大學(xué)物理2011.20

1、17.3 17.3 光的偏振光的偏振2.2.偏振片偏振片 馬呂斯定律馬呂斯定律 布儒斯特定律布儒斯特定律 晶體的雙折射光軸與主平面晶體的雙折射光軸與主平面1.1.光的偏振性光的五種偏振態(tài)光的偏振性光的五種偏振態(tài)主要主要內(nèi)容內(nèi)容17.3.1光的偏振狀態(tài)光的偏振狀態(tài)光的光的振動面振動面：光矢量：光矢量E E與傳播方向共同組成的平面。與傳播方向共同組成的平面。光矢量光矢量振動面振動面v0HE只有橫波才有偏振現(xiàn)象只有橫波才有偏振現(xiàn)象,光是橫波，光具有偏振性。光是橫波，光具有偏振性。 自然光無偏振性自然光無偏振性 = (E2-E1)/hE1E2能級躍遷輻射能級躍遷輻射波列波列波列長波列長 L = c秒秒

2、810 1.自然光自然光 迎著光的傳播方向，光矢量迎著光的傳播方向，光矢量E E在各個方向上的振動出在各個方向上的振動出現(xiàn)的概率相同。現(xiàn)的概率相同。自然光自然光沒有優(yōu)勢方向沒有優(yōu)勢方向自然光的分解自然光的分解 一束自然光可分解為兩束振動方向相互垂直的、等幅一束自然光可分解為兩束振動方向相互垂直的、等幅的、不相干的線偏振光。的、不相干的線偏振光。yxEE yxyxIIEEEI222自然光的表示法：自然光的表示法：yxEE jEiEEyxxyoxEyEyxII 偏振光偏振光光的偏振光的偏振: : 迎著光的傳播方向，光矢量迎著光的傳播方向，光矢量E E在各個方向上的振動出現(xiàn)的概率以及光在各個方向上的

3、振動出現(xiàn)的概率以及光的強度不對稱。的強度不對稱。2.2.光的偏振光的偏振部分偏振光部分偏振光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 部分偏振光可分解為兩束振動方向相互垂直的、不等幅部分偏振光可分解為兩束振動方向相互垂直的、不等幅的、不相干的線偏振光。的、不相干的線偏振光。部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法： 板面內(nèi)的光振板面內(nèi)的光振動較強動較強垂直于板面的垂直于板面的光振動較強光振動較強yxEE xExyoyE3. 線偏振光線偏振光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線偏振光的表示法：線偏振光的表示法： 光振動垂直板面光振動垂直板面光振動平行板面

4、光振動平行板面線偏振光線偏振光：沿傳播方向，光矢量只在一個方向存在振動。：沿傳播方向，光矢量只在一個方向存在振動。0, 00, 0yxyxEEorEE 光矢量在與光的傳播方向垂直的平面內(nèi)出現(xiàn)光矢量在與光的傳播方向垂直的平面內(nèi)出現(xiàn)概率不同的狀態(tài)。概率不同的狀態(tài)。光的五種偏振態(tài)光的五種偏振態(tài) 1. 自然光自然光 （非偏振光）；（非偏振光）； 2. 部分偏振光部分偏振光 ； 3. 線偏振光線偏振光(完全偏振光或平面偏振光）；完全偏振光或平面偏振光）； 4. 圓偏振光；圓偏振光； 5. 橢圓偏振光橢圓偏振光 光的偏振態(tài)光的偏振態(tài)面對光的傳播方向看面對光的傳播方向看 迎著光線看振動矢量末端軌跡是橢圓或圓

5、，迎著光線看振動矢量末端軌跡是橢圓或圓，這樣的偏振光稱為橢圓偏振光和圓偏振光。這樣的偏振光稱為橢圓偏振光和圓偏振光。形成的原因：形成的原因：兩個相互垂直的線偏振光疊加兩個相互垂直的線偏振光疊加14-314-3節(jié)我們討論過相互垂直的振動疊加。若節(jié)我們討論過相互垂直的振動疊加。若兩個頻率相同，振動方向垂直，相位差固定的兩個頻率相同，振動方向垂直，相位差固定的振動疊加時，合成后的振動矢量的箭頭軌跡是振動疊加時，合成后的振動矢量的箭頭軌跡是橢圓或是圓。橢圓或是圓。4.4.橢圓偏振光和圓偏振光橢圓偏振光和圓偏振光自然光、部分偏振光與線偏振光的關(guān)系自然光、部分偏振光與線偏振光的關(guān)系1.自然光是由兩束光強相

6、等，振動方向垂直的線偏振光復(fù)合而成的。自然光是由兩束光強相等，振動方向垂直的線偏振光復(fù)合而成的。2.部分偏振光是由一束自然光和一束線偏振光復(fù)合而成的部分偏振光是由一束自然光和一束線偏振光復(fù)合而成的 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= 線偏振光線偏振光自然光自然光部分偏振光部分偏振光自然光自然光反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振1n2ni r 自然光自然光部分部分偏振光偏振光 反射和折射過程會使入射的自然光變?yōu)閮墒糠址瓷浜驼凵溥^程會使入射的自然光變?yōu)閮墒糠制窆狻Ｆ窆?。這一過程也稱為自然光的偏振化過程。這一過程也稱為自然光的偏振化過程。部分部分偏振光偏振光17.3

7、.2 偏振光的獲得偏振光的獲得一、一、 反射光的偏振化程度和入射角有關(guān)，當(dāng)入射角等于某反射光的偏振化程度和入射角有關(guān)，當(dāng)入射角等于某一特定值一特定值 i0 且滿足：且滿足：120nni tg這時的這時的反射光成為線偏振光反射光成為線偏振光。布儒斯特定律布儒斯特定律0i1n2n自然光自然光線偏振光線偏振光部分部分偏振光偏振光0i布儒斯特角布儒斯特角產(chǎn)生線偏振光條件產(chǎn)生線偏振光條件布儒斯特定律布儒斯特定律20i結(jié)論分析結(jié)論分析1. 2. 反射光為線偏振光，且振反射光為線偏振光，且振動方向垂直于入射面；折射光動方向垂直于入射面；折射光為部分偏振光。為部分偏振光。0i1n2n自然光自然光線偏振光線偏振

8、光部分部分偏振光偏振光利用玻璃片堆產(chǎn)生兩束線偏振利用玻璃片堆產(chǎn)生兩束線偏振光光i0(接近線偏振光接近線偏振光)玻璃片堆玻璃片堆 布儒斯特角布儒斯特角2. 經(jīng)多次折射后，最終獲得兩束振動面互相垂經(jīng)多次折射后，最終獲得兩束振動面互相垂直的線偏振光直的線偏振光二、二、 雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象 對于各向?qū)τ诟飨虍愋援愋跃w，一束光射入晶體后，可以觀察到有晶體，一束光射入晶體后，可以觀察到有兩束折射光的現(xiàn)象。兩束折射光的現(xiàn)象。尋常光線尋常光線(o光光) -遵守折射定律遵守折射定律非常光線非常光線(e光光) -不遵守折射定律不遵守折射定律n1n2i(各向異各向異性晶體性晶體)自然光自然光eooe雙折射現(xiàn)象雙

9、折射現(xiàn)象o光和光和e光都是線偏振光，振動方向相互垂直。光都是線偏振光，振動方向相互垂直。光光光光雙雙折折射射方解石方解石 晶體晶體舉舉 例例光光光光雙雙折折射射方解石方解石 晶體晶體光光光光雙雙折折射射方解石方解石 晶體晶體光光光光雙雙折折射射方解石方解石 晶體晶體晶體的光軸與主平面晶體的光軸與主平面（1 1）. .晶體的光軸晶體的光軸: :當(dāng)光在晶體內(nèi)沿某個特殊方向傳播時不發(fā)當(dāng)光在晶體內(nèi)沿某個特殊方向傳播時不發(fā)生雙折射現(xiàn)象，該方向稱為生雙折射現(xiàn)象，該方向稱為晶體的光軸晶體的光軸。 “ “光軸光軸”是一是一特殊的特殊的“方向方向”, ,不是指一條確定的直線，不是指一條確定的直線，而是指一個確定

10、的方向。凡平行于此方向的所有直線均為光而是指一個確定的方向。凡平行于此方向的所有直線均為光軸。軸。單軸晶體單軸晶體：只有一個光軸的晶體：只有一個光軸的晶體雙軸晶體雙軸晶體：有兩個光軸的晶體：有兩個光軸的晶體AB光軸光軸102如：云母，藍(lán)寶石，橄欖石，硫磺如：云母，藍(lán)寶石，橄欖石，硫磺如：石英，紅寶石，冰等如：石英，紅寶石，冰等（2 2）主平面）主平面：晶體中晶體中光的傳播方向與晶體光軸構(gòu)成光的傳播方向與晶體光軸構(gòu)成的平面的平面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面o光的振動面總光的振動面總垂直垂直于于o光的主平面。光的主平面。e光的振動面總在光的振動面總在e光

11、的主平面內(nèi)。光的主平面內(nèi)。晶體的主平面晶體的主平面光在晶體中，波面的特性光在晶體中，波面的特性 (1) (1)在各向同性介質(zhì)中，在各向同性介質(zhì)中，點光源點光源的波陣面是球面。的波陣面是球面。 (2)(2)在單軸晶體中，在單軸晶體中，o o光的波面是球面光的波面是球面； 但但e e光的光的波面是以光軸為轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)橢球面波面是以光軸為轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)橢球面。 （3 3）在單軸晶體中，）在單軸晶體中， o o光速度光速度V Vo o沿各個方向相同；沿各個方向相同；e e光光光速度光速度V Ve e沿不同方向的速度不同。沿不同方向的速度不同。 (4)(4)把把o o光和光和e e光在單軸晶體內(nèi)的波面畫在一起

12、，則光在單軸晶體內(nèi)的波面畫在一起，則兩個波面在光軸方向處相切。（如圖）兩個波面在光軸方向處相切。（如圖）單軸晶體中的波面單軸晶體中的波面正晶體與負(fù)晶體正晶體與負(fù)晶體兩種類型的雙折射晶體兩種類型的雙折射晶體 .V.Vo oVVe e，則稱，則稱正晶體正晶體, ,以以石英石石英石代表，在正晶體代表，在正晶體內(nèi)，橢球波面內(nèi)，橢球波面內(nèi)切于內(nèi)切于球面波面之內(nèi)。球面波面之內(nèi)。.v.vo ovve e, ,稱稱負(fù)晶休負(fù)晶休，以冰洲石（，以冰洲石（方解石方解石）為代，在負(fù)晶體內(nèi)，橢球波面為代，在負(fù)晶體內(nèi)，橢球波面外切于外切于球面球面波面之外。波面之外。起起 偏偏 器器 若有一個光學(xué)元件，能以某種方若有一個光

13、學(xué)元件，能以某種方式選擇自然光中的一束平面偏振光，而式選擇自然光中的一束平面偏振光，而摒棄另一束平面偏振光，這種器件稱為摒棄另一束平面偏振光，這種器件稱為起偏器。起偏器。 如：偏振片，尼克爾棱鏡等。如：偏振片，尼克爾棱鏡等。起偏器是獲得偏振光的常用光學(xué)元件起偏器是獲得偏振光的常用光學(xué)元件 具有雙折射和選擇具有雙折射和選擇性吸收的性質(zhì)。如電氣性吸收的性質(zhì)。如電氣石石, 對沿光軸方向振動對沿光軸方向振動的光幾乎不吸收，的光幾乎不吸收，對垂對垂直于光軸方向振動的光直于光軸方向振動的光強烈吸收。強烈吸收。 天然二向色性晶體天然二向色性晶體堇青石（堇青石（Iolite），磷灰石（），磷灰石（Apatit

14、e），榍石（），榍石（Sphene ）（1 1）天然起偏器）天然起偏器. . . .自然光自然光v人造偏振片：人造偏振片：利用人工方法制造的二向色性利用人工方法制造的二向色性多晶薄膜，可獲得線偏振光。多晶薄膜，可獲得線偏振光。 把碘化硫酸奎寧沉淀在聚氯乙烯薄膜上，把碘化硫酸奎寧沉淀在聚氯乙烯薄膜上，再將薄膜沿某一方向拉伸。再將薄膜沿某一方向拉伸。（2）人造偏振片）人造偏振片偏振片的偏振化方向（起偏方向）偏振片的偏振化方向（起偏方向）:透過偏振片透過偏振片的光是線偏振光，該線偏振光的振動方向即為偏的光是線偏振光，該線偏振光的振動方向即為偏振片的偏振化方向。振片的偏振化方向。 偏振片的偏振化方向偏

15、振片的偏振化方向. . . .自然光自然光透射光的振動方向與偏振片的偏振化方向始終一致。透射光的振動方向與偏振片的偏振化方向始終一致。偏振片的起偏和檢偏偏振片的起偏和檢偏起偏：起偏：使自然光（或非偏振光）變成線偏振光的過程。使自然光（或非偏振光）變成線偏振光的過程。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. . . .自然光自然光偏振片的起偏和檢偏偏振片的起偏和檢偏檢偏：用偏振片檢偏：用偏振片檢查入射光的偏振性。檢查入射光的偏振性。I?P待檢光待檢光每個偏振片都有一個確定的偏振化方。每個偏振片都有一個確定的偏振化方。起偏器起偏器. . . .自然光自然光0I20II 自然光

16、透過偏振片自然光透過偏振片線偏振光透過偏振片線偏振光透過偏振片 I0IPE=E0cos 20cosII orIII0max0 ，02 I， 馬呂斯定律（馬呂斯定律（18091809）消光消光 -入射線偏振光的振動方向與檢偏片的入射線偏振光的振動方向與檢偏片的偏振化方向偏振化方向之間的夾之間的夾角。角。E=E0cos 透射光的光強和振透射光的光強和振動方向均發(fā)生改變動方向均發(fā)生改變P E0 起偏器起偏器. . . .自然光自然光. . . .起偏器起偏器檢偏器檢偏器自然光自然光線偏振光線偏振光偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，光強發(fā)生變化偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，光強發(fā)生變化自然光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，光強不變

17、自然光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，光強不變0I20II 偏振片的起偏和檢偏偏振片的起偏和檢偏偏振片的起偏和檢偏偏振片的起偏和檢偏檢偏：檢偏：檢查入射光的偏振性。檢查入射光的偏振性。I?P待檢光待檢光I 不變不變？是什么光？是什么光I 變，有消光（無光）變，有消光（無光）？是什么光？是什么光I 變，無消光變，無消光？是什么光？是什么光自然光自然光線偏振光線偏振光部分線偏振光部分線偏振光 例例17-11 若自然光的光強為若自然光的光強為 ,讓它通過兩個偏振化方向讓它通過兩個偏振化方向成成 角的平行放置的偏振片角的平行放置的偏振片,求透過第二個偏振片的光強求透過第二個偏振片的光強.0I060解：自然光通過第一

18、個偏振片后成為線偏振光解：自然光通過第一個偏振片后成為線偏振光,其光強為其光強為 應(yīng)為入射自然光的一半應(yīng)為入射自然光的一半,即即:20II I根據(jù)馬呂斯定律根據(jù)馬呂斯定律,透過第二個偏振片的光強為透過第二個偏振片的光強為860cos2cos00202IIII例例 題題（3）尼科爾棱鏡）尼科爾棱鏡用人工方法制作的可以產(chǎn)生線偏振光的透鏡。用人工方法制作的可以產(chǎn)生線偏振光的透鏡。光軸法線加拿大樹膠ABCDeo為主截面平面ABCD 尼科爾棱鏡是利用光的尼科爾棱鏡是利用光的全全反射原理與晶體的雙折射現(xiàn)象反射原理與晶體的雙折射現(xiàn)象制成的一種偏振儀器。制成的一種偏振儀器。 o光在臨界面入射角超過臨界角度，所以發(fā)生全反射，而光在臨界面入射角超過臨界角度，所以發(fā)生全反射，而e光光射到樹脂上不發(fā)生全反