偏振光與自然光市公開課一等獎省賽課獲獎?wù)n件

偏振光與自然光偏振光與自然光第1頁立體電影和偏振

在觀看立體電影時,觀眾要戴上一副特制眼鏡，這副眼鏡就是一對透振方向相互垂直偏振片。這么，從銀幕上看到景象才有立體感。假如不戴這副眼鏡看，銀幕上圖像就含糊不清了。這要從人眼看物體說起，人兩只眼睛同時觀察物體，不但能擴(kuò)大視野，而且能判斷物體遠(yuǎn)近，產(chǎn)生立體感。這是因?yàn)槿藘芍谎劬ν瑫r觀察物體時，在視網(wǎng)膜上形成像并不完全相同，左眼看到物體左側(cè)面較多，右眼看到物體右側(cè)面較多，這兩個像經(jīng)過大腦綜合以后就能區(qū)分物體前后、遠(yuǎn)近，從而產(chǎn)生立體視覺。偏振光與自然光第2頁

立體電影是用兩個鏡頭如人眼那樣從兩個不一樣方向同時拍攝下景物像，制成電影膠片。在放映時，經(jīng)過兩個放映機(jī)，把用兩個攝影機(jī)拍下兩組膠片同時放映，使這略有差異兩幅圖像重合在銀幕上。這時假如用眼睛直接觀看，看到畫面是含糊不清，要看到立體電影，就要在每架電影機(jī)前裝一塊偏振片，它作用相當(dāng)于起偏器。從兩架放映機(jī)射出光，經(jīng)過偏振片后，就成了偏振光。左右兩架放映機(jī)前偏振片偏振化方向相互垂直，因而產(chǎn)生兩束偏振光偏振方向也相互垂直。這兩束偏振光投射到銀幕上再反射到觀眾處，偏振光方向不改變。偏振光與自然光第3頁觀眾用上述偏振眼鏡觀看，每只眼睛只看到對應(yīng)偏振光圖象，即左眼只能看到左機(jī)映出畫面，右眼只能看到右機(jī)映出畫面，這么就會像直接觀看那樣產(chǎn)生立體感覺。這就是立體電影原理。當(dāng)然，實(shí)際放映立體電影是用一個鏡頭，兩套圖象交替地印在同一電影膠片上，還需要一套復(fù)雜裝置。這里就不包括了。偏振光與自然光第4頁

2）化工、制藥：利用振動面旋轉(zhuǎn)（旋光效應(yīng)），測量溶液濃度；3）地質(zhì)、生物、醫(yī)學(xué)：廣泛使用偏振光干涉儀、偏振光顯微鏡；

還有立體電影拍攝與放映4）

航海、航空：使用偏光天文羅盤；偏振光有廣泛應(yīng)用：1）機(jī)械工業(yè)：利用偏振光干涉分析機(jī)件內(nèi)部應(yīng)力分布——光測彈性力學(xué)；偏振光與自然光第5頁第一節(jié)偏振光概述光干涉和衍射現(xiàn)象：光波動性光偏振和在光學(xué)各向異性晶體中雙折射現(xiàn)象：光橫波性一、偏振光和自然光對于平面電磁波，電場強(qiáng)度矢量——光矢量振動方向與傳輸方向垂直。光矢量振動方向總是與光傳輸方向垂直，即光矢量橫向振動狀態(tài)，相對于傳輸方向不含有對稱性，這種光矢量振動相對于傳輸方向不對稱性，稱為光偏振性。偏振光與自然光第6頁橫波和縱波區(qū)分——偏振縱波：振動方向與傳輸方向一致，不存在偏振問題；橫波：振動方向與傳輸方向垂直，存在偏振問題。最常見偏振光有五種:自然光、線偏振光、部分偏振光、橢圓偏振光和圓偏振光。偏振光與自然光第7頁XY（1）自然光：普通光源發(fā)出光、陽光都是自然光。因?yàn)樵影l(fā)光間歇性和無規(guī)則性，使得普通光源發(fā)出光光矢量在垂直于傳輸方向平面內(nèi)以極快速度取0～360°內(nèi)一切可能方向，且沒有哪一個方向占有優(yōu)勢。含有上述特征光，稱為自然光。各個方向上光振動振幅相同光，稱為自然光。自然光表示法：用兩個獨(dú)立(無確定相位關(guān)系)、相互垂直等幅振動來表示。圖中，圓點(diǎn)表示垂直于紙面振動，短線表示平行于紙面振動。偏振光與自然光第8頁特點(diǎn)：在全部可能方向上，光矢量振幅都相等；...xy自然光可分解為振動方向相互垂直但取向任意兩個線偏振光，它們振幅相等，沒有確定相位關(guān)系，各占總光強(qiáng)二分之一。自然光表示方法：圓點(diǎn)與短線等距離地交織、均勻地畫出。偏振光與自然光第9頁沒有優(yōu)勢方向自然光分解一束自然光可分解為兩束振動方向相互垂直、等幅、不相干線偏振光。Ex和Ey無固定關(guān)系:它們是彼此獨(dú)立振動總光強(qiáng)——非相干疊加偏振光與自然光第10頁（2）線偏振光將自然光中兩個相互垂直等幅振動之一完全移去得到光，稱為完全偏振光。EEyEx

yx·····光振動垂直紙面光振動平行紙面定義：在垂直于傳輸方向平面內(nèi)，光矢量只沿某一個固定方向振動，則稱為線偏振光，又稱為平面偏振光或完全偏振光。線偏振光也能夠用傳輸方向相同、相位相同或相差、振動相互垂直兩列光波疊加描述。偏振光與自然光第11頁偏振光與自然光第12頁（3）部分偏振光彼此無固定相位關(guān)系、振動方向任意、不一樣方向上振幅不一樣大量光振動組合,稱部分偏振光，它介于自然光與線偏振光之間。部分偏振光兩垂直方向光振動之間無固定相位差。部分偏振光在垂直于光傳輸方向平面內(nèi)沿各方向振動光矢量都有，但振幅不對稱，在某一方向振動較強(qiáng)，而與它垂直方向上振動較弱。偏振光與自然光第13頁部分偏振光分解部分偏振光部分偏振光可分解為兩束振動方向相互垂直、不等幅、不相干線偏振光平行于紙面光振動平均值大于垂直于紙面光振動平均值。垂直于紙面光振動平均值大于平行于紙面光振動平均值。偏振光與自然光第14頁（4）橢圓偏振光和圓偏振光

光矢量在垂直于光傳輸方向平面內(nèi)，按一定頻率旋轉(zhuǎn)(左旋或右旋)。假如光矢量端點(diǎn)軌跡是一個橢圓，這種光叫做橢圓偏振光。假如光矢量端點(diǎn)軌跡是一個圓，這種光叫做圓偏振光，如圖所表示。這相當(dāng)于兩個相互垂直有確定相位關(guān)系振動合成。

xyxy偏振光與自然光第15頁右旋圓偏振光右旋橢圓偏振光要求：迎著光線看（對著光傳輸方向），光矢量順時針轉(zhuǎn)稱右旋圓偏振光（或橢圓偏振光）；光矢量逆時針轉(zhuǎn)稱左旋圓偏振光（或橢圓偏振光）。偏振光與自然光第16頁

偏振度It

—部分偏振光總強(qiáng)度In

—部分偏振光中包含自然光強(qiáng)度Ip—部分偏振光中包含完全偏振光強(qiáng)度完全偏振光(線、圓、橢圓)P=1自然光(非偏振光)P=0部分偏振光0<P<1偏振度另一個表示：偏振光與自然光第17頁例：經(jīng)過偏振光觀察一束部分偏振光。當(dāng)偏振光由對應(yīng)投射光強(qiáng)最大位置轉(zhuǎn)過60°時，其光強(qiáng)減為二分之一。試求這束部分偏振光中自然光和線偏振光強(qiáng)度之比以及光束偏振度。解：部分偏振光相當(dāng)于自然光和線偏振光疊加，設(shè)自然光強(qiáng)度為In，線偏振光強(qiáng)度為IP，則不分偏振光強(qiáng)度為In+IP。當(dāng)偏振光處于使透射光強(qiáng)度最大位置時，經(jīng)過偏振片線偏振光強(qiáng)度仍為IP，而自然光強(qiáng)度為In/2，即透過總光強(qiáng)為IP+In/2。偏振片轉(zhuǎn)過60°后，透射光強(qiáng)度變?yōu)椋阂罁?jù)題意：整理后得：偏振光與自然光第18頁這說明入射部分偏振光相當(dāng)于強(qiáng)度相等自然光和線偏振光疊加。該束光最大光強(qiáng)：最小光強(qiáng)：由此能夠求出偏振度：偏振光與自然光第19頁由反射與折射產(chǎn)生偏振光由二向色性產(chǎn)生偏振光由雙折射產(chǎn)生偏振光二、取得偏振光方法偏振光與自然光第20頁（1）由反射與折射產(chǎn)生偏振光自然光在兩種各向同性介質(zhì)分界面上反射和折射時，不但光傳輸方向要改變，而且光偏振狀態(tài)也要改變，所以反射光和折射光都是部分偏振光。在普通情況下，反射光是以垂直于入射面光振動為主部分偏振光；折射光是以平行于入射面光振動為主部分偏振光。偏振光與自然光第21頁n2n1a、反射光中垂直振動強(qiáng)于平行振動；b、折射光中平行振動強(qiáng)于垂直振動；c、反射光折射光偏振化程度隨入射角不一樣而不一樣。這里所說“垂直”和“平行”是對入射面而言。偏振光與自然光第22頁反射光偏振化程度與入射角相關(guān)。18，布儒斯特由試驗(yàn)證實(shí)：若光從折射率為n1介質(zhì)射向折射率為n2介質(zhì)，當(dāng)入射角滿足這試驗(yàn)規(guī)律可用電磁場理論菲涅耳公式解釋。時，反射光中就只有垂直于入射面光振動，而沒有平行于入射面光振動，這時反射光為線偏振光，而折射光仍為部分偏振光。這就是Brewster定律。其中i0叫做起偏角或布儒斯特角。布儒斯特定律偏振光與自然光第23頁

note：i0

—稱為布儒斯特角或起偏角折射光仍為部分偏振光

入射角為i0

，

反射光線垂直折射光線

n2n1偏振光與自然光第24頁理論試驗(yàn)表明：反射所取得線偏光僅占入射自然光總能量7.4%，而約占85%垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。能夠利用玻璃片來取得線偏振光，只用一片玻璃缺點(diǎn)：（1）以布儒斯特角入射時，反射光雖為線偏振光，但強(qiáng)度太小（2）透射光強(qiáng)度雖大，但偏振度太小為處理這個矛盾，讓光經(jīng)過由多片玻璃疊合而成傾斜片堆，并使入射角等于布儒斯特角，經(jīng)過屢次反射和折射，既能取得較高偏振度，光強(qiáng)度也比較大。偏振光與自然光第25頁偏振光與自然光第26頁（2）由二向色性產(chǎn)生偏振光二向色性是指有些各向異性晶體對于光吸收本事除了隨波長改變外，還隨光矢量相對于晶體方位而改變，即對不一樣方向偏振光有不一樣吸收系數(shù)?！し瞧窆饩€偏振光光軸電氣石晶片··例：當(dāng)振動方向相互垂直兩束線偏振白光經(jīng)過晶體后展現(xiàn)出不一樣顏色。天然晶體中，電氣石含有很強(qiáng)二向色性。偏振光與自然光第27頁一些各向同性介質(zhì)在受到外界作用時也會產(chǎn)生各向異性，并含有二向色性。利用該特征獲取偏振光器件叫做人造偏振片。聚乙烯醇薄膜碘溶液拉伸、烘干聚乙烯醇薄膜氯化氫中加熱脫水H偏振片K偏振片極強(qiáng)二向色性，光化學(xué)性穩(wěn)定，強(qiáng)光照射不會褪色，但膜片略變黑，透明度低偏振度高，透明度低，對各色可見光有選擇吸收，可做得薄而大，價廉，廣泛應(yīng)用偏振光與自然光第28頁（3）雙折射晶體產(chǎn)生線偏振光在雙折射晶體中內(nèi)，自然光波被分解成光矢量相互正交線偏振光傳輸，把其中一束光攔掉，便得到線偏振光。偏振光與自然光第29頁1、基本概念普通光源發(fā)出是自然光，用于從自然光中取得偏振光器件稱為起偏器人眼睛不能區(qū)分自然光與偏振光，用于判別光偏振狀態(tài)器件稱為檢偏器2、偏振片是一個人工膜片，對不一樣方向光振動有選擇吸收性能，從而使膜片中有一個特殊方向，當(dāng)一束自然光射到膜片上時，與此方向垂直光振動分量完全被吸收，只讓平行于該方向光振動分量經(jīng)過，即只允許沿某一特定方向光經(jīng)過光學(xué)器件，叫做偏振片。這個特定方向叫做偏振片偏振化方向，用“”表示。三、馬呂斯定律和消光比偏振光與自然光第30頁偏振片既可用作起偏器，又可用作檢偏器。偏振片自然光Io線偏振光從自然光取得偏振光過程——起偏偏振片（利用晶體二向色性）是一個慣用起偏器偏振光與自然光第31頁???3、起偏器自然光經(jīng)過偏振片后成為線偏振光，線偏振光振動方向與偏振片偏振化方向一致。4、檢偏器用來檢驗(yàn)?zāi)骋皇馐欠衿窆?。方法：轉(zhuǎn)動偏振片，觀察透射光強(qiáng)度改變。自然光：透射光強(qiáng)度不發(fā)生改變偏振光與自然光第32頁偏振光：透射光強(qiáng)度發(fā)生改變??????部分偏振光：偏振光經(jīng)過偏振片后，在轉(zhuǎn)動偏振片過程中，透射光強(qiáng)度發(fā)生改變。偏振光與自然光第33頁馬呂斯(EtienneLouisMalus1775-1812)法國物理學(xué)家及軍事工程師。出生于巴黎18發(fā)覺反射光偏振，確定了偏振光強(qiáng)度改變規(guī)律18被選為巴黎科學(xué)院院士，曾取得過倫敦皇家學(xué)會獎?wù)?8，他發(fā)覺折射光偏振5、馬呂斯定律偏振光與自然光第34頁馬呂斯定律內(nèi)容強(qiáng)度為I0偏振光，經(jīng)過檢偏器后，透射光強(qiáng)度為：

I=I0cos2α其中α為檢偏器偏振化方向與入射偏振光偏振化方向之間夾角。AII0自然光I0I0/2光電接收器偏振光與自然光第35頁相對轉(zhuǎn)動時，透射光強(qiáng)隨兩偏振片透光軸夾角而改變透光軸：允許透過電矢量方向稱為偏振片透光軸Io為兩透光軸平行時透射光強(qiáng)

I=Iocos2

當(dāng)它們透光軸相互垂直時，透射光強(qiáng)應(yīng)為零。當(dāng)夾角為其它值時，透射光強(qiáng)由下式?jīng)Q定：偏振光與自然光第36頁檢偏器相對被測偏振器轉(zhuǎn)動時最小透射光強(qiáng)與最大透射光強(qiáng)之比，稱為被測偏振器消光比，消光比越小，偏振器件質(zhì)量就越高。（人造偏振片消光比約為0.001）偏振光與自然光第37頁α為線偏光光振動方向ON與檢偏器透振方向OM間夾角。??????一束光強(qiáng)為I0自然光透過檢偏器，透射光強(qiáng)為I0/2解釋I=I0cos2α偏振光與自然光第38頁討論當(dāng)檢偏器以入射光為軸轉(zhuǎn)動時，透射光強(qiáng)度將有改變起偏器與檢偏器偏振化方向平行時：α=0或α=π，I=I0，透射光強(qiáng)度最大起偏器與檢偏器偏振化方向垂直時：α=π/2或α=3π/2，I=0，透射光強(qiáng)度最小α為其它角度時，透射光強(qiáng)度介于0～I(xiàn)0之間。馬呂斯定律是對偏振光無吸收而言，對于自然光并不成立。若是自然光I0，經(jīng)過偏振片后，I＝I0