大学物理光的偏振.ppt

首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出1会聚光的会聚光的电光效应电光效应应应力力双双折折射射首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出2一、横波的偏振一、横波的偏振性性 光的干涉和衍射现象不能分辨光波是横波还是纵波，因光的干涉和衍射现象不能分辨光波是横波还是纵波，因 为这两种波都能产生干涉现象。为这两种波都能产生干涉现象。 沿纵波的传播方向作任意平面，波的运动情况相同，具有对沿纵波的传播方向作任意平面，波的运动情况相同，具有对称性，即称性，即 纵波的振动相对于传播方向是轴对称的。纵波的振动相对于传播方向是轴对称的。 光的光的偏振现象则清楚地显示了光的横波性。偏振现象则清楚地显示了光的横波性。 光的偏振也是肯定光是电磁波的根据之一。光的偏振也是肯定光是电磁波的根据之一。 由于光的偏振，使光的传播又出现了一些新的特点。由于光的偏振，使光的传播又出现了一些新的特点。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出31 1、偏振、偏振 波的振动方向相对于传播方向的不对称性，叫偏振。波的振动方向相对于传播方向的不对称性，叫偏振。横波的振动相对于传播方向不是轴对称的。横波的振动相对于传播方向不是轴对称的。这就是说，横波具有偏振性，而纵波不具备偏振性。这就是说，横波具有偏振性，而纵波不具备偏振性。光是横波，应该具有偏振性。光是横波，应该具有偏振性。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出4 2 2、振动面的概念、振动面的概念 振动方向与传播方向组成的平面。振动方向与传播方向组成的平面。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出5cExyz二、自然光二、自然光1 1、自然光是非偏振光、自然光是非偏振光其根源仍在热原子发光具有间歇性和独立性。其根源仍在热原子发光具有间歇性和独立性。 一串光波列是横波。但从宏观上看，光源发出的光中包含了一串光波列是横波。但从宏观上看，光源发出的光中包含了所有方向的光振动，振动面可以分布在一切可能的方位，任何所有方向的光振动，振动面可以分布在一切可能的方位，任何方向光矢量对时间的平均值是相等的。方向光矢量对时间的平均值是相等的。S所以自然光的光振动对光的传播方向是轴对称而又均匀分布的。所以自然光的光振动对光的传播方向是轴对称而又均匀分布的。光波虽然是横波，但普通光源发出的光是自然光，不是偏振光。光波虽然是横波，但普通光源发出的光是自然光，不是偏振光。普通光源中每个原子所发出的光其普通光源中每个原子所发出的光其位相关系位相关系及及振动方向振动方向都是都是随机随机的。的。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出6 光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上，既有时间分布光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上，既有时间分布的均匀性，又有空间分布的均匀性，具有这种特性的光就叫的均匀性，又有空间分布的均匀性，具有这种特性的光就叫自自然光然光 。 ( ( 或者说，具有或者说，具有各个方向各个方向的光振动的光振动，且又，且又无固定的位无固定的位相关系相关系的光的光) )。结论：自然光的横波性被发光的随机性所破坏或掩盖。结论：自然光的横波性被发光的随机性所破坏或掩盖。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出72 2、自然光的分解、自然光的分解一个简谐振动总可以分解为两个相互垂直的振动。一个简谐振动总可以分解为两个相互垂直的振动。自然光在各个方向上都有振动，其自然光在各个方向上都有振动，其中每个振动都可以这样分解，即中每个振动都可以这样分解，即iyyixxAAAAyxAA 由对称性知，有由对称性知，有所以，所以，没有一个方向的振动优于其它方向。这个结果没有一个方向的振动优于其它方向。这个结果与坐标系与坐标系无关。无关。cosiixAA siniiyAA iyixAA 且一般且一般 iAiyAixAyx例如，一个振幅为的振动可分解为例如，一个振幅为的振动可分解为首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出8SuxyS.uS 表示该光的振动面就在纸平面内。表示该光的振动面就在纸平面内。 表示该光的振动方向垂直于纸平面；表示该光的振动方向垂直于纸平面；3 3、自然光的表示、自然光的表示 由于自然光的波振幅在垂直于传播方向的平面内，在各个方由于自然光的波振幅在垂直于传播方向的平面内，在各个方向上的分布平均相等，因此将波振幅在该平面内向任意的两个正向上的分布平均相等，因此将波振幅在该平面内向任意的两个正交方向进行分解，都可以得到两个振动方向互相垂直且振幅相等交方向进行分解，都可以得到两个振动方向互相垂直且振幅相等的振动，故此自然光常用下图表示：的振动，故此自然光常用下图表示：首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出9三、部分偏振光，线（面，全）偏振光三、部分偏振光，线（面，全）偏振光 若沿某一方向的光振动优于其他方向，则谓之部分偏振光若沿某一方向的光振动优于其他方向，则谓之部分偏振光, ,表示为表示为 若只有沿某一方向的光振动，则谓之线（面、全）偏振光，若只有沿某一方向的光振动，则谓之线（面、全）偏振光，表示为表示为例例：晴朗蔚蓝色的天空中所散射的日光多是部分偏振光，散射晴朗蔚蓝色的天空中所散射的日光多是部分偏振光，散射光与入射光的方向越接近垂直，散射光的偏振度越高光与入射光的方向越接近垂直，散射光的偏振度越高。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出10一、偏振片的起偏、检偏一、偏振片的起偏、检偏 1 1、偏振器：把自然光变成为全偏振光的仪器。、偏振器：把自然光变成为全偏振光的仪器。 有些晶体（例如硫酸金鸡钠硷）对互相垂直的两个分振动有些晶体（例如硫酸金鸡钠硷）对互相垂直的两个分振动 光矢量具有选择性吸收，这种现象称作晶体的二向色性。光矢量具有选择性吸收，这种现象称作晶体的二向色性。偏振器偏振器透光轴透光轴自然光自然光偏振光偏振光起偏起偏： 把自然光变成偏振光。把自然光变成偏振光。 自然光通过这种晶体薄片后，自然光通过这种晶体薄片后，只剩下一个方向的振动，而只剩下一个方向的振动，而 另一个方向的振动则被吸收。另一个方向的振动则被吸收。这种晶体薄片就可做偏振片。这种晶体薄片就可做偏振片。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出11 自然光通过偏振片后即成为线偏振光，线偏振光的振动方自然光通过偏振片后即成为线偏振光，线偏振光的振动方向与偏振片的偏振化方向相同。此时的偏振片称为起偏器。向与偏振片的偏振化方向相同。此时的偏振片称为起偏器。 偏振片上允许通过光振动的方向叫做偏振片的偏振化方向。偏振片上允许通过光振动的方向叫做偏振片的偏振化方向。也叫透光轴。也叫透光轴。 2 2、偏振片的偏振化方向、偏振片的偏振化方向 若入射自然光的光强为若入射自然光的光强为I0 0，其通过偏振片后，光强降为，其通过偏振片后，光强降为I0 0/2/2。0I021I首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出12 自然光通过起偏器后成为偏振光，这时旋转偏振片就可得到自然光通过起偏器后成为偏振光，这时旋转偏振片就可得到不同方向的偏振光。可是人眼对光振动的方向不敏感，无论怎不同方向的偏振光。可是人眼对光振动的方向不敏感，无论怎样旋转偏振片，都感觉不到光强的变化。样旋转偏振片，都感觉不到光强的变化。偏振片转一周偏振片转一周消光消光线偏光线偏光部分偏光部分偏光强度变，无强度变，无消光消光自然光自然光强度不变强度不变透光轴透光轴3 3、自然光、偏振光、部分偏振光的检验、自然光、偏振光、部分偏振光的检验 如果入射的是线偏振光，若偏振化方向与线偏振光的振动如果入射的是线偏振光，若偏振化方向与线偏振光的振动方向成方向成9090角，则线偏振光将完全不能通过。因此，当转动偏角，则线偏振光将完全不能通过。因此，当转动偏振片时，在视场中就可看到光强的明显变化，并有消光现象。振片时，在视场中就可看到光强的明显变化，并有消光现象。 如果入射的是部分偏振如果入射的是部分偏振光，则转动偏振片时，视场光，则转动偏振片时，视场中光强有变化，但不十分明中光强有变化，但不十分明显，无消光现象。显，无消光现象。应用应用：制成安全汽车灯；：制成安全汽车灯； 在大房间内的风洞上在大房间内的风洞上装上两块可自由旋转的偏装上两块可自由旋转的偏振片，可使室内光线具有振片，可使室内光线具有浪漫色彩。浪漫色彩。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出13 光强为光强为I0 0的线偏振光，当其振动方向与偏振片的偏振化方的线偏振光，当其振动方向与偏振片的偏振化方 向的成向的成角时，则透过偏振片的光强为：角时，则透过偏振片的光强为：2cosOII 注意两点：注意两点：入射光必须是线偏振光，不是自然光；入射光必须是线偏振光，不是自然光；是与是与coscos2 2正比，而不是与正比，而不是与coscos正比。正比。二、马吕斯定律二、马吕斯定律AI0I首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出14 证明：证明： 设入射线偏振光的振幅为设入射线偏振光的振幅为A A0 0，其振动方向沿，其振动方向沿OMOM方向，与偏方向，与偏振片的偏振化方向振片的偏振化方向ONON成成角。由于只有平行于偏振化方向的振角。由于只有平行于偏振化方向的振动动A A/才能透过，由图可知：才能透过，由图可知：A/A0AoMNcos/0AA 而光强而光强 I I A A2 2 202/AAIIOaII20cos202)cos(AaAo首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出15偏振器偏振器自然光自然光检偏器检偏器I I1 1I I2 2 如果入射到检偏片的线偏振光是穿过起偏器的光，则公式如果入射到检偏片的线偏振光是穿过起偏器的光，则公式 中的中的角就是两偏振片的偏振化方向之间的夹角。角就是两偏振片的偏振化方向之间的夹角。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出16例例14141 1 一束自然光入射到由四个偏振片组成的偏振片组上，一束自然光入射到由四个偏振片组成的偏振片组上，四个偏振片的放置为：每个偏振片偏振化方向相对于前面一片四个偏振片的放置为：每个偏振片偏振化方向相对于前面一片顺时针转过顺时针转过3030角，设入射光强为角，设入射光强为I0 0，则通过第二片后光强变为，则通过第二片后光强变为-，通过第四片后光强变为，通过第四片后光强变为-。0121II 212cosII 202321I083I223cosII 2023329I0329I234cosII 202383I012827I0II1I2I3I4首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出17例例14142 2用相互平行的一束自然光和一束线偏振光构成的混用相互平行的一束自然光和一束线偏振光构成的混合光垂直照射在一偏振片上，以光的传播方向为轴旋转偏振片合光垂直照射在一偏振片上，以光的传播方向为轴旋转偏振片时，发现透射光强的最大值为最小值的时，发现透射光强的最大值为最小值的5 5倍，则入射光中，自倍，则入射光中，自然光强然光强I0 0与线偏振光强与线偏振光强I之比为。之比为。解：自然光经过偏振片后的光强：解：自然光经过偏振片后的光强： 0121II 而线偏振光经过偏振片后的光强：而线偏振光经过偏振片后的光强： 022III相互垂直时：相互平行时： 则经过偏振片后的光强最大值是：则经过偏振片后的光强最大值是： II 021最小值是：最小值是： 021I 由题意知：由题意知： 5212100III因此：因此： 210II首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出18一、反射光和折射光的偏振一、反射光和折射光的偏振 光在两种介质界面上的行为比较复杂。例如传播方向可能光在两种介质界面上的行为比较复杂。例如传播方向可能改变，能流（即振幅）将重新分配，位相可能突变。下面的讨改变，能流（即振幅）将重新分配，位相可能突变。下面的讨论表明，在界面上可能还有偏振特性的改变。论表明，在界面上可能还有偏振特性的改变。 在一般情况下，反射光在一般情况下，反射光和折射光都是部分偏振光。和折射光都是部分偏振光。n2n1ir 反射光中是垂直入射反射光中是垂直入射面的面的E E矢量占优势，在折矢