第15章+波動(dòng)光學(xué)3-偏振

15.10光的偏振性馬呂斯定律

光的干涉和衍射現(xiàn)象表明光是一種波動(dòng)，光的偏振現(xiàn)象清楚地顯示光的橫波性，這一點(diǎn)是和光的電磁理論完全一致的?；蛘哒f(shuō)，這也是光的電磁理論的一個(gè)有力的證明?？v波：振動(dòng)方向和波的傳播方向相同的波；橫波：振動(dòng)方向和波的傳播方向垂直的波。只有橫波才具有偏振現(xiàn)象，它是區(qū)別于縱波的最顯著的特性。光的橫波特性:光的偏振現(xiàn)象，說(shuō)明光是橫波。即光矢量的振動(dòng)方向恒與光的傳播方向垂直。常見(jiàn)的偏振態(tài)有：自然光、線偏振光、部分偏振光、橢圓偏振光和圓偏振光（15.13節(jié)）光的偏振態(tài)：在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光矢量的各種不同的振動(dòng)狀態(tài)。電磁波的能流密度（坡印亭矢量）：15.10.1自然光與偏振光起偏和檢偏光矢量:電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量。（1）線偏振光（

平面偏振光

）：（在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)）光矢量只沿一個(gè)固定方向的振動(dòng)，或振動(dòng)面固定不動(dòng)。振動(dòng)面：光矢量方向和光傳播方向構(gòu)成的平面。振動(dòng)面（在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)）光矢量沿各個(gè)方向的振動(dòng)都有，各光矢量間不存在固定的相位關(guān)系。（2）自然光普通光源發(fā)出的光一般是自然光。因?yàn)椋和粫r(shí)刻有大量的原子發(fā)出大量的偏振波列；原子發(fā)光的持續(xù)時(shí)間極短，在一般觀察時(shí)間內(nèi)，實(shí)際接收到大量的偏振波列（彼此獨(dú)立、無(wú)規(guī)、無(wú)相位關(guān)聯(lián)）。E平均地說(shuō)，光矢量具有軸對(duì)稱的平均分布，且各方向光振動(dòng)的振幅相同。自然光可看成是兩個(gè)振幅相同、振動(dòng)相互垂直的非相干的線偏振光的疊加。若自然光的強(qiáng)度為I0，由非相干疊加，得：（3）部分偏振光：（在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)）光矢量沿各個(gè)方向的振動(dòng)都有，各光矢量間不存在固定的相位關(guān)系。但它們的振幅不等。部分偏振光可以看作是自然光和線偏振光的合成。E*（5）橢圓偏振光：光矢量方向以ω勻速旋轉(zhuǎn)，大小也發(fā)生變化，光矢量端點(diǎn)的軌跡為橢圓，叫橢圓偏振光。*（4）圓偏振光：光矢量大小恒定，方向以ω勻速旋轉(zhuǎn)，光矢量端點(diǎn)的軌跡是圓。迎著光的傳播方向看，光矢量沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的，稱為右旋圓偏振光，反之為左旋圓偏振光。偏振片：能吸收某一方向的光振動(dòng)，使與之垂直的方向上的光振動(dòng)通過(guò)的一種透明薄片。偏振化方向：偏振片上允許光振動(dòng)通過(guò)的方向。二向色性：有些晶體（或介質(zhì)）對(duì)振動(dòng)方向不同的光矢量具有選擇吸收的性質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)：偏振片薄，面積大，輕便，廉價(jià)，所以應(yīng)用很廣；缺點(diǎn)：使透射的偏振光帶有顏色，且偏振度不等于1。15.10.2偏振片的起偏和檢偏(1)起偏：由自然光產(chǎn)生線偏振光的過(guò)程和方法。(2)檢偏：確定光的偏振態(tài)的過(guò)程和方法。以強(qiáng)度為I0的自然光入射到一偏振片（起偏器），得到的是以它的偏振化方向?yàn)檎駝?dòng)方向、強(qiáng)度為I0/2的線偏振光。線偏振光的檢驗(yàn)：若將偏振片（檢偏器）旋轉(zhuǎn)一周，將會(huì)出現(xiàn)兩次強(qiáng)度極大和兩次消光（全暗）。檢偏偏振光偏振片的用途:自然光起偏偏振光15.10.3馬呂斯定律（振幅為A0）光強(qiáng)為I0的線偏振光，透過(guò)偏振片后，透射光的振幅A

和強(qiáng)度I分別為：是入射線偏振光的振動(dòng)方向與偏振片的偏振化方向之間的夾角。I0IAA0令入射光通過(guò)一檢偏器P，旋轉(zhuǎn)P一周兩次極大，兩次消光(全暗)強(qiáng)度無(wú)變化兩次極大，兩次極小(無(wú)消光)部分偏振光（或橢圓偏振光）自然光（或圓偏振光）線偏振光現(xiàn)象結(jié)論偏振光的檢驗(yàn)P例1：已知自然光通過(guò)兩個(gè)偏振化方向相交60°的偏振片，透射光強(qiáng)為I1，今在這兩偏振片之間再插入另一偏振片，它的偏振化方向與前兩個(gè)偏振片的偏振化方向均夾30°角，則透射光強(qiáng)為多少？解：例2：一束光由自然光和線偏振光混合組成，當(dāng)它通過(guò)一偏振片時(shí)，發(fā)現(xiàn)透射光的強(qiáng)度隨偏振片的轉(zhuǎn)動(dòng)最大值是最小值的5倍。求入射光中自然光和線偏振光的強(qiáng)度所占的比例？解：設(shè)自然光的強(qiáng)度為In，線偏振光的強(qiáng)度為IpP233例15-111、布儒斯特定律15.11

反射和折射時(shí)光的偏振

布儒斯特定律自然光線偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光自然光反射光的偏振化程度與入射角有關(guān)，當(dāng)入射角等于i0時(shí)，反射光為線偏振光。i0滿足i0

:布儒斯特角（起偏角）布儒斯特定律：當(dāng)自然光以布儒斯特角入射到兩不同介質(zhì)的表面，其反射光為線偏振光，光振動(dòng)垂直于入射面。布儒斯特角：例：因：2、玻片堆對(duì)于一般的光學(xué)玻璃，以布儒斯特角入射時(shí)，平行分量全部透過(guò);常用玻片堆來(lái)增強(qiáng)反射線偏振光的強(qiáng)度和折射光的偏振度。玻片堆:反射光是線偏振光，折射光接近線偏振光。線偏振光線偏振光n1n2n1n2n1自然光垂直分量也有85%透過(guò)，只有15%反射。所以靠自然光在一塊玻璃片上的反射來(lái)獲得偏振光，強(qiáng)度太弱。畫出下列各種情況下的反射光和折射光的振動(dòng)方向。應(yīng)用:司機(jī)戴上偏振太陽(yáng)鏡,可以濾去大部分的反射光鏡頭不加偏振濾片的拍攝效果鏡頭增加偏振濾片的拍攝效果（3）測(cè)不透明介質(zhì)的折射率。（2）制作偏振攝像鏡頭、太陽(yáng)鏡等光學(xué)器件。（4）激光器的布氏窗。（1）立體電影、車窗等的制作。15.12光的雙折射現(xiàn)象在各向同性介質(zhì)（如玻璃、水）中，一束光由一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，只有一束折射光。但在晶體（各向異性）中，折射光有可能為兩束。這種現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象。如將方解石晶體放在有字的紙面上，可以看到晶體下的字呈雙像。1、雙折射現(xiàn)象非常光線（e光）：一般不遵守通常折射定律的光線。e光o光尋常光線（o光）：恒遵守通常折射定律的光線。o光光線在入射面內(nèi)，有是晶體對(duì)o光的折射率,是個(gè)常數(shù)一般e光不在入射面內(nèi)，也不是常數(shù)o光e光規(guī)律：兩條折射光線都是線偏振光，且振動(dòng)面相互垂直。2、尋常光線非常光線光軸

在晶體中存在一個(gè)特殊的方向，沿該方向不會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，這一方向稱為“晶體的光軸”。單軸晶體

：只有一個(gè)光軸的晶體（如方解石、石英、紅寶石等）。雙軸晶體：有二個(gè)光軸的晶體（如云母、藍(lán)寶石等）。注：光軸不是一條直線，而是一個(gè)方向。光軸3、晶體的光軸主平面主平面晶體內(nèi)傳播方向與光軸確定的平面o光的振動(dòng)方向垂直于o光的主平面e光的振動(dòng)方向在e光的主平面內(nèi)o光e光在光軸方向：e光的折射率為noo光e光垂直于光軸方向：e光折射射率為ne4、應(yīng)用利用晶體的雙折射可以制成偏振棱鏡和玻片o光、e光都是線偏振光，利用o光和e光的折射規(guī)律的不同，可以將它們分開(kāi),得到很好的線偏振光。

格蘭.湯姆孫棱鏡：玻璃n=1.655方解石o光o光：折射率接近玻璃，光線幾乎不偏折；e光：入射角大于臨界角，發(fā)生全反射。線偏振光膠合劑

n=1.655方解石自然光

作業(yè)：P24535,38,40，42，431、楊氏雙縫干涉（1）干涉加強(qiáng)光程差相位差第15章（光的干涉）小結(jié)k級(jí)暗紋中心位置（3）條紋間距（2）干涉減弱k級(jí)明紋中心位置（4）光強(qiáng)分布3、薄膜的等厚干涉：同一級(jí)干涉條紋對(duì)應(yīng)相同的厚度劈尖：是等間距直條紋，棱邊是k=0級(jí)暗紋干涉相長(zhǎng)干涉相消2、薄膜的等傾干涉：傾角相同的平行光會(huì)聚在同一干涉條紋上。是明暗相間的同心圓環(huán)增透膜反射光干涉加強(qiáng):反射光干涉減弱:增反膜4、邁克耳遜干涉儀：分振幅雙光束干涉，同心圓等傾條紋或等厚平行直條紋。牛頓環(huán)：明暗相間的同心圓，中心是k=0級(jí)暗斑。明環(huán)半徑：暗環(huán)半徑：光的衍射總結(jié)1、惠更斯-菲涅耳原理：波面上各點(diǎn)都可以當(dāng)成子波波源，其后波場(chǎng)中各點(diǎn)波的強(qiáng)度由各子波在該點(diǎn)的相干疊加決定。2、夫瑯禾費(fèi)衍射：（1）單縫衍射：半波帶法分析。單色光垂直入射到縫寬為a的單縫時(shí)，衍射角為的平行衍射線會(huì)聚在透鏡焦平面上，暗紋中心位置（2）圓孔衍射：當(dāng)單色光垂直入射直徑為D的圓孔時(shí)，觀察屏顯示明暗環(huán)狀條紋。半角寬（角半徑）為明紋中心位置中央亮紋的線寬度為3、光學(xué)儀器的分辨率：光學(xué)儀器的入射孔都是圓孔，遠(yuǎn)處發(fā)光點(diǎn)發(fā)的光通過(guò)入射孔成像時(shí)會(huì)因衍射產(chǎn)生衍射斑。由圓孔衍射規(guī)律和瑞利條件，光學(xué)儀器的最小分辨角4、光柵衍射：大量平行透光縫緊密排列構(gòu)成光柵。光柵常數(shù)在黑暗的背景上顯出窄細(xì)明亮的譜線?？p數(shù)越多，譜線越細(xì)越亮。平行單色光垂直入射光柵，譜線位置滿足光柵方程譜線的強(qiáng)度受單縫衍射的調(diào)制，有時(shí)有缺級(jí)現(xiàn)象1、自然光和偏振態(tài)光是橫波。在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光振動(dòng)各方向振幅都相等的光為自然光（各方向光振動(dòng)是不相干的）；只在某一方向有光振動(dòng)的光叫線(平面)偏振光；各方向的光振動(dòng)都有，但振幅不相等的光叫部分偏振光。第15章(光的偏振)復(fù)習(xí)2、由介質(zhì)吸收引起的光的偏振偏振片只允許某一方向的光振動(dòng)通過(guò)（偏振化方向）。馬呂斯定律：3、由反射引起的光的偏振自然光在介質(zhì)表面反射時(shí)，反射光是部分偏振光。當(dāng)入射角滿足下式時(shí)，反射光為光振動(dòng)方向垂直于入射面的線偏振光。布儒斯特定律4、由雙折射引起的光的偏振一束自然光射入某些晶體時(shí)，會(huì)分成兩束。o光(尋常光)：遵守折射定律，折射率不隨入射方向改變e光(非常光)：一般不遵守折射定律，折射率隨入射方向改變。

o光和e光都是線偏振光，且振動(dòng)方向相互垂直。

o光的振動(dòng)方向垂直于o光的主平面，e光的振動(dòng)方向在e光的主平面內(nèi)。P24315-21（1）薄膜內(nèi)的波長(zhǎng)：

（2）相位差：或