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1、第第五五章章 光的偏振光的偏振光波性質：光波性質：橫波橫波0 00 01 1c c cE EH H 電矢量電矢量E E、磁矢量、磁矢量H H有單一對應關系、同步性有單一對應關系、同步性 在許多方面磁場的作用比電場的作用小的多在許多方面磁場的作用比電場的作用小的多一般都選用電矢量一般都選用電矢量E E代表光的振動代表光的振動光矢量光矢量光矢量的振動方向與傳播方向構成一個平面光矢量的振動方向與傳播方向構成一個平面光的偏振性光的偏振性E播播傳傳方方向向振振動動面面一一. . 自然光自然光沒有優(yōu)勢方向沒有優(yōu)勢方向自然光的分解自然光的分解yxEE yxI II II I自然光的表示法：自然光的表示法：1
2、 1 光的偏振狀態(tài)光的偏振狀態(tài)沿光傳播方向看沿光傳播方向看自然光自然光中中E E在在任任意方向意方向都是均勻都是均勻分布的分布的每一個光矢量每一個光矢量都可以分解為都可以分解為x x、y y 方向分方向分量量2 2I II II Iyx二二. . 線偏振光線偏振光E播播傳傳方方向向振振動動面面線偏振光可沿兩個相互垂直的方向分解線偏振光可沿兩個相互垂直的方向分解EEyEx yx sincosEEEEyx 線偏振光的表示法：線偏振光的表示法： 光振動垂直板面光振動垂直板面光振動平行板面光振動平行板面面對光的傳播方向看面對光的傳播方向看 線偏振光線偏振光 完全偏振光完全偏振光三三. . 部分偏振光部
3、分偏振光部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光可分解為兩束振動方向相互垂直的、可分解為兩束振動方向相互垂直的、 不等幅的、不相干的不等幅的、不相干的線偏振光線偏振光。部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法：垂直紙面的光振動較強垂直紙面的光振動較強 平行紙面的光振動較強平行紙面的光振動較強某一方向振動某一方向振動強于其他方向強于其他方向部分偏振光部分偏振光可可通過通過線偏光線偏光和和自然光自然光的合成得到的合成得到。2 2 線線偏振偏振光的獲得與檢驗光的獲得與檢驗一一. . 起偏起偏 起偏的原理起偏的原理：利用某種光學的不對稱性利用某種光學的不對稱性 偏振片偏振
4、片： 起偏：起偏：從自然光獲得偏振光從自然光獲得偏振光 起偏器起偏器: : 起偏起偏的光學器件的光學器件非偏振光非偏振光線偏振光線偏振光透光透光電氣石晶片電氣石晶片硫酸碘奎寧、電氣石或聚乙烯醇薄膜硫酸碘奎寧、電氣石或聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后，在高溫下拉伸、在碘溶液中浸泡后，在高溫下拉伸、烘干形成了偏振片烘干形成了偏振片自然光自然光I0線偏振光線偏振光 IP偏振化方向偏振化方向 (透振方向透振方向)021II 偏振片的起偏偏振片的起偏 二向色性二向色性二二. . 馬呂斯定律馬呂斯定律( (線偏振光入射偏振片線偏振光入射偏振片) ) I0IPP E0 E=E0cos , 2 0 0EI 20c
5、osII 0max0III ， 02 I， 馬呂斯定律馬呂斯定律（18091809）消光消光 2 2 0 2 cos EEI 三三. . 檢偏檢偏用偏振器件用偏振器件分析、檢驗分析、檢驗光的偏振態(tài)光的偏振態(tài)旋轉一周旋轉一周2 2明明2 2暗暗自然光自然光部分偏振光部分偏振光? ?例. . 三個偏振片三個偏振片 P1、P2與與P3 堆疊在一起，堆疊在一起，P1 與與 P3 的偏振化方向相互垂直，的偏振化方向相互垂直，P2 與與 P1 的偏振化方向間的夾角為的偏振化方向間的夾角為 30 。強度。強度為為 I0 的自然光垂直入射到偏振片的自然光垂直入射到偏振片 P1，并，并依次透過偏振片依次透過偏振
6、片 P1、P2 與與 P3，若不考慮，若不考慮偏振片的吸收和反射，則通過三個偏振片偏振片的吸收和反射，則通過三個偏振片后的光強為：后的光強為：（A）;4/0I（B）;8/30I（C）;32/30I（D）.16/0I（C）例. . 一束光是自然光和線偏振光的混合光，一束光是自然光和線偏振光的混合光，讓它們垂直通過一偏振片，若以此入射光讓它們垂直通過一偏振片，若以此入射光束為軸旋轉偏振片，測得透射光強度最大束為軸旋轉偏振片，測得透射光強度最大值是最小值的值是最小值的 5 倍，那么入射光束中自然倍，那么入射光束中自然光與線偏振光的光強比值為：光與線偏振光的光強比值為： A (A) 1/2 ; (B)
7、 1/5; (C) 1/3; (D) 2/3.例例5 51 1. . 有三個偏振片堆疊在一起，第一塊有三個偏振片堆疊在一起，第一塊與第三塊的偏振片化方向相互垂直，第二與第三塊的偏振片化方向相互垂直，第二塊和第一塊的偏振化方向相互平行，然后塊和第一塊的偏振化方向相互平行，然后第二塊偏振片以恒定的角速度第二塊偏振片以恒定的角速度 w 繞光傳播繞光傳播的方向順時針旋轉，如圖所示。設入射自的方向順時針旋轉，如圖所示。設入射自然光的光強為然光的光強為I I。, , 通過這一系統(tǒng)后，出射通過這一系統(tǒng)后，出射光的光強為何？光的光強為何？w自然光I01P2P3PI2sincos220I,時刻證明：由圖所示，在
8、t82sin20I2cos22IIP3P2P1w2w自然光I01P2P3PII1I2,2/01IIcos212II3 3 反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振一一. . 反射和折射時光的偏振反射和折射時光的偏振i = = i0 0 時，反時，反射光射光為線偏光，為線偏光，其其振動方向振動方向入射面入射面i0:布儒斯特角布儒斯特角或或 起偏角起偏角i0 0 + +r0 0 = 90= 90O O 由由 0201sinsinrnin有有布儒斯特定律布儒斯特定律 (1812(1812年年) )21120tgnnni n1n2i ir自然光反射和折射自然光反射和折射后產(chǎn)生部分偏振光后產(chǎn)生部分偏振光n1
9、n2i0i0r0線偏振光線偏振光起偏振角起偏振角0201cossininin即當光以即當光以布儒斯特角布儒斯特角入射到兩種介質的交界面時入射到兩種介質的交界面時，反射光線反射光線折射光線折射光線若若 n1 1 =1.00 (=1.00 (空氣空氣) )，n2 2 =1.50 (=1.50 (玻璃玻璃) )，則：則：185600. 150. 1tg 10 i玻玻璃璃空空氣氣二二. . 玻璃片堆起偏和檢偏玻璃片堆起偏和檢偏i0 玻璃片堆玻璃片堆(接近線偏振光接近線偏振光)(接近線偏振光接近線偏振光)423350. 100. 1tg 10 i空氣空氣玻璃玻璃互余互余4 4 光在晶體中的傳播光在晶體中
10、的傳播, , 雙折射雙折射 方解石方解石oee o一一. . 雙折射的概念雙折射的概念1. 雙折射雙折射n1n2irore(各向異各向異性媒質性媒質)自然光自然光o光光e光光2.2.尋常光和非尋常光尋常光和非尋常光o o光光 : : 遵從折射定律遵從折射定律orninsinsin21 e e光光 : : 一般不遵從折射定律一般不遵從折射定律constrie sinsine e光折射線也不一定在入射面內(nèi)。光折射線也不一定在入射面內(nèi)。 3. 3. 晶體的光軸晶體的光軸當光在晶體內(nèi)沿某個特殊方向傳播時當光在晶體內(nèi)沿某個特殊方向傳播時不發(fā)生不發(fā)生雙折射，雙折射，該方向稱為晶體的該方向稱為晶體的光軸。光
11、軸。例如，方解石晶體例如，方解石晶體( (冰洲石冰洲石) )AB光軸光軸102 光軸是一特殊的方向光軸是一特殊的方向, ,凡平凡平行于此方向的直線均為光軸。行于此方向的直線均為光軸。單軸晶體：單軸晶體：只有一個光軸的晶體只有一個光軸的晶體雙軸晶體：雙軸晶體：有兩個光軸的晶體有兩個光軸的晶體4. 4. 主平面主平面主平面主平面：晶體中光的傳播方向與晶體晶體中光的傳播方向與晶體 光軸構成的平面。光軸構成的平面。e光光光軸光軸e光的光的主平面主平面o光光光軸光軸o光的光的主平面主平面二二. . 晶體的主折射率，正晶體、負晶體晶體的主折射率，正晶體、負晶體光矢量振動方向與晶體光軸的夾角不同光矢量振動方
12、向與晶體光軸的夾角不同, ,光的傳播速度也不同。光的傳播速度也不同。振動方向振動方向主平面主平面振動方向振動方向主平面主平面只有光軸在入射面內(nèi)時，只有光軸在入射面內(nèi)時，o o、e e光的主平面重合光的主平面重合vo t光軸光軸光軸光軸ve tvo to光光: :00 cn e光光: :ec een n0 0 ，ne稱為稱為晶體的主折射率晶體的主折射率 正晶體正晶體 : : ne no，如石英，如石英負晶體負晶體 : : ne no，如方解石，如方解石,oon eeo光軸光軸 根據(jù)根據(jù)n0 0 ，ne的關系的關系可分為正、負晶體可分為正、負晶體當光沿光軸方向入射晶體時，當光沿光軸方向入射晶體時，
13、不發(fā)生雙折射現(xiàn)象不發(fā)生雙折射現(xiàn)象當光垂直光軸方向入射當光垂直光軸方向入射晶體時，晶體時，o光、光、e光沿同光沿同一方向傳播，但速度不一方向傳播，但速度不同同 e o e o光軸光軸晶體晶體 e o e o光軸光軸晶體晶體偏振光的應用偏振光的應用v 眼鏡、車燈、玻璃眼鏡、車燈、玻璃v 人工雙折射人工雙折射光彈性、高速光開關光彈性、高速光開關109sv 旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象1. .兩偏振片堆疊在一起，一束自然光垂直入兩偏振片堆疊在一起，一束自然光垂直入射其上時沒有光線透過。當其中一偏振片射其上時沒有光線透過。當其中一偏振片慢慢轉動慢慢轉動180 時透射光強度發(fā)生的變化為時透射光強度發(fā)生的變化為: :
14、B （A）光強單調增加；）光強單調增加；（B）光強先增加，后有減小至零；）光強先增加，后有減小至零；（C）光強先增加，后減小，再增加；）光強先增加，后減小，再增加；（D）光強先增加，然后減小，再增加再）光強先增加，然后減小，再增加再減小至零。減小至零。2. .一束光強為一束光強為 I0 的自然光垂直穿過兩個偏的自然光垂直穿過兩個偏振片，且此兩偏振片的偏振化方向成振片，且此兩偏振片的偏振化方向成 45 角，若不考慮偏振片的反射和吸收，則穿角，若不考慮偏振片的反射和吸收，則穿過兩個偏振片后的光強為：過兩個偏振片后的光強為： B （A）;4/20I（B）;4/0I（C）;2/0I（D）.2/20I3
15、. .三個偏振片三個偏振片 P1、P2與與P3 堆疊在一起，堆疊在一起，P1 與與 P3 的片振化方向相互垂直，的片振化方向相互垂直，P2 與與 P1 的片振化方向間的夾角為的片振化方向間的夾角為 30 。強度。強度為為 I0 的自然光垂直入射到偏振片的自然光垂直入射到偏振片 P1，并，并依次透過偏振片依次透過偏振片 P1、P2 與與 P3，若不考慮，若不考慮偏振片的吸收和反射，則通過三個偏振片偏振片的吸收和反射，則通過三個偏振片后的光光強為：后的光光強為： C （A）;4/0I（B）;8/30I（C）;32/30I（D）.16/0I4. .自然光以自然光以 60 的入射角照射到某一透明的入射
16、角照射到某一透明介質表面時，反射光為線偏振光，則知：介質表面時，反射光為線偏振光，則知： B （A）折射光為線偏振光）折射光為線偏振光 30 ；（B）折射光為部分偏振光，折射角為）折射光為部分偏振光，折射角為 30 ；（C）折射光為線偏振光，折射角不能確）折射光為線偏振光，折射角不能確定；定； （D）折射光為部分偏振光，折射角不能）折射光為部分偏振光，折射角不能確定；確定；5. .一束自然光自空氣射向一束自然光自空氣射向一塊平板玻璃一塊平板玻璃(如圖如圖)，設，設入射角等于布儒斯特角入射角等于布儒斯特角i0，則在界面則在界面 2 的反射光的反射光 B i012（A）光強為零；）光強為零；（B）
17、是完全偏振光且光矢量的振動方向）是完全偏振光且光矢量的振動方向垂直于入射面；垂直于入射面； （C）是完全偏振光且光矢量的振動方向）是完全偏振光且光矢量的振動方向平行于入射面；平行于入射面；（D）是部分偏振光。）是部分偏振光。6. .使一光強為使一光強為 I0 的平面偏振光先后通過兩的平面偏振光先后通過兩個偏振片個偏振片 P1 和和 P2 . . P1 和和 P2 的偏振化方向的偏振化方向與原入射光光矢量振動方向的夾角是與原入射光光矢量振動方向的夾角是 和和 90 ，則通過這兩個偏振片后的光強，則通過這兩個偏振片后的光強 I是是: : C (B) 0.(A).cos2120I(C).I)2(si
18、n4120(D).I20sin41(E).cos40I7. .自然光以布儒斯特角由空氣入射到一玻自然光以布儒斯特角由空氣入射到一玻璃表面上，反射光是璃表面上，反射光是（A）在入射面內(nèi)振動的完全偏振光。）在入射面內(nèi)振動的完全偏振光。（B）平行于入射面的振動占優(yōu)勢的部分）平行于入射面的振動占優(yōu)勢的部分偏振光。偏振光。（C）垂直于入射面振動的完全偏振光。）垂直于入射面振動的完全偏振光。（D） 垂直于入射面的振動占優(yōu)勢的部垂直于入射面的振動占優(yōu)勢的部分偏振光分偏振光. . C 8. .有三個偏振片堆疊在一起，第一塊與第有三個偏振片堆疊在一起，第一塊與第三塊的偏振片化方向相互垂直，第二塊和三塊的偏振片化
19、方向相互垂直，第二塊和第一塊的偏振化方向相互平行，然后第二第一塊的偏振化方向相互平行，然后第二塊偏振片以恒定的角速度塊偏振片以恒定的角速度 w 繞光傳播的方繞光傳播的方向旋轉，如圖所示。設入射自然光的光強向旋轉，如圖所示。設入射自然光的光強為。試證明：此自然光通過這一系統(tǒng)后，為。試證明：此自然光通過這一系統(tǒng)后，出射光的光強為出射光的光強為.16/)4cos1 (0tIIww自然光I01P2P3PI9.如圖所示，一束自然光入射到平玻璃板上，已如圖所示，一束自然光入射到平玻璃板上，已知其上表面的反射光線知其上表面的反射光線1為完全偏振光。設玻璃為完全偏振光。設玻璃板兩側都是空氣，標明各反射、折射光
20、線的偏振板兩側都是空氣，標明各反射、折射光線的偏振情況。情況。nn0n01210.如圖，如圖，P1、 P2為偏振化方向間夾角為為偏振化方向間夾角為 的兩個偏的兩個偏振片。光強為振片。光強為I0的平行自然光垂直入射到的平行自然光垂直入射到P1表面上，表面上，則通過則通過P2的光強的光強I= 。若在若在P1、 P2之間插入第三個偏振片之間插入第三個偏振片P3 ，則通過，則通過P2的的光強發(fā)生了變化。實驗發(fā)現(xiàn)，以光線為軸旋轉光強發(fā)生了變化。實驗發(fā)現(xiàn)，以光線為軸旋轉P2 ，使其偏振化方向旋轉一角度使其偏振化方向旋轉一角度 后，發(fā)生消光現(xiàn)象，后，發(fā)生消光現(xiàn)象，從而可以推算出的從而可以推算出的P3偏振化方
21、向與偏振化方向與P1的偏振化方向的偏振化方向之間的夾角之間的夾角 = 。（假設題中所涉及的。（假設題中所涉及的角均為銳角，且設角均為銳角，且設 ）II0P1P2P311. . ABCD 為一塊方解石的一個截面，為一塊方解石的一個截面，AB 為垂直于紙面的晶體平面與紙面的交為垂直于紙面的晶體平面與紙面的交線線. .光軸方向在紙面內(nèi)且與光軸方向在紙面內(nèi)且與AB 成一銳角成一銳角 , ,如圖所示如圖所示. .一束平行的單色自然光垂直一束平行的單色自然光垂直于于AB端面入射端面入射. .在方解石內(nèi)折射分解為在方解石內(nèi)折射分解為 o 光和光和 e光光, , o 光和光和 e 光的光的 : :光軸ABCD(A)傳播方向相同傳播方向相同, ,光矢量的光矢量的振動方向互相垂直振動方向互相垂直. .(B)傳播方向相同傳播方向相同, ,光矢量的光矢量的振動方向不互相垂直振動方向不互相垂直(C)傳播方向不相同傳播方向不相同, ,光矢量光矢量的振動方向互相垂直的振動方向互相垂直(D)傳播方向不相同傳播方向不相同, ,光矢量光矢量的振動方向不互相垂直的振動方向不互相垂直 C 光軸ABCD
第五章光的偏振
