波動(dòng)光學(xué)-偏振1

1、1 第五章第五章 光的偏振光的偏振(1)(1)(polarization of light)(polarization of light)25.1 5.1 自然光和偏振光自然光和偏振光一、偏振光一、偏振光( (完全偏振光完全偏振光) ) 光矢量光矢量)cos()cos(00yyyxxxyxkztEEkztEEyExEE 設(shè)光矢量沿設(shè)光矢量沿 z方向傳播方向傳播.1.線偏振光線偏振光3zxy0線偏振光及其表示法線偏振光及其表示法光振動(dòng)垂直于紙面光振動(dòng)垂直于紙面振動(dòng)面振動(dòng)面面對(duì)光的傳播方向看面對(duì)光的傳播方向看 光振動(dòng)垂直板面光振動(dòng)垂直板面光振動(dòng)平行板面光振動(dòng)平行板面光矢量（光矢量（ ）只在一個(gè)固定

2、）只在一個(gè)固定平面內(nèi)沿單一方向振動(dòng)的光平面內(nèi)沿單一方向振動(dòng)的光叫線偏振光（也稱平面偏振叫線偏振光（也稱平面偏振光）。光）。E光振動(dòng)方向與傳播方向決定光振動(dòng)方向與傳播方向決定的平面稱為振動(dòng)面的平面稱為振動(dòng)面. 線偏振光的表示法：線偏振光的表示法：4線偏振光可沿兩個(gè)相互垂直的方向分解線偏振光可沿兩個(gè)相互垂直的方向分解: : sincosEEEEyx依賴于依賴于x, yx, y方向的選取方向的選取對(duì)線偏振光對(duì)線偏振光 , 0 xyEEyEx yx 光的偏振性說(shuō)明了光的偏振性說(shuō)明了: : 光是橫波光是橫波52.2.圓偏振光圓偏振光3.3.橢圓偏振光橢圓偏振光光矢量在垂直傳播方向的平面內(nèi)，光矢量在垂直傳

3、播方向的平面內(nèi)，按一定頻率旋轉(zhuǎn)（左旋或右旋）、按一定頻率旋轉(zhuǎn)（左旋或右旋）、光矢量的矢端軌跡是個(gè)圓（或橢圓）光矢量的矢端軌跡是個(gè)圓（或橢圓）的光稱圓（或橢圓）偏振光。的光稱圓（或橢圓）偏振光。6規(guī)定規(guī)定：迎著光線看，：迎著光線看， 光矢量順時(shí)針轉(zhuǎn)的稱光矢量順時(shí)針轉(zhuǎn)的稱右旋右旋圓偏振光圓偏振光 （或橢圓偏振光）；（或橢圓偏振光）；右旋圓右旋圓偏振光偏振光右旋橢圓右旋橢圓偏振光偏振光光矢量逆時(shí)針轉(zhuǎn)的稱光矢量逆時(shí)針轉(zhuǎn)的稱左旋左旋圓偏振光圓偏振光 （或橢圓偏振光）。（或橢圓偏振光）。7某一時(shí)刻某一時(shí)刻右旋右旋圓偏振光圓偏振光 E隨隨 z的變化的變化傳播方向傳播方向zyxy /28 圓偏振光圓偏振光:0

4、0,2yxxyEE 且 22 Ey領(lǐng)先領(lǐng)先-右旋右旋Ex領(lǐng)先領(lǐng)先-左旋左旋兩束振動(dòng)方向相互垂直、位相差兩束振動(dòng)方向相互垂直、位相差 、傳播方向一致、且振幅相等的線偏振光疊加，傳播方向一致、且振幅相等的線偏振光疊加，就是圓偏振光。就是圓偏振光。2 反過(guò)來(lái)，一束圓偏振光也可以分解為反過(guò)來(lái)，一束圓偏振光也可以分解為這樣兩束線偏振光。這樣兩束線偏振光。9 橢圓偏振光橢圓偏振光:0022, 0yxxyxyEE ，但，但或或 橢圓偏振光的強(qiáng)度是這兩束線偏振光強(qiáng)度橢圓偏振光的強(qiáng)度是這兩束線偏振光強(qiáng)度的非相干疊加。的非相干疊加。橢圓偏振光是兩束振動(dòng)方向相互垂直、橢圓偏振光是兩束振動(dòng)方向相互垂直、 傳播方向一致

5、、位相差恒定的傳播方向一致、位相差恒定的 線偏振光疊加而成的。線偏振光疊加而成的。10二、自然光（非偏振光二、自然光（非偏振光） 光源上一個(gè)原子一次發(fā)出的是一個(gè)線偏光源上一個(gè)原子一次發(fā)出的是一個(gè)線偏振光波列，持續(xù)時(shí)間約振光波列，持續(xù)時(shí)間約10-8秒。秒。在在10-8秒的時(shí)間內(nèi)大量波列合成的光波秒的時(shí)間內(nèi)大量波列合成的光波 可以可以是偏振的，但是它以完全無(wú)規(guī)的方式是偏振的，但是它以完全無(wú)規(guī)的方式 迅速變迅速變化著?；?。各原子是獨(dú)立地、隨機(jī)地發(fā)光的。光矢各原子是獨(dú)立地、隨機(jī)地發(fā)光的。光矢量的大小、方向、初位相等等也是隨機(jī)的。量的大小、方向、初位相等等也是隨機(jī)的。在我們觀察的時(shí)間在我們觀察的時(shí)間

6、t內(nèi)內(nèi),在哪個(gè)方向都在哪個(gè)方向都不占優(yōu)勢(shì)了，它們對(duì)其傳播方向形成不占優(yōu)勢(shì)了，它們對(duì)其傳播方向形成軸對(duì)稱分布。軸對(duì)稱分布。11沒有優(yōu)勢(shì)方向沒有優(yōu)勢(shì)方向自然光的分解自然光的分解平均說(shuō)來(lái)這種大量的振幅相同、振動(dòng)方向平均說(shuō)來(lái)這種大量的振幅相同、振動(dòng)方向任意、彼此沒有固定相位關(guān)系的光振動(dòng)的任意、彼此沒有固定相位關(guān)系的光振動(dòng)的組合叫自然光。組合叫自然光。zxy自然光及其表示法自然光及其表示法zxy自然光及其表示法自然光及其表示法12Ex Ex 和和 EyEy無(wú)固定關(guān)系無(wú)固定關(guān)系: :它們是彼此獨(dú)立的振動(dòng)它們是彼此獨(dú)立的振動(dòng), ,yxEE 方方向向選選擇擇無(wú)無(wú)關(guān)關(guān)與與yx,總光強(qiáng)總光強(qiáng) yxyxIIIII2

7、2 非相干疊加非相干疊加沒有優(yōu)勢(shì)方向沒有優(yōu)勢(shì)方向自然光的分解自然光的分解13三三. .部分偏振光部分偏振光彼此無(wú)固定相位關(guān)系、振動(dòng)方向任意、不同方向上彼此無(wú)固定相位關(guān)系、振動(dòng)方向任意、不同方向上振幅不同的大量振幅不同的大量光振動(dòng)的組合光振動(dòng)的組合, ,稱部分偏振光，稱部分偏振光，它它介于自然光介于自然光與線偏振光之間。與線偏振光之間。xyz部分偏振光及其表示法部分偏振光及其表示法垂直紙面的光振動(dòng)較強(qiáng)垂直紙面的光振動(dòng)較強(qiáng)在紙面內(nèi)的光振動(dòng)較強(qiáng)在紙面內(nèi)的光振動(dòng)較強(qiáng)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14偏振度偏振度 minmaxminmaxIIIIP 描寫部分偏振光的偏振程度的物理量

8、是偏振度描寫部分偏振光的偏振程度的物理量是偏振度:自然光也稱為（完全）自然光也稱為（完全）非偏振光（非偏振光（P=0P=0）部分偏振光部分偏振光可看作是自然光和完全偏振光的可看作是自然光和完全偏振光的疊加疊加（0 0P P1 1）. .完全偏振光（完全偏振光（P=1）以上就是以上就是三種偏振光三種偏振光, , 五種偏振態(tài)五種偏振態(tài). .155.2 5.2 起偏和檢偏起偏和檢偏一、起偏一、起偏從自然光獲得偏振光叫從自然光獲得偏振光叫“起偏起偏”，相應(yīng)的，相應(yīng)的光學(xué)器件叫光學(xué)器件叫“起偏器起偏器”。起偏的原理起偏的原理: :都是利用某種形式的不對(duì)稱性都是利用某種形式的不對(duì)稱性, ,如如 物質(zhì)的二向

9、色性，物質(zhì)的二向色性， 反射和折射，散射，雙折射反射和折射，散射，雙折射. .偏振片偏振片（PolaroidPolaroid）是由自然光獲得線偏振光的平面片狀器件，是由自然光獲得線偏振光的平面片狀器件，用用P P表示。表示。16偏振片偏振片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偏振片偏振片是以是以利用晶體的二向色性利用晶體的二向色性（對(duì)某一方向（對(duì)某一方向的光振動(dòng)有強(qiáng)烈吸收）的光振動(dòng)有強(qiáng)烈吸收）起偏起偏. .（如把硫酸碘奎（如把硫酸碘奎寧的針狀粉末定向排在寧的針狀粉末定向排在 透明的基片上），透明的基片上），也可以也可以

10、利用類似于利用類似于導(dǎo)電線柵導(dǎo)電線柵的作用原理起偏的作用原理起偏（如（如把富含自由電子的碘附在拉伸的塑料薄膜上）。把富含自由電子的碘附在拉伸的塑料薄膜上）。17用偏振片起偏用偏振片起偏, ,在忽略偏振片的吸收的情況下在忽略偏振片的吸收的情況下出射光強(qiáng)出射光強(qiáng)021II 18二、馬呂斯定律（二、馬呂斯定律（MalusMalus law law）線偏振光通過(guò)偏振片線偏振光通過(guò)偏振片P P前后的光強(qiáng)關(guān)系：前后的光強(qiáng)關(guān)系： 2202200cosEEIEI ， 20cosII 0max0III ， 02 I， 消光消光改變改變 ，I 隨之改變。隨之改變。 I0IPP E0 E=E0cos 19三三. .

11、檢偏檢偏用偏振器件分析、檢驗(yàn)光束的偏振狀態(tài)用偏振器件分析、檢驗(yàn)光束的偏振狀態(tài) 稱稱“檢偏檢偏”。偏振片既可偏振片既可“起偏起偏”又可又可“檢偏檢偏”。設(shè)入射光可能是自然光、線偏振光設(shè)入射光可能是自然光、線偏振光或部分偏振光，如何用偏振片來(lái)區(qū)分它們？或部分偏振光，如何用偏振片來(lái)區(qū)分它們？以光線為軸轉(zhuǎn)動(dòng)以光線為軸轉(zhuǎn)動(dòng)P:P: I I不變不變？I I變有消光變有消光？I I變無(wú)消光變無(wú)消光？上述辦法能區(qū)分出自然光和圓偏振光嗎？上述辦法能區(qū)分出自然光和圓偏振光嗎？ 能區(qū)分出部分偏振光和橢圓偏振光嗎？能區(qū)分出部分偏振光和橢圓偏振光嗎？自然光自然光線偏振光線偏振光部分偏振光部分偏振光I?P待檢光待檢光20

12、 散射光的偏振簡(jiǎn)介散射光的偏振簡(jiǎn)介在入射光的激勵(lì)下，在入射光的激勵(lì)下，媒質(zhì)分子中的電子媒質(zhì)分子中的電子作受迫振動(dòng)。作受迫振動(dòng)。它們可視為振動(dòng)電偶極子，它們可視為振動(dòng)電偶極子， 向周圍發(fā)射子波向周圍發(fā)射子波. .振蕩電偶極子電磁振蕩電偶極子電磁輻射的強(qiáng)度是不均勻的輻射的強(qiáng)度是不均勻的它它 有一個(gè)角分布有一個(gè)角分布. 演示演示 : 1.: 1.起偏和檢偏起偏和檢偏. . 2. 2.兩塊相互垂直的偏振片兩塊相互垂直的偏振片P P1 1,P,P2 2阻擋了阻擋了 全部光強(qiáng)全部光強(qiáng), ,若在若在P P1 1,P,P2 2之間再加一塊偏振片之間再加一塊偏振片 P P3 3后又怎么樣后又怎么樣? ? (演示

13、演示) pI( ) 振蕩電偶極子電磁振蕩電偶極子電磁輻射強(qiáng)度的角分布輻射強(qiáng)度的角分布21例如沿例如沿PBPB方向方向觀察到的只是觀察到的只是部分偏振光，部分偏振光，它的偏振度會(huì)它的偏振度會(huì)隨角隨角 改變而變改變而變. .天空大氣分子天空大氣分子散射的日光就是散射的日光就是部分偏振光部分偏振光。在自然光沿在自然光沿Z Z方向入射方向入射的情況下，的情況下，P P處發(fā)出的處發(fā)出的偶極輻射在不同方向偶極輻射在不同方向可觀察到不同的偏振情況?？捎^察到不同的偏振情況。zx py入射自然光入射自然光 B 散射光散射光(部分偏振光部分偏振光) 散射光散射光 (線偏振光線偏振光) 散射光散射光 (自然光自然光

14、)22多次散射多次散射，可把方向的不對(duì)稱抵消，可把方向的不對(duì)稱抵消，從而從而可消除偏振可消除偏振。演示演示 ：光透不過(guò)兩互相垂直的偏振片：光透不過(guò)兩互相垂直的偏振片, ,但在其間夾一蠟紙（形成多次散射）但在其間夾一蠟紙（形成多次散射）, ,光又可以透過(guò)了。光又可以透過(guò)了。235.3 5.3 反射和折射時(shí)光的偏振反射和折射時(shí)光的偏振實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)表明: :自然光在介質(zhì)表面反射、折射時(shí)，自然光在介質(zhì)表面反射、折射時(shí)，反射光中垂直入射面的分量比例大，反射光中垂直入射面的分量比例大，折射光中平行入射面的分量比例大。折射光中平行入射面的分量比例大。n1n2i ir自然光反射和折射自然光反射和折射后產(chǎn)生部分

15、偏振光后產(chǎn)生部分偏振光n1n2i0i0r0線偏振光線偏振光S起偏振角起偏振角24入射角入射角 i 變變反射、折射光的偏振度也變，反射、折射光的偏振度也變，當(dāng)當(dāng) i=i0 時(shí)時(shí), ,反射光只有垂直入射面的分量。反射光只有垂直入射面的分量。i0 布儒斯特角布儒斯特角, , 也叫起偏角也叫起偏角. .此時(shí)，有此時(shí)，有 i0+ro =90=90O O. .由折射定律有由折射定律有020201cossinsininrnin 21120nnntgi 布儒斯特定律布儒斯特定律25 若若 n n1 1=1.00(=1.00(空氣空氣) )， n n2 2=1.50(=1.50(玻璃玻璃) )?；ビ嗷ビ嗫諝饪諝獠ＡР?/p>