光的橫波性與五種偏振態(tài)

1、1）機(jī)械波的橫波性的檢驗(yàn)）機(jī)械波的橫波性的檢驗(yàn)光的橫波性與五種偏振態(tài)光的橫波性與五種偏振態(tài)光的干涉和衍射現(xiàn)象只表明光是一種波動(dòng)，光的光的干涉和衍射現(xiàn)象只表明光是一種波動(dòng)，光的偏振現(xiàn)象則清楚地顯示光是橫波（振動(dòng)方向與傳偏振現(xiàn)象則清楚地顯示光是橫波（振動(dòng)方向與傳播方向垂直）而不是縱波。播方向垂直）而不是縱波。1光的偏振現(xiàn)象與光的偏振現(xiàn)象與光的橫波性光的橫波性如圖，將橡皮繩的一端固定，手拿著另一如圖，將橡皮繩的一端固定，手拿著另一端上下抖動(dòng)，于是橫波沿繩傳播，在波的端上下抖動(dòng)，于是橫波沿繩傳播，在波的傳播路徑中放置兩個(gè)欄桿傳播路徑中放置兩個(gè)欄桿G1、G2，若二者縫隙方向一致（若二者縫隙方向一致（a）

2、，則通過(guò)），則通過(guò)G1的的振動(dòng)可無(wú)阻礙地通過(guò)振動(dòng)可無(wú)阻礙地通過(guò)G2，若二者縫隙方向若二者縫隙方向垂直（垂直（b），則通過(guò)），則通過(guò)G1的振動(dòng)傳到的振動(dòng)傳到G2處就被擋住，在處就被擋住，在G2后不再有波動(dòng)。后不再有波動(dòng)。這只可這只可能是橫波。能是橫波。2.光的偏振的含義光的偏振的含義光波振動(dòng)方向的不全面和振幅光波振動(dòng)方向的不全面和振幅不均等的現(xiàn)象稱為光的偏振現(xiàn)象不均等的現(xiàn)象稱為光的偏振現(xiàn)象2）光波的橫波性的檢驗(yàn)（光的偏振現(xiàn)象）光波的橫波性的檢驗(yàn)（光的偏振現(xiàn)象）如圖，讓光線依次通過(guò)兩個(gè)偏振片如圖，讓光線依次通過(guò)兩個(gè)偏振片P1、P2，P1固定不動(dòng)，以光線為軸轉(zhuǎn)動(dòng)固定不動(dòng)，以光線為軸轉(zhuǎn)動(dòng)P2，發(fā)現(xiàn)：隨

3、著，發(fā)現(xiàn)：隨著P2的的取向不同，的的取向不同，透射光的強(qiáng)度發(fā)生透射光的強(qiáng)度發(fā)生變化，當(dāng)變化，當(dāng)P2處于某一位置時(shí)透射光的強(qiáng)度最大，由此位置轉(zhuǎn)過(guò)處于某一位置時(shí)透射光的強(qiáng)度最大，由此位置轉(zhuǎn)過(guò)90度后，透射光的強(qiáng)度減為零，即光線完全被度后，透射光的強(qiáng)度減為零，即光線完全被P2所阻擋（消光），若繼續(xù)所阻擋（消光），若繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)轉(zhuǎn)過(guò)90度，透射光又變?yōu)樽盍粒俎D(zhuǎn)過(guò)度，透射光又變?yōu)樽盍?，再轉(zhuǎn)過(guò)90度，又復(fù)消光，如此等等。度，又復(fù)消光，如此等等。結(jié)論：結(jié)論：偏振片所起的作用反映了它上面存偏振片所起的作用反映了它上面存在著一個(gè)特殊方向，使光波中的在著一個(gè)特殊方向，使光波中的振動(dòng)能順利通過(guò)；該實(shí)驗(yàn)也反映了光波的振

4、動(dòng)方向與傳播方向垂直即光波是橫波。振動(dòng)能順利通過(guò)；該實(shí)驗(yàn)也反映了光波的振動(dòng)方向與傳播方向垂直即光波是橫波。光的電磁理論建立以后，光的橫波性才得以完滿說(shuō)明：在自由空間傳播的光波是一種純粹的橫波，光波中沿橫向振動(dòng)著的物理量是光的電磁理論建立以后，光的橫波性才得以完滿說(shuō)明：在自由空間傳播的光波是一種純粹的橫波，光波中沿橫向振動(dòng)著的物理量是電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量，鑒于在光和物質(zhì)的相互作用過(guò)程中主要是光波中的電矢量起作用，所以常以電矢量作為光波中振動(dòng)矢量的代表。電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量，鑒于在光和物質(zhì)的相互作用過(guò)程中主要是光波中的電矢量起作用，所以常以電矢量作為光波中振動(dòng)矢量的代表。光的橫波性只表明電矢量與光的傳

5、播方向垂直，在與傳播方向垂直的二維空間里電矢量還可能有各式各樣的振動(dòng)狀態(tài)，稱之為光的光的橫波性只表明電矢量與光的傳播方向垂直，在與傳播方向垂直的二維空間里電矢量還可能有各式各樣的振動(dòng)狀態(tài)，稱之為光的偏振態(tài)或偏振結(jié)構(gòu)。偏振態(tài)或偏振結(jié)構(gòu)。偏振片偏振片（1）晶體的二向色性（選擇吸收性）晶體的二向色性（選擇吸收性）（2）偏振片及其透振方向和消光方向）偏振片及其透振方向和消光方向（3）偏振片的制造）偏振片的制造（4）偏振片的起偏和檢偏性能）偏振片的起偏和檢偏性能光的五種偏振態(tài)光的五種偏振態(tài)1）光是橫波，才有不同的偏振狀態(tài)）光是橫波，才有不同的偏振狀態(tài)2）光波的五種偏振態(tài)：）光波的五種偏振態(tài)：自然光、自然

6、光、線偏振光、部分偏振光、線偏振光、部分偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。圓偏振光和橢圓偏振光。3線偏振光線偏振光1)線偏振光的定義：線偏振光的定義：在垂直光傳播方向的平面上，只有單一在垂直光傳播方向的平面上，只有單一方向的振動(dòng)矢量，隨著時(shí)間的推移，振方向的振動(dòng)矢量，隨著時(shí)間的推移，振動(dòng)矢量只改變大小、不改變方向。動(dòng)矢量只改變大小、不改變方向。2)振動(dòng)面與平面偏振動(dòng)面與平面偏振動(dòng)面：振動(dòng)面：線偏振光的傳播方向與線偏振光的傳播方向與振動(dòng)方向構(gòu)成的平面。振動(dòng)方向構(gòu)成的平面。同一波線上的線偏振光的光振動(dòng)均處于同一同一波線上的線偏振光的光振動(dòng)均處于同一振動(dòng)面上，又稱線偏振光為振動(dòng)面上，又稱線偏振光為平面偏

7、振光平面偏振光。線偏振光是偏振程度最強(qiáng)的光，又稱線偏振線偏振光是偏振程度最強(qiáng)的光，又稱線偏振光為光為全偏振光全偏振光。 3）線偏振光通過(guò)偏振片后的光強(qiáng)度）線偏振光通過(guò)偏振片后的光強(qiáng)度若入射的線偏振光強(qiáng)為：若入射的線偏振光強(qiáng)為： 0I旋轉(zhuǎn)偏振片旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，一周，出射光強(qiáng)的變化為：出射光強(qiáng)的變化為： 000III線偏振光線偏振光0IIP存在一個(gè)消光方向存在一個(gè)消光方向, 在垂直在垂直 P 的透振方向上的透振方向上4）馬呂斯定律）馬呂斯定律稱上式為馬呂斯定律稱上式為馬呂斯定律注意：注意： （1）只適用于線偏振光）只適用于線偏振光（2）馬呂斯定律公式上的）馬呂斯定律公式上的 三角函數(shù)項(xiàng)是平方項(xiàng)。

8、三角函數(shù)項(xiàng)是平方項(xiàng)。0AAPcos0AA 由于：由于：20cosII 就有：就有：5）起偏器和檢偏器）起偏器和檢偏器起偏器：起偏器：任何偏振態(tài)的光通過(guò)后透射任何偏振態(tài)的光通過(guò)后透射 光都變?yōu)榫€偏振光的器件。光都變?yōu)榫€偏振光的器件。檢偏器：檢偏器：檢查入射光偏振態(tài)的器件檢查入射光偏振態(tài)的器件 線偏振射光通過(guò)此器件后光線偏振射光通過(guò)此器件后光 強(qiáng)變?yōu)榱銖?qiáng)變?yōu)榱?。偏振片既是起偏器，又是檢偏器。偏振片既是起偏器，又是檢偏器。6）一束線偏振光可以分解為兩束）一束線偏振光可以分解為兩束 互相垂直的線偏振光互相垂直的線偏振光AEyxcos()EAtcosAAxsinAAycos()xxEAtcos()yyE

9、At0 ,jEiEyx若將若將 帶入?yún)⒘糠匠滔⒘繋雲(yún)⒘糠匠滔⒘縯， 0,就有：就有： ，這正是直線方程，這正是直線方程xyxyAAEE結(jié)論：結(jié)論：（1）線偏振光可以分解為兩個(gè)互相垂直）線偏振光可以分解為兩個(gè)互相垂直 的相位差為的相位差為 0 或或 的線偏振光，的線偏振光，（2）可以由這兩束線偏振光代替這束線偏振光。）可以由這兩束線偏振光代替這束線偏振光。4自然光自然光1）自然光的定義：）自然光的定義：在垂直光傳播方向的平面上，在垂直光傳播方向的平面上，所有方向均有橫振動(dòng)，所有方向均有橫振動(dòng)， 各個(gè)方向的振動(dòng)幅度均相等，各個(gè)方向的振動(dòng)幅度均相等，形成如圖所示的軸對(duì)稱振幅分布。形成如圖所

10、示的軸對(duì)稱振幅分布。2）自然光通過(guò)偏振片后的光強(qiáng)度）自然光通過(guò)偏振片后的光強(qiáng)度若入射的自然光強(qiáng)為：若入射的自然光強(qiáng)為： 0I自然光自然光0IIP旋轉(zhuǎn)偏振片旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，出射光強(qiáng)均為：一周，出射光強(qiáng)均為： 021II 3）試證明自然光通過(guò)偏振片后）試證明自然光通過(guò)偏振片后 出射光強(qiáng)為入射光強(qiáng)的一半。出射光強(qiáng)為入射光強(qiáng)的一半。自然光由無(wú)數(shù)條非相干的線偏振光組成自然光由無(wú)數(shù)條非相干的線偏振光組成數(shù)密度：數(shù)密度： 單位夾角內(nèi)包單位夾角內(nèi)包含的含的 線偏振光的條數(shù)線偏振光的條數(shù) 0)(角內(nèi)包含的線偏振角內(nèi)包含的線偏振光的條數(shù)：光的條數(shù)： 0NP角內(nèi)包含的線偏振光的總強(qiáng)度：角內(nèi)包含的線偏振光的總強(qiáng)度：

11、 00iNiI入射的自然光的總光強(qiáng)：入射的自然光的總光強(qiáng)： 0200002idiII設(shè)偏振片的透振方向與設(shè)偏振片的透振方向與 角內(nèi)線偏振光角內(nèi)線偏振光的夾角為：的夾角為： 依據(jù)馬呂斯定律：依據(jù)馬呂斯定律：20cosII 角內(nèi)的線偏振光通過(guò)偏振片后的光強(qiáng)為：角內(nèi)的線偏振光通過(guò)偏振片后的光強(qiáng)為： 202coscosiNiI透過(guò)偏振片后自然光的光強(qiáng)變?yōu)椋和高^(guò)偏振片后自然光的光強(qiáng)變?yōu)椋?02020cosidiI因此有：因此有： 021II )(cos20i注意：已經(jīng)將公式中的注意：已經(jīng)將公式中的 改寫為改寫為 5部分偏振光部分偏振光1）部分偏振光的定義：）部分偏振光的定義：在垂直光傳播方向的平面上，在

12、垂直光傳播方向的平面上，所有方向均有橫振動(dòng)，但不同所有方向均有橫振動(dòng)，但不同方向的振動(dòng)幅度不相等，形成方向的振動(dòng)幅度不相等，形成如圖的振幅分布。如圖的振幅分布。2）部分偏振光通過(guò)）部分偏振光通過(guò) 偏振片后的光強(qiáng)度偏振片后的光強(qiáng)度 若入射的部分偏振光強(qiáng)為若入射的部分偏振光強(qiáng)為 0I旋轉(zhuǎn)偏振片旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，出射光強(qiáng)的變化為：一周，出射光強(qiáng)的變化為： 與與 的振動(dòng)方向互相垂直的振動(dòng)方向互相垂直MImIMmMIIII，沒(méi)有消光現(xiàn)象出現(xiàn)，沒(méi)有消光現(xiàn)象出現(xiàn)部分偏振光部分偏振光IP0I3）部分偏振光的總光強(qiáng)）部分偏振光的總光強(qiáng) mMIII4）偏振度：）偏振度： mMmMIIIIP時(shí)，時(shí)， ，為自然光，為

13、自然光 MImI0P時(shí)，時(shí)， ，是線偏振光，是線偏振光 1P0mI注意：注意： 與與 是所有線偏振光在這兩個(gè)互相是所有線偏振光在這兩個(gè)互相 垂直方向上的投影分量的非相干疊加。垂直方向上的投影分量的非相干疊加。 MImI6圓偏振光圓偏振光1）圓偏振光的定義：）圓偏振光的定義：在垂直光傳播方向的平面上，在垂直光傳播方向的平面上，只有單一的振動(dòng)矢量，只有單一的振動(dòng)矢量，振動(dòng)矢量的大小不變，振動(dòng)矢量的大小不變，振動(dòng)方向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，振動(dòng)方向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，振動(dòng)矢量的端點(diǎn)描繪成一個(gè)圓形軌跡。振動(dòng)矢量的端點(diǎn)描繪成一個(gè)圓形軌跡。Oxy2）圓偏振光通過(guò)偏振片后的光強(qiáng)度）圓偏振光通過(guò)偏振片后的光強(qiáng)度若入射光強(qiáng)為：若入射光

14、強(qiáng)為： 0I圓偏振光圓偏振光0IIP旋轉(zhuǎn)偏振片旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，一周， 出射光強(qiáng)不變化出射光強(qiáng)不變化 021II 3）圓偏振光能夠分解成兩束互相）圓偏振光能夠分解成兩束互相 垂直的線偏振光垂直的線偏振光jEiEEyx/2 cos()xEAtcos()yEAtcos()cos()At iAt jExEyEOxyA若將若將 帶入方程，消去參量帶入方程，消去參量t /2 就有：就有： ，正是圓方程。，正是圓方程。222AEEyx結(jié)論：結(jié)論：（1）圓偏振光可以分解為兩個(gè)互相垂直）圓偏振光可以分解為兩個(gè)互相垂直 的振幅相等、相位差為的振幅相等、相位差為 的線偏振光。的線偏振光。2/（2）可以由這兩束線偏

15、振光來(lái)代替）可以由這兩束線偏振光來(lái)代替 這束圓偏振光。這束圓偏振光。4）圓偏振光的總光強(qiáng)：）圓偏振光的總光強(qiáng)： 2222AAAIyx5）左旋圓偏振光與右旋圓偏振光）左旋圓偏振光與右旋圓偏振光（1）定義：）定義： 迎著光線傳播方向觀看，迎著光線傳播方向觀看，若振動(dòng)矢量若振動(dòng)矢量 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)就稱為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)就稱為右旋圓偏振光，此時(shí)：右旋圓偏振光，此時(shí)： E/2 若振動(dòng)矢量若振動(dòng)矢量 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)就稱為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)就稱為左旋圓偏振光，此時(shí)：左旋圓偏振光，此時(shí)： E/2 （2）證明：）證明：若圓偏振光的若圓偏振光的 ， 則振動(dòng)矢量則振動(dòng)矢量 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。/2E證明：證明： 已知：已知： cos

16、()xEAtcos(2)yEAtttAEx,0yE 0tAEx0,yE0txEyEOtt如圖所示，由如圖所示，由 到到 0ttt旋轉(zhuǎn)走向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?。旋轉(zhuǎn)走向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较颉?橢圓偏振光橢圓偏振光1）橢圓偏振光定義：）橢圓偏振光定義：在垂直光傳播方向的平在垂直光傳播方向的平面上，只有單一的振動(dòng)面上，只有單一的振動(dòng)矢量，振動(dòng)矢量的大小矢量，振動(dòng)矢量的大小和方向不斷地改變，和方向不斷地改變，振動(dòng)矢量的端點(diǎn)描繪成振動(dòng)矢量的端點(diǎn)描繪成一個(gè)橢圓形軌跡。一個(gè)橢圓形軌跡。 EyxO2）橢圓偏振光通過(guò)偏振片后的光強(qiáng)度）橢圓偏振光通過(guò)偏振片后的光強(qiáng)度橢圓振光橢圓振光0IIP若入射的部分偏振光強(qiáng)為若入射的部分偏振光

17、強(qiáng)為 0I旋轉(zhuǎn)偏振片旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，出射光強(qiáng)的變化為：一周，出射光強(qiáng)的變化為： 與與 的振動(dòng)方向垂直。的振動(dòng)方向垂直。 MImIMmMIIII,沒(méi)有消光現(xiàn)象出現(xiàn)沒(méi)有消光現(xiàn)象出現(xiàn)3）橢圓偏振光能夠分解成兩束互相）橢圓偏振光能夠分解成兩束互相 垂直的線偏振光垂直的線偏振光jEiEEyxcos()xxEAtcos()yyEAt02當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， yxAA /2 yExEEyxOA若消去參量方程中的若消去參量方程中的t 有：有： 222222cossinyxyxxyxyEE EEAAA A這正是橢圓方程式這正是橢圓方程式 結(jié)論：結(jié)論：（1）橢圓偏振光可以分解為兩個(gè)互相）橢圓偏振光可以分解為兩個(gè)互相

18、垂直的振幅不相等的相位差固定、垂直的振幅不相等的相位差固定、 但不等于但不等于 或或 0的線偏振光。的線偏振光。（2）可以由這兩束線偏振光來(lái)代替這）可以由這兩束線偏振光來(lái)代替這 束橢圓偏振光。束橢圓偏振光。4）橢圓偏振光的總光強(qiáng)：）橢圓偏振光的總光強(qiáng)： mMIII5）左旋與右旋橢圓偏振光）左旋與右旋橢圓偏振光定義：定義：迎著光線傳播的方向觀看，迎著光線傳播的方向觀看，若振動(dòng)矢量若振動(dòng)矢量 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)就稱為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)就稱為右旋橢圓偏振光右旋橢圓偏振光，若振動(dòng)矢量若振動(dòng)矢量 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)就稱為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)就稱為左旋橢圓偏振光。左旋橢圓偏振光。 EE6）各種相位差對(duì)應(yīng)的橢圓偏振態(tài)圖）各種相位差對(duì)應(yīng)的橢圓偏振態(tài)圖（1）當(dāng)坐標(biāo)系為如圖所示時(shí)）當(dāng)坐標(biāo)系為如圖所示時(shí)（2）參量方程為：）參量方程為：cos()xxEAtcos()yyEAtyx（3）就有如下的各種相位差對(duì)應(yīng)的橢圓偏振態(tài)圖）就有如下的各種相位差對(duì)應(yīng)的橢圓偏振態(tài)圖（4）若參量方程用復(fù)振幅表示，則為：）若參量方程用復(fù)振幅表示，則為：xxAE ，iyyeAE 。，7）自然光能夠