波動光學-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 設光矢量沿設光矢量沿 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垂直于紙面光振動垂直于紙面振動面振動面面對光的傳播方向看面對光的傳播方向看 光振動垂直板面光振動垂直板面光振動平行板面光振動平行板面光矢量（光矢量（ ）只在一個固定

2、）只在一個固定平面內(nèi)沿單一方向振動的光平面內(nèi)沿單一方向振動的光叫線偏振光（也稱平面偏振叫線偏振光（也稱平面偏振光）。光）。E光振動方向與傳播方向決定光振動方向與傳播方向決定的平面稱為振動面的平面稱為振動面. 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: : sincosEEEEyx依賴于依賴于x, yx, y方向的選取方向的選取對線偏振光對線偏振光 , 0 xyEEyEx yx 光的偏振性說明了光的偏振性說明了: : 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（左旋或右旋）、按一定頻率旋轉（左旋或右旋）、光矢量的矢端軌跡是個圓（或橢圓）光矢量的矢端軌跡是個圓（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， 光矢量順時針轉的稱光矢量順時針轉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針轉的稱光矢量逆時針轉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某一時刻某一時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領先領先-右旋右旋Ex領先領先-左旋左旋兩束振動方向相互垂直、位相差兩束振動方向相互垂直、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 反過來，一束圓偏振光也可以分解為反過來，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 橢圓偏振光的強度是這兩束線偏振光強度橢圓偏振光的強度是這兩束線偏振光強度的非相干疊加。的非相干疊加。橢圓偏振光是兩束振動方向相互垂直、橢圓偏振光是兩束振動方向相互垂直、 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） 光源上一個原子一次發(fā)出的是一個線偏光源上一個原子一次發(fā)出的是一個線偏振光波列，持續(xù)時間約振光波列，持續(xù)時間約10-8秒。秒。在在10-8秒的時間內(nèi)大量波列合成的光波秒的時間內(nèi)大量波列合成的光波 可以可以是偏振的，但是它以完全無規(guī)的方式是偏振的，但是它以完全無規(guī)的方式 迅速變迅速變化著?；?。各原子是獨立地、隨機地發(fā)光的。光矢各原子是獨立地、隨機地發(fā)光的。光矢量的大小、方向、初位相等等也是隨機的。量的大小、方向、初位相等等也是隨機的。在我們觀察的時間在我們觀察的時間

6、t內(nèi)內(nèi),在哪個方向都在哪個方向都不占優(yōu)勢了，它們對其傳播方向形成不占優(yōu)勢了，它們對其傳播方向形成軸對稱分布。軸對稱分布。11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平均說來這種大量的振幅相同、振動方向平均說來這種大量的振幅相同、振動方向任意、彼此沒有固定相位關系的光振動的任意、彼此沒有固定相位關系的光振動的組合叫自然光。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無固定關系無固定關系: :它們是彼此獨立的振動它們是彼此獨立的振動, ,yxEE 方方向向選選擇擇無無關關與與yx,總光強總光強 yxyxIIIII2

7、2 非相干疊加非相干疊加沒有優(yōu)勢方向沒有優(yōu)勢方向自然光的分解自然光的分解13三三. .部分偏振光部分偏振光彼此無固定相位關系、振動方向任意、不同方向上彼此無固定相位關系、振動方向任意、不同方向上振幅不同的大量振幅不同的大量光振動的組合光振動的組合, ,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較強垂直紙面的光振動較強在紙面內(nèi)的光振動較強在紙面內(nèi)的光振動較強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”，相應的，相應的光學器件叫光學器件叫“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稱性都是利用某種形式的不對稱性, ,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（對某一方向（對某一方向的光振動有強烈吸收）的光振動有強烈吸收）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電線柵導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出射光強021II 18二、馬呂斯定律（二、馬呂斯定律（MalusMalus law law）線偏振光通過偏振片線偏振光通過偏振片P P前后的光強關系：前后的光強關系： 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、檢驗光束的偏振狀態(tài)用偏振器件分析、檢驗光束的偏振狀態(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”。設入射光可能是自然光、線偏振光設入射光可能是自然光、線偏振光或部分偏振光，如何用偏振片來區(qū)分它們？或部分偏振光，如何用偏振片來區(qū)分它們？以光線為軸轉動以光線為軸轉動P:P: I I不變不變？I I變有消光變有消光？I I變無消光變無消光？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、 散射光的偏振簡介散射光的偏振簡介在入射光的激勵下，在入射光的激勵下，媒質(zhì)分子中的電子媒質(zhì)分子中的電子作受迫振動。作受迫振動。它們可視為振動電偶極子，它們可視為振動電偶極子， 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度是不均勻的輻射的強度是不均勻的它它 有一個角分布有一個角分布. 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 全部光強全部光強, ,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度的角分布輻射強度的角分布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，它的偏振度會它的偏振度會隨角隨角 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，可把方向的不對稱抵消，可把方向的不對稱抵消，從而從而可消除偏振可消除偏振。演示演示 ：光透不過兩互相垂直的偏振片：光透不過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）, ,光又可以透過了。光又可以透過了。235.3 5.3 反射和折射時光的偏振反射和折射時光的偏振實驗表明實驗表明: :自然光在介質(zhì)表面反射、折射時，自然光在介質(zhì)表面反射、折射時，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，當當 i=i0 時時, ,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，有此時，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>