第五章 光的偏振 A 2013111

1、第五章第五章 光的偏振光的偏振5.15.1自然光與偏振光自然光與偏振光1.1.自然光自然光2.2.完全偏振光完全偏振光(1) (1) 線偏振光線偏振光（2 2）圓偏振光）圓偏振光(3) (3) 橢圓偏振光橢圓偏振光3 3部分偏振光部分偏振光一、橫波與縱波一、橫波與縱波1、 橫波：波的橫波：波的振動方向與傳播方向互相垂直振動方向與傳播方向互相垂直2、縱波：波的、縱波：波的振動方向與傳播方向相同振動方向與傳播方向相同。3、電磁波：、電磁波：電場和磁場都垂直于波的傳播方向，電場和磁場都垂直于波的傳播方向，三者相互垂直，所以電磁波是橫波。三者相互垂直，所以電磁波是橫波。光波是電磁波光波是電磁波, 故光

2、波是橫波故光波是橫波ZXYEHv繩波： 彈簧波: 1 1 光的偏振性 按振動行為劃分有橫波和縱波兩種方式 聲波： v4.波的波的振動方向振動方向?qū)鞑シ较驅(qū)鞑シ较虿痪哂袑ΨQ性不具有對稱性。有有偏振性偏振性( (橫波) )5.對對縱波縱波，包含傳播方向與振動方向所構(gòu)成的平面，包含傳播方向與振動方向所構(gòu)成的平面，哪一個都一樣，沒有一個顯哪一個都一樣，沒有一個顯示出與另一個有區(qū)別示出與另一個有區(qū)別。即：。即：波的振動方向?qū)鞑シ较蚓哂袑ΨQ性波的振動方向?qū)鞑シ较蚓哂袑ΨQ性。無偏振性無偏振性( (縱波) )橫波縱波 6 6、光是橫波、光是橫波, ,光的光的振動方向應(yīng)始終振動方向應(yīng)始終與光的傳播方向垂

3、直與光的傳播方向垂直. .但是但是, ,在垂直于光在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)的傳播方向的平面內(nèi), , 光矢量還可以有光矢量還可以有不同的振動狀態(tài)不同的振動狀態(tài)，我們稱，我們稱在垂直于光傳在垂直于光傳播方向的二維平面內(nèi)，光矢量的振動狀播方向的二維平面內(nèi)，光矢量的振動狀態(tài)叫做態(tài)叫做光波的偏振態(tài)光波的偏振態(tài). .光波按偏振態(tài)來劃分，可分為三大類：光波按偏振態(tài)來劃分，可分為三大類： (1)(1)自然光，自然光，(2)(2)完全偏振光，完全偏振光，(3)(3)部分偏振光部分偏振光. .偏振：振動方向?qū)τ趥鞑シ较蚱瘢赫駝臃较驅(qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性。的不對稱性。只有橫波只有橫波才有偏振現(xiàn)象。才有偏振現(xiàn)象

4、。1.1.自然光自然光 普通光源中包含許許多多分子和原子普通光源中包含許許多多分子和原子, ,不同不同的原子或分子所發(fā)光波的原子或分子所發(fā)光波, ,或同一原子不同時刻所或同一原子不同時刻所發(fā)光波發(fā)光波, ,其其振動方向、振幅振動方向、振幅、初始相位各不相同初始相位各不相同. . 在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)在垂直于光傳播方向的平面內(nèi), , 在觀測最小在觀測最小時間間隔內(nèi)時間間隔內(nèi), ,光振動在各個方向的光振動在各個方向的幾率相同幾率相同, ,沒有沒有那一個方向占更大優(yōu)勢那一個方向占更大優(yōu)勢. .我們稱這種光為自然光我們稱這種光為自然光. .自然光自然光-在空間各個取向上在空間各個取向上,電矢量的

5、電矢量的時間平均時間平均 值都相等值都相等的光的光. 用來表示垂直于光傳播方向的平面內(nèi)用來表示垂直于光傳播方向的平面內(nèi), ,光振動光振動方向的矢量圖方向的矢量圖, , 叫做叫做迎光矢量圖迎光矢量圖. . 該圖表示該圖表示迎著迎著光傳播方向光傳播方向看到的光振動的情況看到的光振動的情況. . 在迎光矢量圖在迎光矢量圖上上, , 自然光是一些均勻分布的輻射線自然光是一些均勻分布的輻射線. .自然光自然光y自然光等效為兩振幅相等、互相自然光等效為兩振幅相等、互相垂直的、垂直的、無相位關(guān)系無相位關(guān)系的線偏振光的線偏振光y自然光它是由軸對稱分布、無固定相位關(guān)系無固定相位關(guān)系的大量線偏振光集合而成的。 即

6、：它可以看作是兩個振幅相同、振動相互垂直它可以看作是兩個振幅相同、振動相互垂直的的非相干非相干的線偏振光的疊加。的線偏振光的疊加。.2,:,:022022IIIIIAAIthenAIAIifyxyxyxyyxxyxAA 在垂直于傳播方向的兩正交方向光矢量的平在垂直于傳播方向的兩正交方向光矢量的平均值相等。均值相等。自然光的表示自然光的表示自然光的另一種表示方法自然光的另一種表示方法自然光的一種表示方法自然光的一種表示方法z 左圖中線段表示光振動平行左圖中線段表示光振動平行于圖面的線偏振光于圖面的線偏振光, , 點子表示光點子表示光振動垂直于圖面振動垂直于圖面. .線偏振光線偏振光2.2.完全偏

7、振光完全偏振光(1) (1) 線偏振光線偏振光 這種偏振光，光振動電矢量總是在一個這種偏振光，光振動電矢量總是在一個固定的固定的平面內(nèi)平面內(nèi), ,所以這種偏振光又叫做所以這種偏振光又叫做平面偏振光平面偏振光. . 在與光在與光傳播方向垂直的平面內(nèi)，傳播方向垂直的平面內(nèi)， 電矢量電矢量端點的軌跡是一條端點的軌跡是一條直線直線 光振動只改變振幅大小，不改變方向光振動只改變振幅大小，不改變方向. .振動面：電矢量和光的傳播方振動面：電矢量和光的傳播方向所構(gòu)成的平面。向所構(gòu)成的平面。振動面振動面uE面對光的傳播方向看面對光的傳播方向看 在迎光矢量圖上在迎光矢量圖上, ,線偏振光是一直線線偏振光是一直線

8、 y（2 2）圓偏振光）圓偏振光 在垂直于光傳播方向的固定平面內(nèi)，光矢量在垂直于光傳播方向的固定平面內(nèi)，光矢量的的大小不變大小不變, , 但隨時間以角速度但隨時間以角速度 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn), , 其末其末端的軌跡是圓端的軌跡是圓. . 這種光叫做圓偏振光這種光叫做圓偏振光. . 在某一固在某一固定時刻定時刻t t0 0, , 在傳播方向上各點對應(yīng)的光矢量的端在傳播方向上各點對應(yīng)的光矢量的端點軌跡是點軌跡是螺旋線螺旋線. . 隨著時間推移隨著時間推移, , 螺旋線以相速螺旋線以相速前移前移. . yyxy(3) (3) 橢圓偏振光橢圓偏振光 在垂直于光傳播方向的固定平面內(nèi)在垂直于光傳播方向的固定平面內(nèi),

9、 , 光矢量的光矢量的方向和大小都在隨時間改變方向和大小都在隨時間改變, , 光矢量的端點描出一光矢量的端點描出一個橢圓個橢圓, , 這樣的這樣的 偏振光偏振光 叫做橢圓偏振光叫做橢圓偏振光. . 以上三種（線以上三種（線 圓圓 橢圓）橢圓）偏振光稱為偏振光稱為完全偏振光完全偏振光, , 可以由兩個互相垂直的，可以由兩個互相垂直的，有有相位關(guān)系的相位關(guān)系的, , 同頻率的線同頻率的線偏振光合成偏振光合成. . 反之反之, , 一完全一完全偏振光也可以分解為兩個任偏振光也可以分解為兩個任意方向意方向, , 相互垂直相互垂直, , 有相有相位關(guān)系位關(guān)系的同頻率的線偏振的同頻率的線偏振光（見后文）光

10、（見后文）. . 橢圓偏振光電矢量橢圓偏振光電矢量隨時間逆時針旋轉(zhuǎn)隨時間逆時針旋轉(zhuǎn)3 3部分偏振光部分偏振光由自然光和完全偏振光組成的光，叫做部分偏由自然光和完全偏振光組成的光，叫做部分偏振光振光 . .(1)(1)自然光自然光 + + 線偏振光，線偏振光， (2) (2)自然光自然光 + + 圓偏振光，圓偏振光， (3) (3)自然光自然光 + + 橢圓偏振光，橢圓偏振光，表示：表示：3）部分偏振光）部分偏振光光矢量的平均值在某一方向上最強，與之垂直光矢量的平均值在某一方向上最強，與之垂直的方向上最弱的偏振光。的方向上最弱的偏振光。/于紙面的光振動的平均值于紙面的光振動的平均值垂直于紙面的光

11、振動的平垂直于紙面的光振動的平均值。均值。 于紙面的光振動的平均值于紙面的光振動的平均值平行于紙面的光振動的平平行于紙面的光振動的平均值。均值。二二 由二向色性產(chǎn)生的平面偏振光由二向色性產(chǎn)生的平面偏振光 某些晶體（例如電氣石）對于光振動垂直于某某些晶體（例如電氣石）對于光振動垂直于某個方向的線偏振光強烈吸收，對于光振動平行與這個方向的線偏振光強烈吸收，對于光振動平行與這個方向的線偏振光吸收很少，這種個方向的線偏振光吸收很少，這種對線偏振光對線偏振光的強的強烈的烈的選擇吸收選擇吸收性質(zhì)，叫做性質(zhì)，叫做二向色性二向色性1）晶體的）晶體的二向色性二向色性：形象說明偏振片的原理透振方向2 2）人造偏振

12、片）人造偏振片何謂偏振片何謂偏振片透明玻璃片透明玻璃片涂有金雞納霜或碧硒（電涂有金雞納霜或碧硒（電氣石）等材料的簿膜氣石）等材料的簿膜自然光自然光偏振光偏振光偏振化方向偏振化方向具有豎直偏振方向具有豎直偏振方向的偏振膜。吸收了的偏振膜。吸收了水平方向的光振動水平方向的光振動1P0I2I2P起偏01809027 0(作起偏器)人眼不能鑒別光的偏振性,但可再用一個偏振片來鑒別.檢偏器檢偏器 檢檢 偏偏起偏器起偏器模擬演示01809027 001809027 0(作檢偏器)(作起偏器)兩偏振片的透振方向平行時,重疊區(qū)光強輸出最大.兩偏振片的透振方向正交時,重疊區(qū)光強輸出為零.如果入射如果入射線線偏振

13、光的光強為偏振光的光強為I1，通過，通過檢偏器的透射光的光強為：檢偏器的透射光的光強為： 212cosII ：線偏振光振動方向與檢偏器偏振線偏振光振動方向與檢偏器偏振化方向之間的夾角化方向之間的夾角1P0I2I2P1A2A1P2P1A2Acos1Asin1A212212AAII2cos212cosII 例題例題：兩偏振片堆疊在一起，一束自然光垂直入射其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(dāng)其中一偏振片慢慢轉(zhuǎn)動上時沒有光線透過。當(dāng)其中一偏振片慢慢轉(zhuǎn)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: B （A）光強單調(diào)增加；）光強單調(diào)增加；（B）光強先增加，后又減小

14、至零；）光強先增加，后又減小至零；（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，再增加再減小至零。）光強先增加，然后減小，再增加再減小至零。P2P1 P 215 例題5.1偏振光的應(yīng)用偏振光的應(yīng)用 下面介紹幾種日常生活中應(yīng)用偏振光的實例：下面介紹幾種日常生活中應(yīng)用偏振光的實例： 1、汽車車燈、汽車車燈 汽車夜間在公路上行駛與對面的車輛相遇時，為了避免雙方車燈的眩目，司機都關(guān)閉大燈，只開小燈，放慢車速，以免發(fā)生車禍。如駕駛室的前窗玻璃和車燈的玻璃罩都裝有偏振片前窗玻璃和車燈的玻璃罩都裝有偏振片，而且規(guī)定它們的偏振化方向都沿同一方向并與水平面成45度角

15、，那么，司機從前窗只能看到自已的車燈發(fā)出的光，而看不到對面車燈的光，這樣，汽車在夜間行駛時，既不要熄燈，也不要減速，可以保證安全行車。 另外，在陽光充足的白天駕駛汽車，從路面或周圍建筑物的玻璃上反射過來的耀眼的陽光，常會使眼睛睜不開。由于光是橫波，所以這些強烈的來自上空的散射光基本上是水平方向振動散射光基本上是水平方向振動的。因此，只需帶一副只能透射豎直方向偏振光的偏振帶一副只能透射豎直方向偏振光的偏振太陽鏡太陽鏡便可擋住部分的散射光便可擋住部分的散射光。Applications of polarization 偏振光的應(yīng)用偏振光的應(yīng)用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防止對面來的燈光耀眼防止對面來的燈光耀眼 2、觀看立體電影、觀看立體電影 在拍攝立體電影時，用兩個攝影機，兩個攝影機的鏡頭兩個攝影機的鏡頭相當(dāng)于人的兩只眼睛相當(dāng)于人的兩只眼睛，它們同時分別拍下同一物體的兩個畫像，放映時把兩個畫像同時映在銀幕上。如果設(shè)法使觀眾的設(shè)法使觀眾的一只眼睛只能看到其中一個畫面一只眼睛只能看到其中一個畫面，就可以使觀眾得到立體感。為此，在