大學(xué)物理光的偏振市公開課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

§8.1光偏振態(tài)§8.2偏振片起偏和檢偏§8.3反射和折射偏振§8.4光雙折射§8.5偏振光干涉§8.6人工雙折射及其應(yīng)用第8章、光偏振（polarizationoflight）作業(yè)：練習(xí)冊(cè)選擇題填空題計(jì)算題1第1頁光干涉和衍射現(xiàn)象顯示了光波動(dòng)特征，但還不能完全斷定光是縱波還是橫波。光偏振現(xiàn)象從試驗(yàn)上清楚地顯示出光橫波性，這一點(diǎn)與光電磁理論預(yù)言一致。偏振—光波電矢量振動(dòng)空間分布對(duì)于光傳輸方向失去對(duì)稱性現(xiàn)象。只有橫波才能產(chǎn)生偏振現(xiàn)象，故光偏振是光波動(dòng)性又一例證。利用光偏振現(xiàn)象創(chuàng)造了立體電影，攝影技術(shù)中用于消除無須要反射光或散射光。光在晶體中傳輸與偏振現(xiàn)象親密相關(guān)，利用偏振現(xiàn)象可了解晶體光學(xué)特征，制造用于測(cè)量光學(xué)器件，以及提供諸如巖礦判定、光測(cè)彈性及激光調(diào)制等技術(shù)伎倆。2第2頁光是電磁波在人眼視覺范圍內(nèi)波段

400nm

760nm，對(duì)應(yīng)紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫光。電磁波是橫波研究光振動(dòng)方向特征即光偏振性。光生理作用、感光現(xiàn)象，實(shí)際是電矢量（電場(chǎng)強(qiáng)度E矢量）在起作用。通常把電矢量E稱為光矢量,把電矢量E振動(dòng)稱為光振動(dòng)?！?光偏振態(tài)3第3頁簡(jiǎn)化合成兩個(gè)相互垂直方向.偏振光部分偏振光完全（線）偏振光E沒有優(yōu)勢(shì)方向自然光分解4第4頁5第5頁一些物質(zhì)對(duì)于光相互垂直分振動(dòng)含有選擇吸收性能人造偏振片偏振化方向——允許光振動(dòng)矢量經(jīng)過方向。自然光經(jīng)過偏振片偏振光起偏明

明,但減弱=/2暗假如入射光是部分偏振光,旋轉(zhuǎn)偏振片,透射光有明暗改變,但不會(huì)出現(xiàn)全暗;入射光是自然光,透射光無明暗改變—檢偏?！?偏振片起偏和檢偏假如入射光是完全（線）偏振光6第6頁起偏和檢偏7第7頁證:0NM將A0分解成

A0cos

A0sin

A0

A0cos

A0sin

設(shè)：透射光強(qiáng)I，入射光強(qiáng)I0馬呂斯定律8第8頁解:(1)自然光經(jīng)過偏振片A,光強(qiáng)被吸收二分之一,有:N1N2600I0I1I2例：有兩塊偏振片A和B,偏振化方向夾角為600。(1)入射光是自然光,設(shè)偏振片無吸收,求穿過A和B后透射光與入射光光強(qiáng)比;(2)入射光是線偏振光,振動(dòng)方向與第一塊偏振片偏振化方向夾角為300,求穿過A,B后透射光與入射光光強(qiáng)比;(3)假如偏振片吸收系數(shù)為0.1,再求(2)結(jié)果.9第9頁光偏振現(xiàn)象在技術(shù)中有很多應(yīng)用。比如拍攝水下景物或展覽櫥窗中陳列品照片時(shí)，因?yàn)樗婊虿Ａ?huì)反射出很強(qiáng)反射光，使得水面下景物和櫥窗中陳列品看不清楚，攝出照片也不清楚．假如在攝影機(jī)鏡頭上加一個(gè)偏振片，使偏振片透振方向與反射光偏振方向垂直，就能夠把這些反射光濾掉，而攝得清楚照片；另外，還有消除車燈眩光、立體電影等等。偏振片應(yīng)用10第10頁1.拍攝玻璃窗內(nèi)物體時(shí)，用偏振片去掉反射光干擾11第11頁2.汽車夜間行車時(shí)為防止對(duì)方汽車燈光晃眼以確保行駛安全，能夠在全部汽車車窗玻璃和車燈前裝上與水平方向成45

角，而且向同一方向傾斜偏振片。3.偏振片可用于制成太陽鏡和攝影機(jī)濾光鏡。觀看立體電影眼鏡片是由兩個(gè)偏振化方向相互垂直偏振片組成。12第12頁立體電影和偏振你看過立體電影嗎？你知道它道理嗎？它就是應(yīng)用光偏振現(xiàn)象一個(gè)例子：在觀看立體電影時(shí)，觀眾要戴上一副特制眼鏡，這副眼鏡就是一對(duì)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．這是為何呢？這要從人眼看物體說起．人兩只眼睛同時(shí)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(shí)觀察物體時(shí)，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(gè)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．13第13頁要看到立體電影，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)前偏振片透振方向相互垂直，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，偏振方向不改變．觀眾用上述偏振眼鏡觀看，每只眼睛只看到對(duì)應(yīng)偏振光圖像，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(huì)像直接觀看物體那樣產(chǎn)生立體感覺．這就是立體電影原理．立體電影是用兩個(gè)鏡頭如人眼那樣從兩個(gè)不一樣方向同時(shí)拍攝下景物像，制成電影膠片．在放映時(shí)，經(jīng)過兩臺(tái)放映機(jī)，把用兩臺(tái)攝影機(jī)拍下兩組膠片同時(shí)放映，使這略有差異兩幅圖像重合在銀幕上．這時(shí)如果用眼睛直接觀看，看到畫面是含糊不清．14第14頁15第15頁i

n1n2§3反射和折射偏振

試驗(yàn)發(fā)覺:反射光和折射光普通都是部分偏振光,反射光中垂直于入射面光振動(dòng)占優(yōu).折射光中平行于入射面光振動(dòng)占優(yōu).n1n2i0

當(dāng)i為某一入射角i0時(shí)，反射光成為完全偏振光。布儒斯特定律16第16頁兩個(gè)相關(guān)結(jié)論1.入射角為i0時(shí)，折射光與反射光垂直。證：n1水n2玻璃i0

所以，光從玻璃向水界面入射時(shí)布儒斯特角就是光從水向玻璃界面入射時(shí)圖中所表示折射角。2.光從水向玻璃界面入射時(shí)布儒斯特角為i0，問光從玻璃向水界面入射時(shí)布儒斯特角為多少？17第17頁玻璃堆光從空氣射向玻璃線偏振光18第18頁巴托林（ErasmusBartholin）（1625—698）出生在丹麥羅斯基勃一個(gè)醫(yī)生世家。他也像他父親和弟兄一樣都是醫(yī)生，同時(shí)他在數(shù)學(xué)和物理學(xué)上也有貢獻(xiàn)。從1657年到逝世，他在丹麥哥本哈根大學(xué)任醫(yī)學(xué)教授。但使巴托林聞名于科學(xué)史事跡卻與醫(yī)學(xué)無關(guān)，而是在物理學(xué)上研究工作。物理史話—雙折射1669年，巴托林得到了一塊冰洲石。這是出產(chǎn)于冰島方解石。他發(fā)覺，用冰洲石看到像都是雙像。巴托林注意到，光線經(jīng)過冰洲石變成了兩條光線，他稱這種折射現(xiàn)象為雙折射。巴托林還發(fā)覺，當(dāng)固定一個(gè)像時(shí)，另一個(gè)像圍繞著它旋轉(zhuǎn)。巴托林將這兩條光線中固定像和“旋轉(zhuǎn)像”對(duì)應(yīng)光線分別稱為尋常光線和非尋常光線?？瓷先ィp折射現(xiàn)象沒有什么神奇地方，但巴托林自己不能解釋它，他認(rèn)為這與牛頓光學(xué)理論是矛盾。其實(shí)當(dāng)初光波動(dòng)說也不能解釋，直到半個(gè)世紀(jì)之后，新波動(dòng)說才解釋了這種現(xiàn)象。19第19頁§4光雙折射

一束入射光經(jīng)一些晶體折射后可分成兩束光線現(xiàn)象稱為雙折射。1.尋常光和非常光試驗(yàn)表明，雙折射現(xiàn)象中兩束折射光線都是線偏振光，分別稱為尋常光和非常光。尋常光（o光）：

遵從折射定律非常光（e光）:普通不遵從折射定律折射面與入射面不一定重合。20第20頁用偏振片檢驗(yàn)o光和e光，發(fā)覺它們都是偏振光，但振動(dòng)方向不一樣，為了便于描述o光和e光偏振情況及其相互關(guān)系，需要引入幾個(gè)與晶體相關(guān)概念。(1)光軸o光在晶體中各方向上速度相同,折射率n=c/u相同;e光各向速度不一樣,折射率不一樣.在晶體中有一個(gè)確定方向,o光和e光沿此方向傳輸速度相等,折射率相等,不發(fā)生雙折射.o光折射率:e光折射率:注意：光軸僅標(biāo)志一定方向，并不限于某一條特殊直線。雙折射實(shí)質(zhì)是o光和e光在晶體中傳輸速度不一樣。21第21頁1.在光軸方向

e光速度等于o

光速度，即等于vo2.在垂直光軸方向o光e光兩個(gè)速度差異最大;與o光速度差異最大速度記做ve,

且ve為常數(shù)。v0<ve；或v0>ve而且有以下兩種情況(2)負(fù)晶與正晶凡屬v0<ve，（即n0>ne）晶體稱為負(fù)晶。凡屬v0>ve，（即n0

<ne）

晶體稱為正晶。定義：為晶體對(duì)e光主折射率，即e光在垂直于光軸方向折射率。給出兩個(gè)試驗(yàn)事實(shí)：22第22頁方解石

1.48641.6584石英

1.55341.5443（對(duì)波長(zhǎng)為589.3nm鈉黃光）方解石晶體（負(fù)晶）CaCO3石英（正晶）23第23頁光軸在入射面內(nèi)光軸垂直入射面o光子波面一定是球面e光子波面必定不是球面

是什么樣呢?o光子波面e光子波面e光子波面是以光軸為軸旋轉(zhuǎn)橢球面v0<veo光在晶體中各方向上速度相同,e光各向速度不一樣。思索在垂直光軸方向,o

光e光兩個(gè)速度差異最大.e光垂直于光軸方向傳輸時(shí)，ve為常數(shù)。24第24頁o光振動(dòng)方向垂直于該光線（在晶體中）與光軸組成平面。

e光振動(dòng)方向平行于該光線（在晶體中）與光軸組成平面。即o光振動(dòng)方向垂直于主平面。即e

光振動(dòng)方向在主平面內(nèi)。(3)主平面光線與光軸組成平面叫該光線主平面25第25頁o

光在晶體內(nèi)任意點(diǎn)所引發(fā)波陣面是球面。即含有各向同性傳輸速率。e光在晶體內(nèi)任意點(diǎn)所引發(fā)波陣面是橢球面。沿光軸方向與o光含有相同速率。e光波面o光波面光軸方向負(fù)晶如方解石CaCO3e光波面o光波面光軸方向正晶如石英SiO22.

惠更斯原理在雙折射現(xiàn)象中應(yīng)用———確定波陣面作圖法v0<vev0>ve26第26頁光軸AFEeO?eO?o光可用折射定律計(jì)算，e光不服從折射定律雙折射平行光傾斜入射，光軸在入射面內(nèi)，光軸與晶體表面斜交27第27頁光軸AE?BF’E’?Fo光與e光沿同方向傳輸平行光垂直入射，光軸在入射面內(nèi)，光軸平行晶體表面o光與e光含有相互垂直偏振方向,且速度相差最大.雙折射OOee28第28頁

i········cΔt光軸方解石晶體voΔtveΔt····o

eo

e光軸平行于晶體表面且垂直于入射面，

自然光斜入射方解石是負(fù)軸晶體（no>ne）ne為晶體對(duì)e光主折射率，即e光在垂直于光軸方向折射率。v0<ve29第29頁例：用方解石晶體（負(fù)晶體）切成一個(gè)截面為正三角形棱鏡，光軸方向如圖所表示。若自然光以入射角i入射并產(chǎn)生雙折射，試定性地分別畫出o光與e光光路與振動(dòng)方向。解

對(duì)負(fù)晶體，(n0>ne)則依據(jù)折射定律，e光折射角大于o光折射角；e光主平面現(xiàn)垂直圖面，e光振動(dòng)方向在主平面內(nèi),所以e光振動(dòng)方向以點(diǎn)表示。e光o光o光振動(dòng)方向垂直主平面，

o光主平面現(xiàn)也垂直圖面，所以o光振動(dòng)方向以線表示。30第30頁3.1尼科爾棱鏡結(jié)構(gòu)如圖取長(zhǎng)度適當(dāng)方解石晶體,將其兩端天然晶面加以適當(dāng)研磨,將晶體剖開,再用加拿大樹膠將剖面粘合組成一長(zhǎng)方形棱鏡。3.2尼科爾棱鏡原理利用棱鏡雙折射現(xiàn)象,將一束自然光分成尋常光和非常光,然后利用全反射原理把尋常光反射到棱鏡側(cè)壁上,只讓非常光經(jīng)過棱鏡,從面而取得一束振動(dòng)方向固定線偏振光。3.晶體偏振器件31第31頁48o22o68oo光e光e光加拿大樹膠n=1.550光軸e光方解石no=1.6584,ne=1.4864o光被吸收!全反射中學(xué)知識(shí)

1.

當(dāng)光線由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，而角度大于臨介角

C。2.折射率

n

介質(zhì)臨介角

C公式：全反射32第32頁產(chǎn)生兩束相互分開、振動(dòng)相互垂直平面偏振光。3.3渥拉斯頓（Wollaston)棱鏡結(jié)構(gòu)：3.4渥氏棱鏡作用：由兩塊光軸相互垂直方解石直角棱鏡組成。光軸光軸ABD方解石是負(fù)軸晶體（no>ne）33第33頁（1）光在兩塊方解石中都是垂直光軸傳輸。（2）當(dāng)自然光垂直入射AB表面后，在第一塊棱鏡中o光和e光以不一樣速度沿同一方向傳輸。方解石是負(fù)晶no>n樹膠>ne（3）當(dāng)它們先后進(jìn)入第二塊棱鏡時(shí)，第一塊棱鏡中o光在第二塊棱鏡中變成e光，靠近法向;第一塊棱鏡中e光在第二塊棱鏡中變成o光，遠(yuǎn)離法向。3.5渥氏棱鏡原理AB34第34頁§5*偏振光干涉1.圓偏振光和橢圓偏振光兩個(gè)同頻率相互垂直線偏振光合成，依據(jù)它們相位差和振幅決定了其合成結(jié)果為圓偏振，或?yàn)闄E圓偏振光。復(fù)習(xí):兩個(gè)同頻率相互垂直分運(yùn)動(dòng)位移表示式消時(shí)間參數(shù)，得合運(yùn)動(dòng)普通是在2A1

(

x

向)、2A2

(

y

向)范圍內(nèi)一個(gè)橢圓。橢圓性質(zhì)(方位、長(zhǎng)短軸、左右旋

)在A1、A2確定之后,主要決定于

=

20-10。35第35頁幾個(gè)特殊情況：36第36頁d線偏振光λ光軸1.1橢圓偏振光和圓偏振光取得方法線偏振光透過雙折射晶片后形成o光和e光（兩個(gè)同頻率相互垂直線偏振光），它們相位差和振幅決定了其合成結(jié)果為圓偏振，或?yàn)闄E圓偏振光。

yxAoAeAAoAe

光軸37第37頁1.2波片(又稱相位延遲片)波片是按一定要求切割（比如光軸平行于表面）晶體薄片。

經(jīng)過厚為d晶片，o、e光產(chǎn)生相位差：AAoAe

光軸

o光和e光振幅，與晶片光軸和入射線偏振光振動(dòng)方向夾角

相關(guān)：38第38頁從晶片出射是兩束傳輸方相同、振動(dòng)方向相互垂直、頻率相等、相位差為

線偏振光，AAoAe

光軸

經(jīng)過厚為d晶片，o、e光產(chǎn)生相位差：(1)四分之一波片從線偏振光取得橢圓或圓偏振光（或相反）線偏振光

圓偏振光線偏振光

橢圓偏振光39第39頁橢圓偏振光和圓偏振光定義：光矢量Ｅ

在沿著光傳輸方向前進(jìn)同時(shí)，還繞著傳輸方向均勻轉(zhuǎn)動(dòng)。假如光矢量大小不停改變，使其端點(diǎn)描繪出一個(gè)橢圓，這種光稱橢圓偏振光。假如光矢量大小保持不變，這種光稱圓偏振光。右旋偏振光中光矢量旋轉(zhuǎn)示意圖ZoY40第40頁(2)二分之一波片在/2片前1,3象限振動(dòng)過/2片后2,4象限振動(dòng)使線偏振光振動(dòng)面轉(zhuǎn)過2

角度。注意:/2波片/4波片必須指明波長(zhǎng)經(jīng)二分之一波片后，o光e

光相位差為，合成為線偏振光Ae入=Ae出

A0入A入光軸Ae入

A0出A出Ae出41第41頁(3)橢圓偏振光與圓偏振光檢偏用四分之一波片和偏振片P

可區(qū)分出入射光是

1.自然光或圓偏振光

2.部分偏振光或橢圓偏振光d偏振片P偏振化方向入射光42第42頁橢圓與圓偏振光檢偏用四分之一波片和偏振片P

可區(qū)分出自然光和圓偏振光或部分偏振光和橢圓偏振光(1)自然光與圓偏振光區(qū)分結(jié)論：以入射光方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片光強(qiáng)無改變。當(dāng)入射光是自然光時(shí)：IoI1I2自然光o,e光偏振片光軸43第43頁結(jié)論：以入射光方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片光強(qiáng)有改變，出現(xiàn)最大光強(qiáng)和消光現(xiàn)象。當(dāng)入射光是圓偏振光時(shí)：PI2偏振片IoC圓偏振光I1線偏振光光軸44第44頁(2)部分偏振光與橢圓偏振光區(qū)分當(dāng)入射光是部分偏振光時(shí)：結(jié)論：以入射光方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片光強(qiáng)有改變，但無消光現(xiàn)象。IoI1I2部分偏振光部分偏振光偏振片光軸45第45頁結(jié)論：以入射光方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片光強(qiáng)有改變，出現(xiàn)最大光強(qiáng)和消光現(xiàn)象。當(dāng)入射光是橢圓偏振光時(shí)：光軸平行橢圓偏振光長(zhǎng)軸或短軸放置PI1CI2Io橢圓偏振光線偏振光偏振片46第46頁偏振光狀態(tài)演示儀[演示裝置]偏振光狀態(tài)演示儀包含光學(xué)減震平臺(tái)一個(gè)、半導(dǎo)體激光器（650nm）及固定架一套、起偏器和檢偏器各一個(gè)、1/4波片（650nm）一個(gè)、步進(jìn)電機(jī)控制調(diào)整架三個(gè)、光電接收系統(tǒng)及調(diào)整架一個(gè)、電控箱一個(gè)（三路控制輸出、兩路輸入和USB接口）、計(jì)算機(jī)及專用軟件。怎樣區(qū)分出入射光是圓偏振光還是橢圓偏振光？47第47頁①手動(dòng)調(diào)整起偏器和檢偏器，使它們偏振化方向相互垂直，即接收屏上出現(xiàn)消光；②在起偏器和檢偏器之間插入l/4波片，轉(zhuǎn)動(dòng)l/4波片，重新使屏幕上出現(xiàn)消光狀態(tài)；③l/4波片旋轉(zhuǎn)45

,將檢偏器旋轉(zhuǎn)，屏幕上便出現(xiàn)一條近乎水平直線，說明經(jīng)過檢偏器光為圓偏振光，即光強(qiáng)不變。圓偏振光產(chǎn)生與判別48第48頁旋轉(zhuǎn)檢偏器P249第49頁橢圓偏振光產(chǎn)生與判別假如l/4波片旋角大于或小于45

，則檢偏器旋轉(zhuǎn)360

，屏幕上出現(xiàn)是一條余弦曲線，但曲線最低點(diǎn)光強(qiáng)不等于零，說明經(jīng)過檢偏器光為橢圓偏振光。50第50頁2.1偏振光干涉裝置

P1

出射光為線偏振光，經(jīng)C

成為o、e

兩束偏振光，再經(jīng)P2后，發(fā)生干涉。2.

偏振光干涉d晶片C

偏振片P2

單色自然光偏振片P1偏振化方向光軸方向偏振化方向51第51頁2.2偏振光干涉分析（1）振幅關(guān)系經(jīng)過P2

后，兩束光振動(dòng)方向平行，振幅為：d晶片C

偏振片P2

單色自然光偏振片P1偏振化方向光軸方向偏振化方向P2P1CA1AeAo

P1

出射光為線偏振光，經(jīng)C

成為o、e

兩束偏振光，再經(jīng)P2后，發(fā)生干涉。A2oA2e52第52頁經(jīng)過晶體C后兩束光是相干光，相位差為：經(jīng)過P2

后相位差為：（2）相位關(guān)系—相長(zhǎng)干涉—相消干涉P2P1CA1AeAo

A2oA2e53