大學物理第五章1光的偏振ppt課件

1、 5.1 光的偏振現(xiàn)象光的偏振現(xiàn)象 光的偏振態(tài)光的偏振態(tài) 5.1 線偏振光的獲得與檢測線偏振光的獲得與檢測 起偏和檢偏、馬呂斯定律起偏和檢偏、馬呂斯定律 5.3 反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振 一反射光和折射光的偏振一反射光和折射光的偏振 二布儒斯特定律二布儒斯特定律 5.4 雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象 一光的雙折射現(xiàn)象一光的雙折射現(xiàn)象 二晶體光軸、主平面二晶體光軸、主平面 三單軸晶體中光傳播的惠更斯作圖法三單軸晶體中光傳播的惠更斯作圖法 四晶體偏振器件四晶體偏振器件作業(yè)：作業(yè)：51、52、55、58 、59 、5105 .1 光的偏振態(tài)光的偏振態(tài)光波中光矢量的振動方向總和光的傳播方向相垂

2、直光波中光矢量的振動方向總和光的傳播方向相垂直 對橫波：對橫波：（光波）（光波）光是電磁波，是橫波光是電磁波，是橫波xE EH H傳播方向傳播方向當光的傳播方向確定時，我們只知道光矢量在垂直于光的傳播方當光的傳播方向確定時，我們只知道光矢量在垂直于光的傳播方向的平面內，至于在這個平面內的哪個方向是不能完全確定的向的平面內，至于在這個平面內的哪個方向是不能完全確定的. .通常把光矢量保持在特定振動方向上的狀態(tài)通常把光矢量保持在特定振動方向上的狀態(tài) 稱為光的偏振態(tài)稱為光的偏振態(tài)第五章第五章 光的偏振光的偏振xE EH H光波中光矢量的振動方向總和光的傳播方向相垂直光波中光矢量的振動方向總和光的傳播

3、方向相垂直 對橫波：對橫波：（光波）（光波）傳播方向傳播方向因而，在研究除光的干涉和衍射外，作為因而，在研究除光的干涉和衍射外，作為橫波的光，還必須研究其振動方向的問題橫波的光，還必須研究其振動方向的問題 光的偏振問題光的偏振問題u只有橫波才只有橫波才具有偏振現(xiàn)象具有偏振現(xiàn)象u光的干涉和衍光的干涉和衍射現(xiàn)象揭示了光射現(xiàn)象揭示了光的波動性，但不的波動性，但不能確定光是橫波能確定光是橫波還是縱波。還是縱波。光矢量可能有各種不同的振動方向，光矢量可能有各種不同的振動方向，通常把光矢量保持在特定振動方向上的狀態(tài)通常把光矢量保持在特定振動方向上的狀態(tài) 稱為光的偏振態(tài)稱為光的偏振態(tài)對縱波：振動方向與傳播方

4、向一致，即振動只有一個方向。對縱波：振動方向與傳播方向一致，即振動只有一個方向。光是電磁波，是橫波光是電磁波，是橫波具有偏振的特性具有偏振的特性通常把光矢量保持在特定振動方向上的狀態(tài)通常把光矢量保持在特定振動方向上的狀態(tài) 稱為光的偏振態(tài)稱為光的偏振態(tài)光的分類：光的分類：常見的偏振態(tài)可分為以下三類：常見的偏振態(tài)可分為以下三類：非偏振光、完全偏振光偏振光）、部分偏振光。非偏振光、完全偏振光偏振光）、部分偏振光。自然光自然光線偏振光線偏振光橢圓偏振光橢圓偏振光圓偏振光圓偏振光1,線偏振光線偏振光:又稱為平面偏振光又稱為平面偏振光E播播傳傳方方向向振振動動面面面對光的傳播方向看面對光的傳播方向看偏振方

5、向偏振方向光矢量只沿一個固定的方向振動。光矢量只沿一個固定的方向振動。線偏光的振動面振動方向與傳播方向決定的平面）線偏光的振動面振動方向與傳播方向決定的平面）是固定不動的。是固定不動的。表示方法：表示方法：傳播方向傳播方向傳播方向傳播方向光振動平行于紙面的偏振光光振動平行于紙面的偏振光光振動垂直于紙面的偏振光光振動垂直于紙面的偏振光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 還有個特點：還有個特點：2,2,自然光自然光Natural LightNatural Light）（非偏振光）（非偏振光）: :傳播方向傳播方向自然光

6、自然光在垂直于光傳播方向的平在垂直于光傳播方向的平面內，沿各個方向振動的光矢量都有，面內，沿各個方向振動的光矢量都有，光矢量具有軸對稱性且光矢量的分布光矢量具有軸對稱性且光矢量的分布均勻，各個方向光振動振幅都相等均勻，各個方向光振動振幅都相等 ，無固定相位差。無固定相位差。哪個振動方向哪個振動方向都沒有優(yōu)都沒有優(yōu)u 自然光可分解為兩個垂直的、自然光可分解為兩個垂直的、u 振幅相等的獨立光振動。振幅相等的獨立光振動。yxEE yxIIIIIyx u 自然光兩個分振動的光強相等，自然光兩個分振動的光強相等，各占自然光光強的一半各占自然光光強的一半50%）自然光的分解自然光的分解2/ I自然光的表示

7、法：自然光的表示法：短線和點分別表示平行于紙面和垂直于紙面的光短線和點分別表示平行于紙面和垂直于紙面的光振動振動.點和短線交替均勻畫出，表示光矢量對稱點和短線交替均勻畫出，表示光矢量對稱而均勻分布，注意二者無固定的相位關系而均勻分布，注意二者無固定的相位關系.平行于紙面和垂直紙面的分振動光強相等平行于紙面和垂直紙面的分振動光強相等.傳播方向傳播方向yxEE yxIIIIIyx 自然光的分解自然光的分解2/ I3. 3. 部分偏振光部分偏振光存在優(yōu)勢方向存在優(yōu)勢方向部分偏振光部分偏振光介于自然光和偏振光之間介于自然光和偏振光之間部分偏振部分偏振光的分解光的分解yxEE yxIII 光矢量具有各個

8、方向振動光矢量具有各個方向振動象自然光象自然光, ,光矢量在各方向振動振幅不等光矢量在各方向振動振幅不等偏振偏振特點：特點：各個方向振動的光矢量都有；振幅不相等；光矢量不具有各個方向振動的光矢量都有；振幅不相等；光矢量不具有軸對稱性軸對稱性部分偏振光可分解為兩束振動方向相互垂直的、不等幅的、部分偏振光可分解為兩束振動方向相互垂直的、不等幅的、不相干無固定位相關系的線偏振光。不相干無固定位相關系的線偏振光。3. 3. 部分偏振光部分偏振光表示法：表示法：存在優(yōu)勢方向存在優(yōu)勢方向部分偏振光部分偏振光介于自然光和偏振光之間介于自然光和偏振光之間部分偏振部分偏振光的分解光的分解yxEE yxIII 平

9、行多余垂直分量平行多余垂直分量垂直于多余平行分量垂直于多余平行分量仰首看到仰首看到“天光天光”俯首看到俯首看到“湖光湖光”4,圓偏振光和橢圓偏振光圓偏振光和橢圓偏振光 y yx z傳播方向傳播方向 /2xE 0特點：特點：光矢量只沿一個固定的方光矢量只沿一個固定的方向振動的同時，在還要繞向振動的同時，在還要繞著傳播方向均勻轉動光著傳播方向均勻轉動光矢量按一定頻率旋轉）。矢量按一定頻率旋轉）。如果光矢量端點軌跡是一個圓如果光矢量端點軌跡是一個圓圓偏振光圓偏振光如果光矢量端點軌跡是一個橢圓如果光矢量端點軌跡是一個橢圓橢圓偏振光橢圓偏振光根據相互垂直的簡諧振動的合成規(guī)律根據相互垂直的簡諧振動的合成規(guī)

10、律這兩個分振動具有確定的相位關系。這兩個分振動具有確定的相位關系。 = xy 不同，橢圓形狀、旋向也不同。不同，橢圓形狀、旋向也不同。 = 3 /2 = 5 /4 = 7 /4 = /2 = /4 = 0yx = 3 /4（-3/4） （-/2）（-/4）復習復習圓、圓、橢圓橢圓偏振偏振光光5.2 線偏振的獲得與檢驗線偏振的獲得與檢驗 起偏和檢偏起偏和檢偏在實驗室內怎樣產生偏振光？在實驗室內怎樣產生偏振光？又如何檢驗光的偏振態(tài)呢？現(xiàn)在常用的方法是利用偏振片。又如何檢驗光的偏振態(tài)呢？現(xiàn)在常用的方法是利用偏振片。 起偏器起偏器: : 起偏的光學器件起偏的光學器件-偏振片偏振片 起偏：起偏： 檢偏：

11、檢偏：現(xiàn)在常用的起偏和檢偏的器件是偏振片現(xiàn)在常用的起偏和檢偏的器件是偏振片如何由自然光獲得線偏振光？如何由自然光獲得線偏振光？u從自然光獲得偏振光的過程；從自然光獲得偏振光的過程；u鑒別光的偏振狀態(tài)的過程；鑒別光的偏振狀態(tài)的過程；x yzz線柵起偏器線柵起偏器 入射入射電磁波電磁波非偏振光非偏振光線偏振光線偏振光光軸光軸電氣石晶片電氣石晶片透振方向透振方向 偏振片偏振片這種晶粒對某一方向的光矢量有強烈的吸收這種晶粒對某一方向的光矢量有強烈的吸收而相對垂直的方向的光矢量則吸收很少。而相對垂直的方向的光矢量則吸收很少。這就使得做成的偏振片基本上只允許振動面這就使得做成的偏振片基本上只允許振動面在某

12、一特定方向的偏振光通過，這一方向稱為偏振化方向在某一特定方向的偏振光通過，這一方向稱為偏振化方向(即光通過的方向）即光通過的方向）是在透明基片上蒸度一層某種晶粒做成是在透明基片上蒸度一層某種晶粒做成.P重要規(guī)律重要規(guī)律2 2、自然光通過偏振片光強衰減一半。、自然光通過偏振片光強衰減一半。1 1、自然光通過偏振片變?yōu)榫€偏振光；、自然光通過偏振片變?yōu)榫€偏振光；偏振片的偏振化方向又稱為透偏振方向）：偏振片偏振片的偏振化方向又稱為透偏振方向）：偏振片允許通過的光振動的方向允許通過的光振動的方向偏偏振振化化方方向向自然光自然光偏振片偏振片線偏振光線偏振光 各種偏振態(tài)的光通過偏振片情況各種偏振態(tài)的光通過偏

13、振片情況 自然光自然光1P2P 自然光通過偏振片為線偏光；自然光通過偏振片為線偏光； 轉動偏振片轉動偏振片360光強不變化；光強不變化； 線偏光線偏光 線偏光通過偏振片為線偏光；線偏光通過偏振片為線偏光； 轉動偏振片轉動偏振片360光強有變化，光強有變化， 有兩次消光；有兩次消光；偏振化方向偏振化方向 各種偏振態(tài)的光通過偏振片情況各種偏振態(tài)的光通過偏振片情況 部分偏振光部分偏振光1P 轉動偏振片轉動偏振片360光強有變化；無消光光強有變化；無消光 圓偏振光圓偏振光 轉動偏振片轉動偏振片360光強不變化；光強不變化； 橢圓偏振光橢圓偏振光 轉動偏振片轉動偏振片360光強有變化；無消光光強有變化；

14、無消光021II 馬呂斯定律馬呂斯定律 自然光自然光1P0I 線偏光線偏光P P cos0EE 0E, 2 0 0EI 20cosII 馬呂斯定律馬呂斯定律18091809） 2 2 0 2 cos EEI 0max0III ， 02 I， 消光 P cos0EE 0E 20cosII 馬呂斯定律馬呂斯定律18091809）P 例題例題1,在雙縫干涉中用自然光在屏上形成干涉條在雙縫干涉中用自然光在屏上形成干涉條紋紋,若在兩縫后放一偏振片若在兩縫后放一偏振片,那么那么:（干涉條紋間距不變（干涉條紋間距不變,明紋亮度加強明紋亮度加強（干涉條紋間距不變（干涉條紋間距不變,明紋亮度減弱明紋亮度減弱（干

15、涉條紋間距變窄（干涉條紋間距變窄,明紋亮度減弱明紋亮度減弱（無干涉條紋（無干涉條紋B例例2. 知知NNMM LL以角速度以角速度 轉動轉動 自然光入射強度為自然光入射強度為自自I求：出射光求：出射光?I ?Imax何時何時解：解：t 1I2INNMM自自ILLI2II1自自tcos2ItcosII2212 自自2)t4cos(18It2sin8I)t2sin21(2Itsintcos2I)t90(cosII222222 自自自自自自自自8IImax自自ITt8I自自4T020cosII .,)(210812kTkt5.3 反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振一反射光和折射光的偏振一反射光和

16、折射光的偏振自然光在兩種各向同性媒質分界自然光在兩種各向同性媒質分界面上反射和折射時，面上反射和折射時，不僅光的傳播方向要改變，而且不僅光的傳播方向要改變，而且偏振狀態(tài)也要發(fā)生變化。偏振狀態(tài)也要發(fā)生變化。i1n2n一般情況下，反射光和折射光一般情況下，反射光和折射光不再是自然光，而是部分偏振光。不再是自然光，而是部分偏振光。反射光中垂直于入射面的光振動多于平行入射面的光振動；反射光中垂直于入射面的光振動多于平行入射面的光振動；折射光中平行于入射面的光振動多于垂直入射面的光振動折射光中平行于入射面的光振動多于垂直入射面的光振動理論和實驗證明：理論和實驗證明：反射光的偏振化程度和入射角反射光的偏振

17、化程度和入射角 i 有關。有關。i1n2n1n2n0i0i當入射角等于某一特定值當入射角等于某一特定值 i0 時，時，反射光是光振動垂直入射面的線偏光，反射光是光振動垂直入射面的線偏光，這一特定角這一特定角 i0 稱為起偏角或布儒斯特角。稱為起偏角或布儒斯特角。0i1n2n0i0r當當i = i0 時，時，i0 +r0 = 900201sinsinrnin有有布儒斯特定律 (1812年)21120tgnnni 二布儒斯特定律二布儒斯特定律實驗中還發(fā)現(xiàn)實驗中還發(fā)現(xiàn)應用：應用：1n1nn2BintgiB （可測不透明媒質折射率（可測不透明媒質折射率（獲得較強線偏振光。（獲得較強線偏振光。玻璃片堆玻

18、璃片堆當自然光以起偏角入射時，反射光為線偏光，但光強很弱；當自然光以起偏角入射時，反射光為線偏光，但光強很弱；折射光仍為部分偏振光，但光強較強。折射光仍為部分偏振光，但光強較強。為了增強反射光的強度和折射光的偏振化程度，采用為了增強反射光的強度和折射光的偏振化程度，采用i0(接近線偏振光接近線偏振光) 應用應用3 3： 在拍攝玻璃窗內的物體時，在拍攝玻璃窗內的物體時， 去掉反射光的干擾？去掉反射光的干擾？未裝偏振片未裝偏振片裝偏振片裝偏振片例題例題1 ：一束單色光自空氣射向一塊平板玻璃，：一束單色光自空氣射向一塊平板玻璃，設入射角等于布儒斯特角，則在界面的反射光設入射角等于布儒斯特角，則在界面

19、的反射光為：為：，是自然光；，是自然光；，是線偏振光且光矢量的振動方向垂直于入射，是線偏振光且光矢量的振動方向垂直于入射面面，是線偏振光且光矢量的振動方向平行于入射，是線偏振光且光矢量的振動方向平行于入射面；面；，是部分偏振光，是部分偏振光0i0i結果：結果：一束光射入晶體時，折射光分成兩束；一束光射入晶體時，折射光分成兩束；當晶體在垂直入射光的平面內轉動時，當晶體在垂直入射光的平面內轉動時，一束折射光傳播方向保持不變，一束折射光傳播方向保持不變，另一束折射光隨著晶體轉動傳播方向改變。另一束折射光隨著晶體轉動傳播方向改變。 雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象 方解石方解石oe e o影片：雙折射影片：雙折射

20、一光的雙折射現(xiàn)象一光的雙折射現(xiàn)象光的雙折射現(xiàn)象光的雙折射現(xiàn)象一束光射入各向異性媒質時，折射光分成兩束的現(xiàn)象一束光射入各向異性媒質時，折射光分成兩束的現(xiàn)象 尋常光尋常光o，非常光，非常光e在上述實驗中轉動晶體，在上述實驗中轉動晶體，折射光傳播方向不變的那束光稱為尋常光折射光傳播方向不變的那束光稱為尋常光o ；隨著晶體轉動傳播方向改變的那束光稱為非常光隨著晶體轉動傳播方向改變的那束光稱為非常光e光e光o 尋常光尋常光o o光遵從折射定律；光遵從折射定律；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 非尋常光（非尋常光（ e e光光 ） 一般不遵從折射定律一般不遵從折射定律

21、orninsinsin21 constrie sinsine e 光折射線也不一定在入射面內。光折射線也不一定在入射面內。 o o 光和光和 e e 光均為線偏振光。振動面互相垂直光均為線偏振光。振動面互相垂直光e光o實驗上如何證明實驗上如何證明二晶體光軸、主平面二晶體光軸、主平面當光在晶體內沿某個特殊方向傳播時不發(fā)生雙折射，當光在晶體內沿某個特殊方向傳播時不發(fā)生雙折射，該方向稱為晶體的光軸。該方向稱為晶體的光軸。 晶體的光軸晶體的光軸沿光軸方向沿光軸方向 o 光和光和 e 光在的傳播速率相等光在的傳播速率相等注意：光軸只是一特殊方向而非一實在軸線注意：光軸只是一特殊方向而非一實在軸線 凡平行

22、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。如天然方解石如天然方解石AB5.1015.78平行六面體平行六面體 單軸晶體、多軸晶體單軸晶體、多軸晶體多軸晶體：不只一個光軸的晶體。多軸晶體：不只一個光軸的晶體。單軸晶體：只有一個光軸的晶體。單軸晶體：只有一個光軸的晶體。如天然方解石如天然方解石AB5.1015.78平行六面體平行六面體如：方解石、石英、紅寶石等如：方解石、石英、紅寶石等如：藍寶石雙軸晶體）如：藍寶石雙軸晶體） 主平面主平面晶體中光的傳播方向與晶體光軸構成的平面。晶體中光的傳播方向與晶體光軸構成的平面。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

23、面o 光的光振動方向垂直于光的光振動方向垂直于o 光的主平面；光的主平面；e 光的光振動方向平行光的光振動方向平行 e 光的主平面。光的主平面。一般情況下，一般情況下，o 光的主平面和光的主平面和 e 光的主平面光的主平面并不重合。并不重合。單軸晶體的子波波陣面單軸晶體的子波波陣面光軸光軸o 波波面面e 波波面面兩種光線沿光軸方向的速率相等，兩種光線沿光軸方向的速率相等，兩波面在光軸方向相切，兩波面在光軸方向相切，在垂直光軸方向上，兩光線傳播速率相在垂直光軸方向上，兩光線傳播速率相差最大差最大三單軸晶體中光傳播的惠更斯作圖法三單軸晶體中光傳播的惠更斯作圖法 光子波波陣面為球面光子波波陣面為球面

24、o振動沿各方向傳播速度相同振動沿各方向傳播速度相同o光光振動沿各方向傳播速度不同振動沿各方向傳播速度不同e光光光子波波陣面為旋轉橢球面光子波波陣面為旋轉橢球面e光軸光軸o 波波面面e 波波面面o 光的傳播速率用光的傳播速率用vo 表示表示折射率用折射率用no 表示，表示，e 光在垂直光軸方向上的傳播速率光在垂直光軸方向上的傳播速率用用ve 表示，折射率用表示，折射率用ne 表示表示oocn e cne 根據根據no 和和ne 的大小關系，晶體分為正晶體和負晶體的大小關系，晶體分為正晶體和負晶體 no no ，nene稱為晶體的主折射率稱為晶體的主折射率 晶體的主折射率、正晶體、負晶體晶體的主折

25、射率、正晶體、負晶體負晶體負晶體 : ne no: ne no: ne no( (e eeo)o)光軸光軸 vetvot光軸光軸 votvet如石英如石英00 cn e cne no no ，nene稱為晶體的主折射率稱為晶體的主折射率如方解石如方解石MNAB1A2A1E2ECtt0tt1 單軸晶體中光傳播的惠更斯作圖法單軸晶體中光傳播的惠更斯作圖法思路：（波的折射）思路：（波的折射）D向晶體內發(fā)出球面子波向晶體內發(fā)出球面子波和橢球面子波。作所有和橢球面子波。作所有各點所發(fā)子波的包絡面，各點所發(fā)子波的包絡面，即得晶體中即得晶體中o 光波面和光波面和e 光波面，從入射點引光波面，從入射點引向相應包絡面與向相應包絡面與o 光波光波面和面和e 光波面的切點的光波面的切點的連線方向就是所求晶體連