,振动方向一致,满足相干条件,条纹不同,光强减弱。光强减弱。14-4 光的双折射光的双折射双折射现象:当光射到各向异性
15、晶体(如方解石、冰洲双折射现象:当光射到各向异性晶体(如方解石、冰洲石等)后,可观察到两束折射光的现象。石等)后,可观察到两束折射光的现象。如:印有一行文字的纸上面放一块方解石。如:印有一行文字的纸上面放一块方解石。实验发现:除立方晶系外,光线进入各向异性实验发现:除立方晶系外,光线进入各向异性晶体时,一般都会产生双折射现象。进一步研晶体时,一般都会产生双折射现象。进一步研究发现:究发现:其中之一始终遵从折射定律,即其中之一始终遵从折射定律,即对任意入射角,都有:对任意入射角,都有:不遵从普通的折射定律,不一定在入射面内不遵从普通的折射定律,不一定在入射面内寻常光寻常光(o光)光)非常光非常光
16、(e光)光)o光:线偏振光,光速光:线偏振光,光速vo,主折射率主折射率c/vo e光:线偏振光,光速光:线偏振光,光速ve,主折射率主折射率c/ve 光轴:晶体内存在一个特殊方向,当光沿这个方向传播时不产生双折射光轴:晶体内存在一个特殊方向,当光沿这个方向传播时不产生双折射现象。现象。此时,此时,o光和光和e光折射率相等,光的传播速度也相等。光折射率相等,光的传播速度也相等。如:方解石晶体的光轴如:方解石晶体的光轴注:光轴只是一个方注:光轴只是一个方向,并不是晶体中实向,并不是晶体中实际存在的直线。际存在的直线。单轴晶体:只有一个光轴,如方解石、石英等;单轴晶体:只有一个光轴,如方解石、石英
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