第20章 光的偏振

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1、自然光自然光光的干涉、衍射光的干涉、衍射 光的光的波動性波動性 .機械橫波與縱波的區(qū)別機械橫波與縱波的區(qū)別:機械波穿過狹縫機械波穿過狹縫橫波有偏振現(xiàn)象橫波有偏振現(xiàn)象第第20章章 光的偏振光的偏振振動相對于傳播方向的不對稱性，稱為振動相對于傳播方向的不對稱性，稱為偏振性偏振性。 光的偏振光的偏振 光波是光波是橫波橫波. 自然光自然光 ：一般光源發(fā)出的光中，包含著各個方：一般光源發(fā)出的光中，包含著各個方向的光矢量，且在所有可能的方向上的振幅都相等向的光矢量，且在所有可能的方向上的振幅都相等（軸對稱）這樣的光叫自然光（軸對稱）這樣的光叫自然光 . 自然光可以用互相自然光可以用互相垂直垂直的互的互為獨

2、立的振幅相等的光振動表示為獨立的振幅相等的光振動表示 , 并各具有并各具有一半一半的振動能量的振動能量 .符號表示符號表示vE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 偏振光偏振光（線偏振光）（線偏振光）符號表示符號表示 部分偏振光部分偏振光 ：某一方向的光振動比與之垂直方：某一方向的光振動比與之垂直方向上的光振動占優(yōu)勢的光為部分偏振光向上的光振動占優(yōu)勢的光為部分偏振光 .符號表示符號表示光振動只沿某一固定方向的光光振動只沿某一固定方向的光 .振動面振動面vE起偏起偏：使自然光（或非偏振使自然光（或非偏振光）變成線偏振光的過程。光）變成線偏振光的過程。檢偏檢偏：檢查入射光的偏振性。：檢

3、查入射光的偏振性。自然光自然光偏振片偏振片線偏振光線偏振光1、偏振片、偏振片 偏振化方向：偏振化方向：只允許沿某一特定振動方向的光通過的光學器件只允許沿某一特定振動方向的光通過的光學器件。偏振片允許通過的光矢量的振動方向。偏振片允許通過的光矢量的振動方向。 偏振片：偏振片：偏偏振振化化方方向向二、二、 線偏振光的獲得與檢驗線偏振光的獲得與檢驗 自然光通過偏振片后成為線偏振光，線偏振光自然光通過偏振片后成為線偏振光，線偏振光的振動方向與偏振片的偏振化方向一致。的振動方向與偏振片的偏振化方向一致。 自然光通過旋轉的檢偏器自然光通過旋轉的檢偏器 -光強不變光強不變偏振光通過旋轉的檢偏器偏振光通過旋轉

4、的檢偏器兩偏振片的偏振化方向相互垂直兩偏振片的偏振化方向相互垂直, 光強為零光強為零-光強變化光強變化1P2P1I2I當當 P1 / P2 時，時，0 透射光最強。透射光最強。當當 P1 P2 時，時，2 透射光為透射光為0。0121II 實驗發(fā)現(xiàn)實驗發(fā)現(xiàn)消光消光起偏器起偏器檢偏器檢偏器I?P待檢光待檢光I不變不變？是什么光？是什么光I變，有消光變，有消光？是什么光？是什么光I變，無消光變，無消光？是什么光？是什么光問題問題0I強度為強度為I1的偏振光，通過檢偏器后，透射光的強度為：的偏振光，通過檢偏器后，透射光的強度為： -線偏振光的振動方向與檢線偏振光的振動方向與檢偏器的偏振化方向之間的夾

5、角。偏器的偏振化方向之間的夾角。 21cosII 2P1P 0I1I2I 例：兩偏振片偏振化方向夾角為例：兩偏振片偏振化方向夾角為 212cosII 2021cosI 則有：則有： 解：解：設兩偏振片偏振化設兩偏振片偏振化方向間的夾角為方向間的夾角為 ，（1）,I81cosI21020 41cos2 60 (2) 三個偏振片時，中間偏振片三個偏振片時，中間偏振片與前后兩偏振片夾角均為與前后兩偏振片夾角均為3030cos)30cosI21(I220 透透0220329232321I)()(I 例例:兩個偏振片疊放在一起，強度為兩個偏振片疊放在一起，強度為I0的入射自然光垂直照的入射自然光垂直照射

6、其上，透射光強為射其上，透射光強為I0 /8，求：求：1) 這兩個偏振片的偏振化方向的夾角？這兩個偏振片的偏振化方向的夾角？ 2) 若在兩偏振片中間再插入另一偏振片，其偏振化方若在兩偏振片中間再插入另一偏振片，其偏振化方向與前后兩片偏振片的偏振化方向夾角相等，那么通過三向與前后兩片偏振片的偏振化方向夾角相等，那么通過三個偏振片后的透射光強又是多少個偏振片后的透射光強又是多少？oI21 2cos)21(oI 自然光自然光Io 由馬呂斯定律由馬呂斯定律例例 : 強度為強度為Io自然光連續(xù)通過三個疊在一起的偏振片自然光連續(xù)通過三個疊在一起的偏振片A、B、C，A C，求最大，求最大透射光強。透射光強。

7、解解 : 設偏振片設偏振片A、B偏振化方向間的夾角為偏振化方向間的夾角為 ，有，有oI21 221cos)I(o ABC自然光自然光Io 透射光強為透射光強為 2221sincos)I(Io )(coscos)I(o 902122可見可見最大最大透射光強為透射光強為omaxII81 2022121)sin()I( 例例: 一束光是自然光和線偏振光的混合。當它通過一一束光是自然光和線偏振光的混合。當它通過一偏振片后，測得最大透射光強是最小透射光強的偏振片后，測得最大透射光強是最小透射光強的5倍，倍，求入射光中自然光和線偏振光的光強之比。求入射光中自然光和線偏振光的光強之比。解解: 設入射光中自然

8、光的光強為設入射光中自然光的光強為I1，線偏振光的光強為，線偏振光的光強為I2，則透射光強，則透射光強,2121maxIII 1min21II ,21512minmaxIIII 212 II即入射光中自然光和線偏振光的光強之比為即入射光中自然光和線偏振光的光強之比為1:2。汽車車燈與窗玻璃用同一偏振化方向的透明膜汽車車燈與窗玻璃用同一偏振化方向的透明膜1. 1. 防止對面來的燈光耀眼防止對面來的燈光耀眼2.立體電影立體電影原理：利用人眼的雙眼效應原理：利用人眼的雙眼效應有反射光干擾的櫥窗有反射光干擾的櫥窗在照相機鏡頭前加偏振片在照相機鏡頭前加偏振片消除了反射光的干擾消除了反射光的干擾 自然光在

9、兩種各向同性介質的分界面上反射和折自然光在兩種各向同性介質的分界面上反射和折射時，不但射時，不但光的傳播方向要改變光的傳播方向要改變，而且，而且光的偏振狀態(tài)也光的偏振狀態(tài)也要改變要改變，所以反射光和折射光都是部分偏振光。，所以反射光和折射光都是部分偏振光。20-2 反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振一、反射和折射時光的偏振一、反射和折射時光的偏振1n2ni r 自然光自然光部分部分偏振光偏振光反射反射和和折射折射的偏振化程度與入射角有關。的偏振化程度與入射角有關。部分部分偏振光偏振光 實驗發(fā)現(xiàn)實驗發(fā)現(xiàn):在反射光中垂直在反射光中垂直于入射面的光振動多于平行振于入射面的光振動多于平行振動動;而在

10、折射光中平行于入射而在折射光中平行于入射面的光振動多于垂直振動。面的光振動多于垂直振動。二、布儒斯特定律二、布儒斯特定律0ir1n2n自然光自然光線偏振光線偏振光部分部分偏振光偏振光當入射角等于某一當入射角等于某一特定值特定值i0，120nni tg且滿足且滿足時反射光成為線偏振光。時反射光成為線偏振光。0i布儒斯特角布儒斯特角20 ri當入射角為當入射角為 i0 時，反射線和折射線正交，即時，反射線和折射線正交，即120nnri sinsin12000nniitgi cossin0ircossin 即即20 ri結論結論0ir1n2n自然光自然光線偏振光線偏振光部分部分偏振光偏振光利用利用玻

11、璃片堆玻璃片堆產生線偏振光產生線偏振光i0(接近線偏振光接近線偏振光)玻璃片堆玻璃片堆 最后獲得兩束振動面互相垂直的線偏振光最后獲得兩束振動面互相垂直的線偏振光1. .自然光以自然光以 60 的入射角照射到某一透明介質表面時，的入射角照射到某一透明介質表面時，反射光為線偏振光，則知：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, , 折射角為折射角為 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，折射角不能確定；）折射光為線偏振光，折射角不能確定； （D）折射光為部分偏振光，折射角不能確定；）折射光為部分偏振

12、光，折射角不能確定；2.一束自然光自空氣射向一塊平板玻璃一束自然光自空氣射向一塊平板玻璃(如圖如圖)，設入射角等于布儒斯特角，設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）是完全偏振光且光矢量的振動方向垂直于入射面；）是完全偏振光且光矢量的振動方向垂直于入射面； （C）是完全偏振光且光矢量的振動方向平行于入射面；）是完全偏振光且光矢量的振動方向平行于入射面；（D）是部分偏振光。）是部分偏振光。 對于對于各向異性晶體各向異性晶體，一束光射入晶體后，一束光射入晶體后，可以觀察到有兩束折射光的現(xiàn)象?？梢杂^察到有兩束折射光的現(xiàn)象。n1

13、n2io光光e光光(各向異各向異性媒質性媒質)自然光自然光尋常光線尋常光線(o光光) -遵守折射定律遵守折射定律非常光線非常光線(e光光) -不遵守折射定律不遵守折射定律o光和光和e光都是線偏振光。光都是線偏振光。20-3 20-3 雙折射雙折射光光雙雙折折射射光光方解石方解石 晶體晶體例如：例如：白紙上寫一個光字，將方解石放在紙上，可白紙上寫一個光字，將方解石放在紙上，可觀察到兩個光字，旋轉方解石，一個字不動，另一觀察到兩個光字，旋轉方解石，一個字不動，另一個子旋轉。個子旋轉。光光光光雙雙折折射射方解石方解石 晶體晶體光光光光雙雙折折射射方解石方解石 晶體晶體光光光光雙雙折折射射方解石方解石

14、 晶體晶體光光光光雙雙折折射射方解石方解石 晶體晶體 當光在晶體內沿某個特殊方向傳播時不發(fā)生雙當光在晶體內沿某個特殊方向傳播時不發(fā)生雙折射，該方向稱為折射，該方向稱為晶體的光軸晶體的光軸?！肮廨S光軸”是一是一特殊的特殊的“方向方向” 。凡平行于此方向的直線均為光軸。凡平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AB光軸光軸102主平面：主平面：晶體內任一光線和光軸所決晶體內任一光線和光軸所決定的平面為此光線的主平面。定的平面為此光線的主平面。光光o光光e光軸光軸71方解石方解石o光的振動方向與它的主平面

15、垂直，光的振動方向與它的主平面垂直，e光的振動方向與它的主平面平行。光的振動方向與它的主平面平行。e e光和光和o o光的電矢量振動方向垂直。光的電矢量振動方向垂直。O光波陣面光波陣面 光波陣面光波陣面eeevcn 光軸光軸Ovev 尋常光線尋常光線 在晶體中在晶體中各方向上傳播速度相同各方向上傳播速度相同. . vcn常量常量 非常光線非常光線 晶體中各晶體中各方向上傳播速度不同方向上傳播速度不同, ,隨隨方向改變而改變方向改變而改變. .三三. . 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 no o ，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 n

16、o負晶體：負晶體：n ne e n no o( (ve vo o) )點波源點波源vo tve t光軸光軸 石英石英vo t ve t光軸光軸 點波源點波源方解石方解石如石英晶體如石英晶體552.1 ,543.1eonn如方解石晶體如方解石晶體468.1 ,658.1eonn負晶體負晶體對對o光偏折大，對光偏折大，對e光偏折小。光偏折小。正正晶體晶體對對o光偏折小，對光偏折小，對e光偏折大。光偏折大。 單一的方解石晶體產生的單一的方解石晶體產生的o、e偏振光靠得很近，尼偏振光靠得很近，尼克爾棱鏡可使兩束光分得較開?？藸柪忡R可使兩束光分得較開。將加工后的兩塊方解石用加拿大膠粘合起來制成。將加工后

17、的兩塊方解石用加拿大膠粘合起來制成。904868光軸光軸加拿大膠加拿大膠6581.no 4681.ne 551.n 膠膠光e光o對于對于e光光nne可以透過，則獲得偏振光?？梢酝高^，則獲得偏振光。對于對于o光光nno產生全反射產生全反射尼科耳棱鏡可用于起偏和檢偏尼科耳棱鏡可用于起偏和檢偏(A) 傳播方向相同傳播方向相同, ,光矢量的振光矢量的振動方向互相垂直動方向互相垂直. . C 光軸ABCD(D) 傳播方向不相同傳播方向不相同, ,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, ,光矢量的振光矢量的振動方向不互相垂直動方向不互相垂直. .光o光e例例. . ABCD 為一塊方解石的一個截面，光軸方向在屏為一塊方解石的一個截面，光軸方向在屏幕面內且與幕面內且與AB 成一銳角成一銳角 , ,如圖所示如圖所示. .一束平行的單色一束平行的單色自然光垂直于自然光垂直于 AB 端面入射端面入射. .在方解石內折射分解為在方解石內折射分解為 o 光和光和 e 光光, , o 光和光和 e 光的光的 : :