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第五章

第五章. 光的偏振. 制作人：从守民. §5 -1 自然光和偏振光. 光波是电磁波，电磁波中起光作用的是电场矢量 ( 光矢量 ). 偏振态： 光矢量的振动状态. 五种偏振态： 自然光，线偏振光 , 部分偏振光 , 椭圆偏振光 , 圆偏振光. 1. 自然光 在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向都有光振动，且各个方向光矢量的振幅相等的光. 2. 线 偏振光 光矢量只沿一个固定方向振动的光 ( 又称平面偏振光 ). 光矢量. 振动面. 3. 部分偏振光. 在垂直于光传播方向的平面内， 各方向都有光振动，但振幅不等的光. 4. 圆偏振光和椭圆偏振光.

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  1. 第五章 光的偏振 制作人：从守民

  2. §5-1 自然光和偏振光 • 光波是电磁波，电磁波中起光作用的是电场矢量(光矢量) • 偏振态：光矢量的振动状态 • 五种偏振态：自然光，线偏振光, 部分偏振光, 椭圆偏振光, 圆偏振光

  3. 1.自然光 • 在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向都有光振动，且各个方向光矢量的振幅相等的光

  4. 2.线偏振光 • 光矢量只沿一个固定方向振动的光(又称平面偏振光) 光矢量 振动面

  5. 3.部分偏振光 • 在垂直于光传播方向的平面内，各方向都有光振动，但振幅不等的光

  6. 4.圆偏振光和椭圆偏振光 • 在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量以一定的频率旋转。矢量端点轨迹为椭圆时称其为椭圆偏振光，轨迹为圆时称其为圆偏振光

  7. 偏振片 偏振化 方向 • 一.起偏与检偏 • 偏振片：吸收某方向光振动，而与其垂直方向的光振动能通过的装置 §5-2 起偏与检偏马吕斯定律 • 偏振化方向：能通过光振动的方向

  8. 起偏 检偏 • 自然光通过偏振片后变为线偏振光，称为起偏 • 利用偏振片检验光线的偏振化程度，称为检偏

  9. 二.马吕斯定律 ----马吕斯定律

  10. 讨论： • a =0或a =1800时, I2=I1光强最强 • a=900或a=2700时, I=0光强最弱

  11. [例1]两平行放置的偏振片, 偏振化方向成300角,自然光垂直入射后, 透射光与入射光的强度之比为多少? (分别讨论无吸收和10%的吸收的情况) 解：无吸收时 根据马吕斯定律

  12. 10%吸收时

  13. [例2]如图, P1、P2为两块偏振片，现以强度为I1的自然光和强度为I2的线偏振光同时垂直入射于P1，在E处观察通过P1和P2后的光强。(1)P1任意放置后不动, 将P2以光线方向为轴转动一周, 计算并讨论这时在E处所观察到的光强变化情况； (2)要在E处得到最大光强, 应如何实现?

  14. 解：设P1、P2的偏振化方向夹角为 入射线偏振光振动方向与P1的偏振化方向夹角为 对自然光：

  15. 线偏振光： 因I1’’和I2’’是非相干光 即在E处观察到的光强随P1的转动而周期性变化

  16. 时 时 在E处得到最大光强，须同时满足 则

  17. 一.部分偏振现象 §5-3 反射和折射时光的偏振 • 自然光在两各向同性媒介分界面上反射和折射时，反、折射光均成为部分偏振光 • 特点：反射光垂直入射面的振动较强，折射光反之

  18. 布儒斯特角 • 1812年布儒斯特发现，当入射角为某特定值时，反射光为振动方向垂直于入射面的线偏振光 二.布儒斯特定律 此时有 由折射定律

  19. ----布儒斯特定律 • 说明： • i= i0时，反射光为线偏振光，而折射光仍然是部分偏振光，但此时偏振化程度最高

  20. 反射光光强较弱，折射光较强 • 让自然光通过玻璃片堆，可使折射光的偏振化程度增加。玻璃片足够多时，可使折射光为完全偏振光

  21. [例3]将一介质平板放在水中, 板面与水平面的夹角为，如图。已知折射率n水=1.333，n介质=1.681，要使水面和介质面反射光均为线偏振光, 求 解：如图所示 根据布儒斯特定律

  22. 又

  23. 双 折 双 折 射 双 折 方解石晶体 一.双折射现象 §5-4 光的双折射现象 o光 e光 寻常光(o光)：遵守折射定律 非常光(e光)：不遵守折射定律

  24. 当方解石晶体旋转时，o光不动，e光围绕o光旋转当方解石晶体旋转时，o光不动，e光围绕o光旋转

  25. 1.概念 • 光轴：光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双折射现象，这一方向称为晶体的光轴 二.双折射光的偏振特点 • 只有一个光轴(如方解石、石英)的晶体为单轴晶体；有两个光轴(如云母、硫磺)的晶体为双轴晶体

  26. 法线 • 主截面：光轴和晶体表面法线组成的平面 e光 • 主平面：某一光线(o光或e光)与光轴组成的平面 光轴 o光

  27. 法线 光轴 光轴 o光 e光 光轴 o光主平面 e光主平面 主截面 • 一般情况下，e光不一定在入射面内，o光和e光的主平面并不重合

  28. o光 e光 2.特点 • o光和e光均为线偏振光 • o光的振动方向垂直于它自己的主平面，e光的振动方向平行于它自己的主平面

  29. 光轴 • 当入射面是晶体的主截面时,o光和e光的主平面重合，此时o光与e光的振动方向相互垂直

  30. 原因:o光在晶体内的速度是各向同性的,而e光却是各向异性的原因:o光在晶体内的速度是各向同性的,而e光却是各向异性的 • o光：子波波面为球形面. • e光：子波波面为椭球面 三.双折射现象的解释 正晶体 负晶体

  31. 光轴 光轴 • 惠更斯原理解释

  32. 光轴 光轴

  33. 加拿大树胶 方解石晶体 四.尼科尔棱镜

  34. 光轴

  35. 光轴 §5-5 椭圆和圆偏振光 波片 一.椭圆偏振光和圆偏振光的获得 o光和e光同频率、振动方向垂直，但无固定的位相差 o光和e光由同一光矢量分解而得，在传播方向任一点它们有固定的位相差

  36. 光轴 偏振片 穿过d厚度后，o光和e光得光程差为

  37. 位相差为 讨论： • 当D =kp 时，轨迹为一条直线。此时椭圆偏振光退化为线偏振光 • 当Dkp时，轨迹为一椭圆 • 当D= kp +p/2时，轨迹为正椭圆偏振光；若Ae=Ao,轨迹为圆偏振光,此时q =450

  38. 四分之一波片(l/4波片): 晶体厚度恰能使o光和e光光程差为l/4的晶片 二.四分之一波片 即

  39. 光轴 线偏振光 椭圆(圆)偏振光 讨论： • 线偏振光通过l/4波片后将变为椭圆(圆)偏振光 • 圆或主轴与波片光轴平行的正椭圆偏振光通过l/4波片后可变为线偏振光

  40. 位相差为 的两相互垂直谐振动的合成 经波片: 产生 位相差 线偏振光 线偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光 或 正椭圆: (圆) 透射时:

  41. 二分之一波片(l/2波片): 晶体厚度恰能使o光和e光光程差为l/2的晶片 三.二分之一波片 即：

  42. 讨论： • 线偏振光通过l/2波片后仍为线偏振光，但振动方向与原振动方向相比转过2q角

  43. 圆偏振光通过l/2波片后仍为圆偏振光，但转动方向与原来的相反圆偏振光通过l/2波片后仍为圆偏振光，但转动方向与原来的相反

  44. 检偏器 方法： 第一步：让光通过检偏器,并让检偏器旋转一周，则 四.偏振光的检验 • 线偏振光:两次光强最大,两次为零 • 部分偏振光和椭圆偏振光：两次光强最大,两次最小,但不为零 • 自然光和圆偏振光：光强始终不变

  45. 第二步：区别自然光与圆偏振光， 部分偏振光与椭圆偏振光 • 圆偏振光和椭圆偏振光：由两个有确定位相差的相互垂直的光振动合成而成 • 自然光和部分偏振光：不同振动面上的光振动彼此独立，即两个相互垂直的振动之间没有恒定的位相差

  46. 检偏器 经l/4波片 后圆偏振光成为线偏振光，转动检偏器，有最大光强和消光的为圆偏振光，没有变化的则为自然光 • 基本方法：在检偏器前加一块l/4波片 • 区别自然光和圆偏振光:

  47. l/4波片的光轴方向平行于椭圆偏振光的长轴或短轴,经l/4波片后椭圆偏振光变为线偏振光，可根据光强的变化进行区别l/4波片的光轴方向平行于椭圆偏振光的长轴或短轴,经l/4波片后椭圆偏振光变为线偏振光，可根据光强的变化进行区别 • 区别部分偏振光和椭圆偏振光:

  48. 光轴 双折射晶片 起偏器 单色自然光 检偏器 §5-6 偏振光的干涉 一.偏振光干涉原理

  49. 经晶片：o光和e光的位相差为 ----振动方向垂直，位相差固定 振幅为

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