簡短的歷史回顧

簡短的歷史回顧*

十七世紀(jì)下半葉

牛頓：光的微粒說惠更斯：光的波動說

十九世紀(jì)初

托馬斯?楊：雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、直邊衍射現(xiàn)象

菲涅爾：光的波動理論

十九世紀(jì)中葉

麥克斯韋：光的電磁波理論

十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初

愛因斯坦：光的量子說2

幾何光學(xué):

以光的直線傳播為基礎(chǔ)，

研究光在透明介質(zhì)中的傳

播問題。

內(nèi)容：

光的直線傳播定律

光的獨(dú)立傳播定律

光的折射和反射定律

3

?波動光學(xué)：

以光的波動性為基礎(chǔ)，研究光的傳播及其規(guī)律

偏振

內(nèi)容：干涉

衍射

4

?量子光學(xué)：

以光和物質(zhì)相互作用時所顯示出的粒子性為基

礎(chǔ)，來研究光的一系列規(guī)律。

內(nèi)容：光和物質(zhì)的相互作用規(guī)律

5

?現(xiàn)代光學(xué):

反映了光學(xué)進(jìn)一步于各個科技領(lǐng)域的緊密結(jié)合

內(nèi)容：

激光

全息攝影

光纖維

光學(xué)計(jì)算機(jī)

傅里葉光學(xué)

紅外技術(shù)

遙感、遙測等

6

第19章光的偏振

§19-1原子發(fā)光

?光源光譜

?原子的發(fā)光模型

?光波列的頻譜寬度

§19-2自然光和偏振光

§19-3偏振片Malus定律

§19-4反射和折射時光的偏振

§19-5雙折射現(xiàn)象

§19?6光振動的疊加波片

§19-7人工雙折射旋光現(xiàn)象*

8

、光源光譜

1.光源:用作發(fā)射光的物體

光源的最基本的發(fā)光單元是分子、原子。

2.光譜:

光的強(qiáng)度按頻率

（或波長）的分

布.1666年，牛頓

用棱鏡將太陽光

分解為由紅到紫

的可見光譜

9

3.光源、光譜種類

一般光源發(fā)光頻率（波長）不是單一

線譜光源.

-0發(fā)言?的光由分立的頻率（亮線、帶）組成

陽氣體放電管、鈉光燈、水銀燈、日光燈

等；Spectrumofhydrogen）

連續(xù)譜光源：發(fā)射頻率連續(xù)變化的光

如白熾燈、弧光燈、太陽等，熱輻射光源。

400nm500nm600nm700nmH

能級圖

v=(E^Eyh

。普朗克常數(shù)

13

2.原子發(fā)光特點(diǎn)

間歇性：各原子發(fā)光是斷

wvwy

斷續(xù)續(xù)的，平均

發(fā)光時間加約為I-----------------------------------------------------?

Ax=cAt

10-8秒，所發(fā)出的

是一段長為

￡二必，的光波列。

A

&------------------0-----------------初態(tài)

ohv

O

Ex------------------0-----------------

A

E2~------------終態(tài)

E[----------°---------

15

隨機(jī)性：每次發(fā)光是隨機(jī)的（獨(dú)立的），所發(fā)出各波

列的振動方向和振動初位相都不相同。

即：不同原子發(fā)的光波列是獨(dú)立的；同一原子

先后發(fā)的光波列也是獨(dú)立的

16

、光波列的頻譜寬度

1、頻譜自然寬度

單色光：具有恒定單一頻率的簡諧波，光波列是無

限伸展的。

?wvww\:

準(zhǔn)單色光：實(shí)際原子的發(fā)光：是一個有限長的波列，

所以不是嚴(yán)格的單色光,只能說是準(zhǔn)單色

光

|WW|

4---------------------------------------------------------?

Ax=cA?17

頻譜自然寬度

有限長的波列可以認(rèn)為是在某個中心頻率（波長九0）

附近有一定頻率（波長AX）范圍的光集合

若在入°土△入/2波長的強(qiáng)度為中心波長強(qiáng)度的一

半，則A九稱為光波列的頻譜寬度（頻譜自然寬度）

它是衡量單色性好壞的物理量

例：普通單色光△入:1010°A°

激光A入：10-8-10-5A。

18

譜線窗度也可用△v或Ak表示

2、光波列的長度和頻譜寬度的關(guān)系

2

【0t

/。/2A2

Ax

I40

理論可證明：

Ax-A2xA2

or(Ar?從P2乃

,2JI

、k——

2

A/-Ay?1

Ax=cAtyAZ:=A(^^)=^Av

Avc

Ax?A左二2兀Nt-Aup2%

20

討論：AJT-A2?22APAv~1

為該波列的發(fā)光時間，或原子在激發(fā)態(tài)的壽命

Ax—>8,->0

Aroo9Av0

Ax或4越長，單色性愈好。

21

3、實(shí)際影響譜線寬度的主要因素

1）自然寬度Av：由能級自然寬度形成

（如上述）。

2）碰撞增寬：△￡J,AX?

3）多普勒效應(yīng)：土人A2T

22

第19章光的偏振

§19-1原子發(fā)光

§19-2自然光和偏振光

?偏振光

?自然光

?部分偏振光

§19-3偏振片Malus定律

§19-4反射和折射時光的偏振

§19-5雙折射現(xiàn)象

§19?6光振動的疊加波片

§19-7人工雙折射旋光現(xiàn)象*

23

、偏振光(polarizedlight)

光矢量：指電矢量E,其振動方向稱為光的

偏振方向（狀態(tài)）

1、線偏振態(tài)（平面偏振態(tài)）

光矢量在傳播中始終保持在一個固定平面上振動。

垂直

平行

24

線偏振態(tài)

25

2、圓偏振態(tài)

光矢量繞著光的傳播方向旋轉(zhuǎn)，光矢量的端點(diǎn)

軌跡是一個圓

右旋圓偏振光與左旋圓偏振光：

迎著光線看，矢量順時針轉(zhuǎn)的稱右旋圓偏振

光，光矢量逆時針轉(zhuǎn)的稱左旋圓偏振光

——-----?右旋圓偏振光

i26

偏振態(tài)

27

例1:某一時刻后的波形圖如下，判斷是左旋還是右旋圓

偏振光

圓偏振態(tài)可分解為兩束振動方向相互垂直的、等

幅的、周相差為兀/2線偏振光。

Ey=E”cos[m—依+%]

圓偏振光波不僅攜帶能量和動量，還有角動量29

3、橢圓偏振態(tài)

光矢量繞著光的傳播方向旋轉(zhuǎn)，光矢量的端點(diǎn)軌

跡是一個橢圓。

橢圓偏振態(tài)可分解為兩束振動方向相互垂直

的、不等幅的、周相差恒定的線偏振光的疊

加。

也有右旋橢圓偏振光與左旋橢圓偏振光

30

橢圓偏振光可認(rèn)為是二個相互垂直、同頻率、相位

差確定的線偏振光的疊加

Ey=紇ocos

紇=紇0cos

\(p=cp2-(px

當(dāng)A。。。/時為橢圓偏振光

當(dāng)△展±5且振幅相等時為圓偏振光31

、自然光[Natural(unpolarized)light]

光源上一個原子一次發(fā)出的是一個線偏振光波列,

持續(xù)時間約IO4秒。

各原子是獨(dú)立地、隨機(jī)地發(fā)光的。光矢量的大小、

方向、初位相等等也是隨機(jī)的。

32

這種大量振幅相同、有各種振動方向、彼此沒有固定

相位關(guān)系的光矢量的組合叫非偏振光或自然光

沒有優(yōu)勢方向

自然光的光強(qiáng)

%y

I=Ix+Iy=2Ix=2Iy

33

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、等幅的、不相干的線偏振光。

自然光用圖表示為

34

三、部分偏振光(partialpolarizedlight)

光矢量的振動方

向不具有軸對稱

分布，而是在某米=>

一方向占優(yōu)勢，

稱部分偏振光，部分偏振光部分偏振光的分解

它介于自然光與

線偏振光之間。光強(qiáng)的分布不是軸對稱

部分偏振光的圖示

35

起偏：把自然光變成線偏振光稱為起偏

方法：偏振片、利用光的反射與折射等

36

第19章光的偏振

§19-1原子發(fā)光

§19-2自然光和偏振光

§19-3偏振片Malus定律

?偏振片

?Malus定律

?檢偏

§19-4反射和折射時光的偏振

§19-5雙折射現(xiàn)象

§19?6光振動的疊加波片

§19-7人工雙折射旋光現(xiàn)象*

37

＞偏振片

偏振片：對某一方向的光振動有強(qiáng)烈吸收-消光

方向，另一方向可以通光-稱為偏振化方向(起

偏).

原理：是以利用晶體的各向異性，如二向色性

(dichroism)

*38

問題：線偏振光通過偏振片P前后的光強(qiáng)關(guān)

系，設(shè)a是線偏振是線偏振光的光振動方向

與檢偏器透振方向間的夾角

39

、Malus定律

線偏振光通過偏振片P前后的光強(qiáng)關(guān)系:

E-Eocosa

22

IQCE-cosa

/=/ocos2a稱為馬呂斯定律。

式中a是線偏振光的光振動方向與檢偏器透振

方向間的夾角40

屏偏振片

線偏振光

41

思考1:自然光通過偏振片光強(qiáng)如何?

2

L1=U/Xnvcosa

I-1I

7Ox~0y

出射光強(qiáng)為

I=I1+I2=Iox

思考2：自然光通過偏振片消光嗎?

43

例2:如圖，在兩偏振化方向垂直的Pl與P2之間

放置另一偏振片P3，求12=?，

44

I1=-I

I\=I]cos2a,

222

I2=I\cosp=cosotcosp

cos2asm?2a

--Lsin22a

8°

45

思考3：對部分偏振光通過偏振片光強(qiáng)如何？*

LJ0-LJ0x+LT0y

【Ox。，0y

!x=loxcos%

2

Iy=IOysina

22

/二4+4=IOxcosa+IOysina

46

Assignments：19.2,3

47

、檢偏

用偏振器件分析、檢驗(yàn)光束的偏振狀態(tài)稱“檢偏

偏振片既可"起偏”，又可“檢偏”

思考：設(shè)入射光是自然光、線偏振光、或部分偏

振光，如何用偏振片來區(qū)分它們？

起偏器P1

屏

自獻(xiàn)

48

自然光在媒質(zhì)表面反射、折射時，也出現(xiàn)光

的偏振現(xiàn)象。

50

第19章光的偏振

§19-1原子發(fā)光

§19-2自然光和偏振光

§19-3偏振片Malus定律

§19-4反射和折射時光的偏振

?布儒斯特定律

?玻璃片堆

?偏振的應(yīng)用

§19-5雙折射現(xiàn)象

§19?6光振動的疊加波片

§19-7人工雙折射旋光現(xiàn)象*

51

1.布儒斯特定律(Brewster'slaw)

實(shí)驗(yàn)表明：

■若光從折射率為小的

介質(zhì)射向折射率為止

的介質(zhì)，反射光中管

矢量垂直入射面的分

量比例大；折射光中

平行入射面的分量比

例大。自然光反射和折射

后產(chǎn)生部分偏振光

■入射角，變，反射、折

射光的偏振度也變

52

當(dāng)入射角a滿足條件

,-九2

tan口=」

%

反射光成為其振動方向垂直起偏振角

于入射面的線偏振光——布

儒斯特定律，人稱為布儒斯

特角或起偏角

53

■可以證明，當(dāng)光以布儒斯

特角入射時，反射光（線

偏振光）與折射光（部分偏

振光）互相垂直，即

.冗

…二3

證明：由折射定律

%sinib=n2siny,兀

+.n2,b+y=3

tan八=」

n54

例3：當(dāng)電二八折射角為y（如圖1），當(dāng)入射光以y角

從〃2介質(zhì)入射于界面時，止匕y角即為布儒斯特角嗎?

證明：根據(jù)光路的可逆性

tan/=-

0n.亓⑺

Ltan片taYf)=&y是布儒斯特角

…三”55

例：若〃產(chǎn)LOO（空氣）,〃2=1?50（玻璃）。

空氣一玻璃％=tan-19普=56。18，

I4。5互余

玻璃一空氣月，=。

ib=tan-i3342，

56

解釋Brewsterlaw

為什么?

振蕩電偶極子電磁輻射強(qiáng)度的角分布

*57

例4:討論下列光線的反射和折射（起偏角如

0：00

例5一自然光自空氣射向一塊平板玻璃，入射角為布

儒斯特角片，問在界面2的反射光是什么光？

說明：一次起偏垂直入射面的振動僅很小部分被反

射（約15%）所以反射偏振光很弱。一般應(yīng)

用玻璃片堆產(chǎn)生偏振光59

2.玻璃片堆(Pileofplates)

要提高反射線偏振光的強(qiáng)度,

可利用玻璃片堆的多次反射。

（反射光是完全線偏振光

強(qiáng)度幾乎50%）

60

演示：玻璃片堆

玻璃片堆

3然光入射于玻璃堆初果7

圻特角，則反射光為全偏振

垂直于入射面.透射光為吾

:他煽化后向W1

*61

3.應(yīng)用

1）在拍攝玻璃窗內(nèi)的物體時，去掉反射光的干擾

未

裝

裝

偏

振

偏

片

振

片

62

2)立體電影

3）生物的生理機(jī)能與偏振光

4）汽車車燈

64

ThephotographisAnaglyphimage.Youcan

seein3DwithRed-Blueglasses

65

References

1.新概念物理教程一光學(xué)趙凱華/高等教育出版社

2004

2.普通物理學(xué)教程/梁燦彬,秦光戎,梁竹健原著

高等教育出版社2004

3.光學(xué)教程（第3版），姚啟鈞/高等教育出版社2002

4.光學(xué)教程（第三版）學(xué)習(xí)指導(dǎo)書/宣桂鑫編著/高等

教育出版社2004

5.基礎(chǔ)物理學(xué)/陸果/高等教育出版社1997

6.Physicsforscientistsandengineers^P.M.

Fishbane

7.UniversityPhysics,R.L.Reese

8.TheFeynmanLecturesonPhysics,R.P.Feynman

66

Thanks!

67

當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時

利用雙折射現(xiàn)象也可以獲得線偏振光

69

第19章光的偏振

§19-1原子發(fā)光

19-2自然光和偏振光

19-3偏振片Malus定律

19-4反射和折射時光的偏振

19-5雙折射現(xiàn)象

?雙折射現(xiàn)象

?尋常光和非尋常光

?晶體的主折射率正晶體、負(fù)晶體

?用惠更斯作圖法說明雙折射現(xiàn)象

§19-6光振動的疊加波片

§19-7人工雙折射旋光現(xiàn)象*

70

、雙折射現(xiàn)象(Birefringenceordoublyrefracting)

透過方解石(Calcite:CaCC)3)晶體看十字成雙像，

旋轉(zhuǎn)方解石像亦旋轉(zhuǎn)

透過方解石(CaCC)3)晶體看字成雙像

一束(自然)光入射到各向異性的媒質(zhì)中分成兩

束光的現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象

71

＞尋常光和非尋常光

1.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)生雙折

射，該方向稱為晶體的光軸。

例：方解石晶體是由平行六

面體構(gòu)成的,每個面都是鈍

角102。和銳角78。的平行四邊

形。

A點(diǎn)和B點(diǎn)是三個鈍角的交合點(diǎn)，

AB連線與三條棱邊的夾角相等。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AB的方向即方解石晶

體光軸的方向。

*72

如果將A或B磨平，使磨面與光軸垂直，當(dāng)光線

垂直磨面入射時，無雙折射現(xiàn)象。

方解石晶體的光軸

光軸是一個特殊的方向，凡平行于此方向的直

線均為光軸。73

■只有一個光軸的晶體稱單軸晶體

如方解石、石英,冰等；

■有兩個光軸的晶體稱雙軸晶體

如云母、硫磺，蘭寶石等。

（我們只討論單軸晶體的雙折射）

74

2.主平面

晶體中某條光線與晶體光軸構(gòu)成的平面,稱為該

光線的主平面。

光軸方向

有兩個主平面

主平面

切面

用偏振片檢驗(yàn)，二束光都是偏振光（且偏振方向

互相垂直*）O可見，利用雙折射現(xiàn)象也可以獲

*得線偏振光。75

3.尋常光

自然光

尋常光（O光Ordinarylight）

■光振動垂直光軸

（其主平面）

-遵從折射定律

sini=sinr

4.非尋常光：e光Extra-ordinarylight

光振動在其主平面內(nèi)（與光軸不垂直）

■一般不遵從折射定律：

sini

------wconst

sinr

■一般折射線不在入射面內(nèi)。

一般來說，。光主平面前e光主平面并不重合。例,

光軸