普通物理學(xué)下第二十章

普通物理學(xué)下第二十章第1頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1.自然光每一分子（原子）發(fā)光是隨機(jī)的、無(wú)規(guī)律的。①振動(dòng)面取各方向的幾率相等，②各波列間無(wú)相位關(guān)系。自然光等效看作兩個(gè)相互垂直的光振動(dòng)。①兩個(gè)光振動(dòng)具有相等的振幅（強(qiáng)度），②兩個(gè)光振動(dòng)無(wú)固定相位關(guān)系，兩個(gè)光振動(dòng)具有自然光總能量的一半。xyz“∣”：平行振動(dòng)分量（

p分量）“

?

”：垂直振動(dòng)分量（

s分量）▲自然光的表示法二.光的五種偏振狀態(tài)第2頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

在垂直于光傳播方向的平面上，含有各種振動(dòng)方向的光矢量，但光振動(dòng)在某一方向更顯著2.部分偏振光垂直紙面的振動(dòng)較強(qiáng)在紙面內(nèi)的振動(dòng)較強(qiáng)部分偏振光的分解部分偏振光

部分偏振光可分解為兩束振動(dòng)方向相互垂直的、不等幅的、不相干的光振動(dòng)?！糠制窆獾谋硎痉ǖ?頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五光矢量只沿著一個(gè)確定的方向振動(dòng)，其大小隨相位變化、方向不變3.線偏振光振動(dòng)方向在紙面內(nèi)振動(dòng)方向垂直紙面E播傳方向振動(dòng)面·面對(duì)光的傳播方向看▲線偏振光表示法第4頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五4.圓偏振光,橢圓偏振光

若光矢量E隨時(shí)間勻速旋轉(zhuǎn)，光矢量E的末端在垂直于傳播方向的平面上軌跡是圓形或橢圓（其大小、方向隨時(shí)間有規(guī)律的變化）右旋圓偏振光右旋橢圓偏振光y

yx

z傳播方向

/2x某時(shí)刻右旋圓偏振光E隨z的變化E0線、圓和橢圓偏振光均稱為完全偏振光。第5頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五右旋左旋圓（橢圓）偏振光可看成兩個(gè)同頻率、振動(dòng)方向相互垂直、有固定相位差的線偏振光的合成。⑴圓偏振和自然光、橢圓偏振光和部分偏振光的區(qū)別在于：圓偏振光和橢圓偏振光相互垂直的兩線偏振光是相位相關(guān)的；⑵橢圓偏振光沿長(zhǎng)、短軸分解時(shí)，兩振動(dòng)相位差為±π/2；而圓偏振光沿任意相互垂直方向分解時(shí)，兩振動(dòng)相位差都是±π

/2。第6頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

圓和橢圓偏振光可看成是兩束頻率相同、傳播方向一致、振動(dòng)方向相互垂直、相位差為某個(gè)確定值的線偏振光的合成。相位差/2或3/2

yx橢圓偏振光x，y振幅相同，相位差/2或3/2x

y圓偏振光第7頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五三.線偏振光的獲得(1).由二向色性物質(zhì)的選擇吸收產(chǎn)生;(偏振片)(2).由反射和折射產(chǎn)生;(玻璃堆)由自然光獲得線偏振光的方法·自然光線偏振光光軸電氣石晶片··············i0(接近線偏振光)··················第8頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五(3).由晶體的雙折射產(chǎn)生.(尼科耳棱鏡)第9頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五20.2偏振片馬呂斯定律一.偏振片起偏與檢偏1.偏振片

利用某種光學(xué)的不對(duì)稱性，只讓某一特定方向光振動(dòng)通過(guò)的透明薄片。偏振化方向（透光軸）只允許沿著透光軸方向的光通過(guò).I0I第10頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.起偏自然光通過(guò)偏振片后變?yōu)榫€偏振光P

偏振化方向（透光軸）···自然光I0線偏振光I單色自然光經(jīng)過(guò)起偏器（偏振片），光強(qiáng)為原來(lái)光強(qiáng)的1/2第11頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五旋轉(zhuǎn)1.若明暗(亮度)不變自然光;2.最亮全暗(消光)最亮線偏振光;3.最亮暗最亮部分偏振光.觀察透射光:3.檢偏利用偏振片檢驗(yàn)光線的偏振化程度第12頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五二.馬呂斯定律線偏振光入射A0A1A2OP:透光軸;OM:入射光矢量的振動(dòng)方向;平行于透光軸的分量A1將透過(guò)偏振片;垂直于透光軸的分量A2不能透過(guò)偏振片.:光矢量與透光軸間的夾角.OPNMI0IP第13頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五光強(qiáng)與振幅的平方成正比.——消光——馬呂斯定律（1809）第14頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五例1.強(qiáng)度為I0的線偏振光,入射于檢偏器,若要求透射光的強(qiáng)度I=I0/4,問(wèn)檢偏器的透光軸與線偏振光振動(dòng)面之間夾角為多少?解:由馬呂斯定理,得第15頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五例2.有兩偏振片,分別作為起偏器和檢偏器,它們的透光軸之間夾角1=30時(shí)觀測(cè)一束單色自然光,在2=60時(shí)觀察另一束單色自然光.如果兩次透射光的光強(qiáng)相等,則兩束單色自然光強(qiáng)度之比為多少?解:單色自然光經(jīng)過(guò)起偏器,光強(qiáng)為原來(lái)光強(qiáng)的1/2.設(shè)兩束單色自然光的強(qiáng)度分別為I1,I2,則第16頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五例3.一束光強(qiáng)I0的單色自然光射到一偏振片上,其后放置一透光軸之間夾角1=60的偏振片,在兩偏振片間放入另一偏振片,透光軸真好平分前兩者的透光軸之間夾角,求出射光強(qiáng)度為多少?解:單色自然光經(jīng)過(guò)起偏器,光強(qiáng)為原來(lái)光強(qiáng)的1/2.I2I0···PI1PPI第17頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五例4.一束光是自然光和線偏振光的混合光,讓它垂直通過(guò)一偏振片,若以此入射光束為軸旋轉(zhuǎn)偏振片,測(cè)得透射光強(qiáng)最大值是最小值的5倍,求入射光束中自然光與線偏振光的光強(qiáng)比值?解:設(shè)入射自然光光強(qiáng)為I0,入射線偏振光光強(qiáng)為I1則線偏振光的振動(dòng)方向與偏振方向平行時(shí)則線偏振光的振動(dòng)方向與偏振方向垂直時(shí)第18頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五討論：

一光束由線偏振光和自然光組合而成，當(dāng)它通過(guò)一偏振片時(shí)，偏振片由對(duì)應(yīng)透射最強(qiáng)光強(qiáng)位置轉(zhuǎn)過(guò)/4時(shí)，透射光束強(qiáng)度減為三分之二，求入射光束中這兩個(gè)成分的相對(duì)強(qiáng)度。？？？？×第19頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五★注意:1.自然光;2.多偏振片;逐片計(jì)算，角度3.混合光.(線偏振光與自然光)×第20頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五20.3反射光和折射光的偏振一.反射產(chǎn)生偏振1.現(xiàn)象自然光在兩各向同性媒介分界面上反射和折射時(shí)，反、折射光均成為部分偏振光第21頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五in1n2ir空氣玻璃2.特點(diǎn)

自然光的振動(dòng)可分解為兩個(gè)振幅相等的分振動(dòng)其一和入射面(紙面)垂直另一和入射面(紙面)平行——垂直振動(dòng)(s分量)——平行振動(dòng)(p分量)反射光中垂直振動(dòng)多于平行振動(dòng);折射光中平行振動(dòng)多于垂直振動(dòng).第22頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五i0n1n2i0r0空氣玻璃二.布儒斯特定律由折射定律得反射光線與折射光線垂直第23頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五當(dāng)入射角滿足時(shí)，反射光只有垂直于入射面的光振動(dòng)，而沒(méi)有平行于入射面的光振動(dòng)。i0

——起偏角或布儒斯特角反射光是完全偏振光（僅為垂直振動(dòng)）折射光是部分偏振光（平行振動(dòng)多于垂直振動(dòng)）▲外腔式激光管加裝布儒斯特窗減少反射損失?！0···········i0i0·激光輸出布儒斯特窗M1M2·i0第24頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

為了提高反射光的光強(qiáng),及提高折射光的偏振化程度.三.玻璃堆············i0··················(接近線偏振光)當(dāng)i=i0時(shí)自然光從空氣→玻璃第25頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五入射光是線偏振光P105頁(yè)20-17題(1).分析自然光入射時(shí),反射光和折射光中的振動(dòng)分量的構(gòu)成;(2).入射光線中少了哪一分量,則反射光和折射光中也少掉該分量.★討論:第26頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五例4（習(xí)題20-16）.一束自然光以58角入射到平板玻璃的表面,反射光是線偏振光,求:(1).透射光束的折射角;(2).玻璃的折射率?解:(1).反射光是線偏振光時(shí),反射光與折射光相互垂直(2).由布儒斯特定律,得第27頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五例5（習(xí)題20-15）若從靜止的湖水表面上反射出來(lái)的太陽(yáng)光是線偏振光,求:(1).太陽(yáng)在地平線上的仰角;(2).反射光線的偏振態(tài)?解:(1).由布儒斯特定律,得(2).垂直于入射面（只有垂直分量）第28頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五例：有一平面玻璃板放在水中，板面與水面夾角為（見(jiàn)圖），設(shè)水和玻璃的折射率分別為1.333和1.517，欲使圖中水面和玻璃板的反射光都是完全偏振光，角應(yīng)是多大？

解：設(shè)i1和i2為相應(yīng)的布儒斯特角，r為折射角，由布儒斯特定律知由此得i1=53.12，i1=48.69由可得，

由布儒斯特定律可知，

將r代入上式得第29頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五★注意:1.反射光中只有垂直分量;2.相互垂直，角度互余;3.分清n1,n2第30頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五i一.雙折射的概念1.雙折射：n1n2rore(各向異性介質(zhì))自然光o光e光射到各向異性介質(zhì)時(shí)，一束光入折射光分成兩束的現(xiàn)象。20.4光的雙折射第31頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.兩種光線的性質(zhì)——均為線偏振光o光：尋常光線e光：非常光線折射定律遵守不遵守垂直入射沿原方向前進(jìn)彎曲光線方向在入射面內(nèi)不在入射面內(nèi)旋轉(zhuǎn)晶體不動(dòng)隨著晶體的旋轉(zhuǎn)折射率確定不確定速度確定隨傳播方向變化第32頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五▲晶體的光軸

當(dāng)光在晶體內(nèi)沿某個(gè)特殊方向傳播時(shí)不發(fā)生雙折射，該方向稱為晶體的光軸。例如，方解石晶體（冰洲石）

光軸是一個(gè)特殊的方向，凡平行于此方向的直線均為光軸。單軸晶體：只有一個(gè)光軸的晶體，如方解石。雙軸晶體：有兩個(gè)光軸的晶體，如云母。

由鈍角引出的與三個(gè)棱邊成等角的方向就是光軸。二.晶體的一些概念第33頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五光矢量振動(dòng)方向與晶體光軸的夾角不同,光的傳播速度也不同。沿光軸方向，o光、e光的傳播速度相等。垂直于光軸的方向,光的傳播速度差別最大。o光：

no，ne稱為晶體的主折射率e光：························vot光軸光軸vetvot▲晶體的主折射率第34頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五正晶體負(fù)晶體尋常光線(o光)的速度在各個(gè)方向上是相同的;▲

o光和e光在晶體中傳播時(shí)的波面在晶體內(nèi)任一點(diǎn)引起的子波波面是一球面.非尋常光線(e光)的速度在各個(gè)方向上是不同的;在晶體內(nèi)任一點(diǎn)引起的子波波面是一旋轉(zhuǎn)橢球面.根據(jù)惠更斯原理第35頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

正晶體：ne>no負(fù)晶體：ne<novotvet光軸點(diǎn)波源點(diǎn)波源votvet光軸(ve<vo)(ve>vo)如：石英、冰如：方解石、紅寶石▲正晶體、負(fù)晶體第36頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五▲主平面和主截面主平面：晶體中光的傳播方向與晶體光軸構(gòu)成的平面。e光光軸e光的主平面o光光軸o光的主平面····o光的振動(dòng)方向垂直于它自己的主平面，e光的振動(dòng)方向平行于它自己的主平面主截面：晶體表面的法線與晶體光軸構(gòu)成的平面。在實(shí)用上，通常選擇入射面和主截面重合，以使問(wèn)題簡(jiǎn)化。第37頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五單軸晶體中光傳播的惠更斯作圖法(1).入射光斜射在晶體表面,晶體光軸與晶體表面斜交;oeEFGo光的新波振面e光的新波振面以負(fù)晶體（ve

>vo）為例AC入射波的波振面BA三.o光和e光的傳播方向第38頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五(2).入射光正射于晶體表面,晶體光軸與晶體表面斜交;第39頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五(3).入射光正射于晶體表面,晶體光軸與晶體表面平行;oeo光和e光在晶體中沿同一方向傳播不分開(kāi)，但由于速度不同，兩者間有一定的相位差，仍有雙折射現(xiàn)象第40頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五(4).入射光正射于晶體表面,晶體光軸垂直于晶體表面.無(wú)雙折射現(xiàn)象第41頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五(5).入射光正射于晶體表面,晶體光軸垂直于紙面.oeoe注意o光與e光的偏振方向第42頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五(6).入射光斜射于晶體表面,晶體光軸垂直于紙面.oe第43頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五▲一般步驟

分清正,負(fù)晶體;

根據(jù)光軸的位置作出o光和e光的波面;再作出切平面(波振面);

連出o光與e光的傳播方向;

最后確定o光與e光的振動(dòng)方向。▲注意:線偏振光入射時(shí)

線偏振光的振動(dòng)方向與晶體光軸有一定夾角時(shí),即可產(chǎn)生o光和e光.第44頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五20.5波片偏振態(tài)的檢驗(yàn)一.波片單軸晶體上平行于光軸方向切割成的平行平面薄片o光與e光均為線偏振光,且兩者互相垂直.光軸圓,線或橢圓偏振光觀察屏▲

o光與e光在晶體中的光程差▲相位差

線偏振光l第45頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五AAoAe▲

o光和e光的振幅第46頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五▲

回顧振動(dòng)合成

=

=3/2=5/4=7/4

=/2=/4P··Q=0yx

=3/4第47頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五▲/4波片經(jīng)過(guò)/4波片后的偏振態(tài)的變化1.一般情況下,o光和e光的振幅不相等,形成橢圓偏振光;2.=0,則Ao=0,Ae=A,出射光為光振動(dòng)在主截面內(nèi)的線偏振光;3.=/2,則Ao=A,Ae=0,出射光為光振動(dòng)垂直于主截面的線偏振光;4.=/4,則Ao=Ae,出射光為圓偏振光