大學(xué)物理第15章光的偏振

大學(xué)物理學(xué)第15章光的偏振光的偏振態(tài)—光矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)的振動(dòng)狀態(tài)。最常見(jiàn)的偏振光有五種:自然光、部分偏振光、線偏振光、*橢圓偏振光和圓偏振光。EH光的傳播方向

光波是橫(電磁)波。光波中光矢量(電場(chǎng))的振動(dòng)方向與光的傳播方向垂直?！?5.1光的偏振態(tài)自然光自然光的表示法：用兩個(gè)獨(dú)立的(無(wú)確定相位關(guān)系)、相互垂直的等幅振動(dòng)來(lái)表示。

圓點(diǎn)表示垂直于紙面的振動(dòng),短線表示平行于紙面的振動(dòng)。由于原子發(fā)光的間歇性和無(wú)規(guī)則性，使得普通光源發(fā)出的光的光矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)在各方向上的分布是對(duì)稱且均勻的，各方向光振動(dòng)的振幅相等。具有上述特性的光，稱為自然光。部分偏振光的表示：用數(shù)目不等的圓點(diǎn)和短線表示。部分偏振光定義：光振動(dòng)在垂直于其傳播方向的平面內(nèi)各方向都有，但它們的振幅不等。部分偏振光線偏振光線偏振光：光矢量在一個(gè)固定平面內(nèi)只沿一個(gè)固定方向振動(dòng)，這種光稱為線偏振光，又稱為平面偏振光或完全偏振光。振動(dòng)面：光矢量的振動(dòng)方向和光的傳播方向構(gòu)成的平面稱為振動(dòng)面。線偏振光的表示：用短線或圓點(diǎn)表示。橢圓偏振光和圓偏振光如果光矢量的端點(diǎn)軌跡是一個(gè)橢圓，這種光叫做橢圓偏振光。如果光矢量端點(diǎn)軌跡是一個(gè)圓，這種光叫做圓偏振光。左旋j2-j1=-p/2xyxy右旋2-1=/2§15.2偏振片馬呂斯定律起偏和檢偏偏振片馬呂斯定律一.起偏和檢偏獲得線偏振光的過(guò)程稱為起偏，所使用的器件稱為起偏器。檢驗(yàn)?zāi)彻馐欠駷榫€偏振光的過(guò)程稱為檢偏，所使用的器件稱為檢偏器。二.偏振片的起偏和檢偏偏振化方向：允許通過(guò)的光振動(dòng)方向。常用箭頭“”表示。偏振片自然光Io線偏振光

偏振片的構(gòu)造:

將硫酸碘金雞鈉霜晶粒定向排列并蒸鍍?cè)谕该骰?，就制成偏振片?/p>

偏振片的特性:

能吸收某一方向的光振動(dòng)而僅讓與此方向垂直的光振動(dòng)通過(guò)。偏振片的起偏：偏振片的檢偏：光強(qiáng)無(wú)變化的是自然光;若以光傳播方向?yàn)檩S,慢慢旋轉(zhuǎn)檢偏片，觀察透過(guò)偏振片的光,光強(qiáng)有變化,但最小值不為零的是部分偏振光;光強(qiáng)有變化,但最小值為零(消光)的是線偏振光。I=(Eocos)2=Iocos2

EoIo=Eo2Eocos

I=Iocos2

式中：是入射線偏振光的光振動(dòng)方向和偏振片偏振化方向之間的夾角。證明：三.馬呂斯定律強(qiáng)度為Io的線偏振光，透過(guò)檢偏片后的光強(qiáng)(不考慮吸收)為解

由解得：=45°(or135)。自然光Io例題

自然光連續(xù)通過(guò)兩個(gè)偏振片后，透射光強(qiáng)為入射光強(qiáng)的四分之一，求兩個(gè)偏振片偏振化方向之間的夾角

。透射光強(qiáng):可見(jiàn)最大透射光強(qiáng)為ABC自然光Io例題

強(qiáng)度為Io自然光連續(xù)通過(guò)三個(gè)偏振片A、B、C，AC，求最大透射光強(qiáng)。解設(shè)A、B偏振化方向間的夾角為,有解設(shè)入射光中自然光的光強(qiáng)為I1，線偏振光的光強(qiáng)為I2，則透射光強(qiáng)即入射光中自然光和線偏振光的光強(qiáng)之比為1:2。例題

一束光是自然光和線偏振光的混合。通過(guò)一偏振片后，測(cè)得最大透射光強(qiáng)是最小透射光強(qiáng)的5倍，求入射光中自然光和線偏振光的光強(qiáng)之比?！?5.3反射和折射時(shí)光的偏振由反射獲得偏振光布儒斯特定律由折射獲得偏振光一般情況下,反射光和折射光都是部分偏振光：在反射光中,垂直振動(dòng)多于平行振動(dòng);在折射光中,平行振動(dòng)多于垂直振動(dòng)。這里所說(shuō)的“垂直”和“平行”是對(duì)入射面而言的。n1n2一.由反射獲得偏振光i實(shí)驗(yàn)證明,此時(shí)入射角io和折射角r之和恰90(反射光線折射光線)，即

io+r=90布儒斯特定律n1n2rio1812年，布儒斯特由實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)入射角是某一個(gè)特定角io時(shí),反射光成為只有垂直振動(dòng)的線偏振光。角io稱為布儒斯特角(或起偏角)。所以：n1n2rioio+r=90布儒斯特定律布儒斯特角與全反射臨界角的區(qū)別全反射：入射角ii臨都是全反射。由于故只有n1>n2才會(huì)發(fā)生全反射。n1n2rio布儒斯特角：當(dāng)且僅當(dāng)時(shí)，反射光才是線偏振光。且n1>n2或n1<n2都可以。例題

(1)平行光以60o的入射角由空氣射向一平板玻璃，發(fā)現(xiàn)反射光是完全偏振光,則折射光的折射角為。玻璃的折射率為。

(2)某透明媒質(zhì)對(duì)空氣全反射的臨界角為45o,則光從空氣射向該媒質(zhì)時(shí)的布儒斯特角為。因io+r=90o，所以折射角r=30o。又所以io

=tg-154.7o30o以布儒斯特角入射獲得的反射線偏振光，其垂直振動(dòng)分量只占入射光垂直分量的小部分（如15%）。反射光改變了原入射光的方向，使用不方便。二.由折射獲得偏振光反射偏振光的缺點(diǎn)由玻璃片堆獲得折射偏振光玻璃片堆線偏振光入射自然光§15.4光在晶體中的雙折射雙折射現(xiàn)象o光和e光光軸、主截面和主平面關(guān)于雙折射的解釋光學(xué)各向同性媒質(zhì)：如玻璃、水等，光沿各個(gè)方向的傳播速度相同。光學(xué)各向異性媒質(zhì)：如方解石、石英等，光沿不同方向傳播時(shí)速率不同。

晶體中的雙折射現(xiàn)象方解石雙折射現(xiàn)象：光線進(jìn)入光學(xué)各向異性媒質(zhì)(如方解石)后產(chǎn)生兩條折射光線的現(xiàn)象，稱為雙折射現(xiàn)象。一.雙折射現(xiàn)象兩條折射光線中有一條遵守通常的折射定律(n1sini=n2sinr,折射光線在入射面內(nèi))，這條光線稱為尋常光線(ordinaryrays)，簡(jiǎn)稱o光。另一條光線不遵守通常的折射定律,它不一定在入射面內(nèi)，這條光線稱為非常光線(extraordinaryrays)，簡(jiǎn)稱e光。

晶體中的雙折射現(xiàn)象方解石二.o光和e光方解石oeoe方解石o光和e光都是線偏振光,振動(dòng)方向相互垂直。方解石oeoe方解石產(chǎn)生雙折射的原因:o光和e光的傳播速度不同。

o光在晶體中各個(gè)方向的傳播速度相同，折射率no=c/o=恒量。

e光在晶體中的傳播速度e隨方向變化，因而折射率ne=c/e是變量，隨方向變化。

由于o光和e光的折射率不同，故產(chǎn)生雙折射。產(chǎn)生雙折射原因的簡(jiǎn)單解釋三.光軸主截面主平面

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：有兩個(gè)光軸的晶體，如云母、硫磺、藍(lán)寶石等。102o方解石

光軸光軸：在晶體內(nèi)部存在的不發(fā)生雙折射的方向。應(yīng)該注意,光軸僅標(biāo)志一定的方向,并不限于某一特殊的直線。主截面：由光軸與該晶面的法線所組成的平面。當(dāng)光線在晶體的主截面內(nèi)入射時(shí),主截面、o光和e光的主平面均重合。我們主要討論這種情況。o光的光振動(dòng)方向垂直于自己的主平面;e光的光振動(dòng)方向平行于自己的主平面。

o光和e光的光振動(dòng)方向是相互垂直的。no=1.658,ne=1.486方解石的主截面oe主平面：某光線的傳播方向和光軸方向所組成的平面。四.惠更斯原理研究雙折射現(xiàn)象1.o光在各個(gè)方向的傳播速度相同，子波面應(yīng)為球面。e光的傳播速度隨方向變化，但可以證明子波面為旋轉(zhuǎn)橢球面。2.o光和e光在光軸方向傳播速度相同，故子波面在光軸方向相切；實(shí)驗(yàn)表明，在垂直于光軸的方向上速度相差最大。3.對(duì)負(fù)晶體(如方解石)，在垂直于光軸的方向上,o<e,no>ne,故e光的子波面(旋轉(zhuǎn)橢球面)應(yīng)包圍o光的子波面(球面)?；莞棺鲌D法原理當(dāng)次波波面?zhèn)鞯絾屋S晶體后，波面上的每一小面元都可以看作次波波源，分別發(fā)出兩種次波；其中一種次波的波面是球面，另一種是旋轉(zhuǎn)橢球面（它們?cè)诠廨S方向相切），所有球面和旋轉(zhuǎn)橢球面次波源中心和次波波面與包絡(luò)面切點(diǎn)的連線是相應(yīng)的光線傳播方向。AVeVo

光軸方解石(負(fù)晶體)的子波波陣面O光波面e光波面(1)光線斜入射，光軸與晶面斜交晶面方解石eeoo(2)光線垂直入射，光軸與晶面平行晶面方解石ooee五.尼科耳棱鏡ACfg10278no