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光的偏振 - PowerPoint PPT Presentation
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第十九章. 光的偏振. 基本要求. 1 ）从光的偏振说明光是横波，了解光有五种偏振态，以及它们的获得与检验的方法。 2 ）掌握马吕斯定律，能应用它计算偏振光通过检偏器后 光强的变化。了解光在反射和折射时偏振态的变化，并能应用布儒斯特定律计算起偏角。 3 ）理解光在晶体中的双折射现象，掌握确定单轴晶体中 o 光、 e 光的传播方向的惠更斯作图法。 4 ）了解各种波片的意义与作用，掌握其简单的应用。. § 19-1 光波的偏振性及偏振片. E. 光矢量 振动面. 0. v. H. 纵波 — 振动方向 // 传播方向，唯一的. K 2. K 1.
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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
光的偏振
- 1）从光的偏振说明光是横波，了解光有五种偏振态，以及它们的获得与检验的方法。
- 2）掌握马吕斯定律，能应用它计算偏振光通过检偏器后 光强的变化。了解光在反射和折射时偏振态的变化，并能应用布儒斯特定律计算起偏角。
- 3）理解光在晶体中的双折射现象，掌握确定单轴晶体中o光、e光的传播方向的惠更斯作图法。
- 4）了解各种波片的意义与作用，掌握其简单的应用。
E
光矢量
振动面
0
v
H
纵波—振动方向//传播方向，唯一的
K2
K1
横波—振动方向传播方向，不唯一的
K1
K2
1.1横波与偏振：
举例：绳波
区别
结论：
（1 ）只有横波才具有偏振性
（2）光是横波也具有偏振性
—具有二向色性材料制成的,只允许特定振动方向—具有二向色性材料制成的,只允许特定振动方向
的光通过的光学器件.
---只允许通过某方向的振动,而对其垂直方向
则强烈吸收.
偏
振
化
方
向
偏振片
自
然
光
•
•
•
线
偏
振
1.2 偏振片
演示
定义：
二向色性
天然材料：少数晶体。例电气石,硫酸碘奎宁
无光出射
如墨镜,立体电影,偏振显微镜
应用:
.
.
.
.
.
.
举例：阳光、白炽灯、普通光源
产生：
偏振片
偏
振
化
方
向
自
I0
然
•
•
•
光
偏
线
振
2.1 光的三种偏振态
1. 自然光：
光矢量具有各个方向的振动,且各方向振动几率
相等,彼此独立(各振幅相等\无固定位相关系)。
定义 :
几何表示:
(由于振动平面的无规则取向,使光矢量具有环绕传播方向的对称性.)
自然光通过偏振片的光强变化
I 0
偏振片转动, 透射光强不变。
自然光
线偏振光
I1
I2
I0
a
.
.
.
.
.
.
.
.
--入射偏振光振动方向与p2透振方向的夹角
a
A2
=
A
cos
1
---光矢量只限于一个确定的振动方向的光.
定义:
产生：例：自然光经偏振片后的光，液晶显示的光
几何表示
-----马吕斯定律
线偏振光通过偏振片的光强变化
-----马吕斯定律
线偏振光
a
I1
I2
.
.
起偏器
检偏器
马吕斯定律
讨论: 1.
2.
转动偏振片P2, 可看到光强由最亮变到全暗
- P1---起偏器-- 将非偏光变成线偏光的器件
（偏振片、玻璃、尼科耳等）
P2----检偏器—检验光的偏振态的器件
（偏振片、玻璃、尼科耳等）
例题：P79 19—1 19--2
3、部分偏振光（介于线偏和自然光之间的一种光）3、部分偏振光（介于线偏和自然光之间的一种光）
--各方向振动都有且位相独立，但在某个方向的振
动占优势, 关于传播轴成非球对称分布
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
定义:
产生：例：偏振片吸收不好,透射光为部分偏振光,折射光,反射光
几何表示:
通过偏振片的光强
入射光强：I0=IM+Im
透射光强：
转动偏振片P2, 可看到光强由最亮变到较暗（不是全暗）
Ay
Ax
z
Ax，Ay完全相关
—只有一个 其大小不变，方向随t转,E端点轨
迹为一个圆。（分左旋、右旋）
时间平均效果
---同频、同幅、 二垂直线偏光合成
y
A
x
P
A
I0
A//
IP
定义
几何表示:
圆光的产生
检偏：
—t时，一个 ， 大小方向随t转， 端点轨迹为一
个椭圆。
Ay
Ax
z
Ax，Ay完全相关
时间平均效果
I0
IP
y
—同频、不同幅 的互相垂直的二线偏光合成
Ay
P
Ay//
Ax//
Ax
x
定义
几何表示:
椭圆光的产生
检偏：
P转动时IP在Imax和Imin间变化。
.
i
.
.
.
.
.
.
.
n
1
n
2
.
.
r
结论:
.....
S
||||
P
以任意角度入射
3.1 反射和折射光的偏振性
反射光: S 分量强度较大，
折射光: P 分量强度较大。
实验和理论表明：
自然光以任意角入射时,
反射和折射光一般都为部分偏振光。
1812年布儒斯特经大量实验发现：
-----------反射光的偏振化程度取决于入射角i，
i
i
.
0
0
n
.
.
iB
.
.
.
.
1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
n
iB
.
.
.
2
.
.
.
.
.
.
r
.
.
iB
.
.
.
----当光以某特定角 iB 入射，则反射光为振动垂直于入射面的线偏振光。
布儒斯特定律
证:
证毕
自然光
以iB入射
P分量全部折射--反射光只有S分量--线偏振光.
S分量不全反射--折射光有SP分量--部分偏光.
例：
（2）布儒斯特定律可测n2
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1.0
•
1.5
1.0
•
1.5
1.0
•
1.5
1.0
理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的7.4%，而约占85%的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。
为了增加折射光的偏振化程度，可采用玻璃片堆的办法。一束自然光以起偏角56.30入射到20层平板玻璃上，如图：
求它的折射率？若将它放在水中（水的折射率
为 1.33），求布儒斯特角？该材料对水的相对
折射率是多少？
设该材料的折射率为 n ，空气的折射率为1
解：1
2放在水中，则对应有
所以：
该材料对水的相对折射率为1.2
（e光）
（o光）
§19-4 光的双折射
演示
4.1 双折射现象及规律
寻常光（o光）
1.定义: 一束光入射各向异性介质
晶体被折射为两束的现象。
非常光（e光）
遵从折射定律的光线
不遵从折射定律的光线
（e光）
.
e
.
.
o
.
.
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
光
A
光
光
光
光
光
B
光
光
.
e
.
.
o
.
D
.
C
.
.
纸面
纸面
方解石
晶体
方解石
晶体
双
折
射
双
折
射
当i=0时，以入射光线为轴转动方解石
晶体旋转时，o光不动，e光围绕o光旋转
光轴
平
主
光
.
e
光
.
e
.
.
1020
平
面
主
o
光
.
o
光
.
.
0
78
2.主平面:折射光与光轴构成的面.
4.2 几个关于晶体的概念
单晶(方解石\石英）
1.光轴:当光线沿一方向传播时无双
折射.称该方向为晶体的光轴
双晶(云母\硫磺）
推论:光轴方向---n0=ne v0=ve
3.主截面:光轴与自然晶面法线所组成的平面*。
**特例:当入射光线在主截面内时
波面
光轴
光轴
v
v
e
o
*
*
v
v
e
o
o
波面
正晶体
负晶体
v
v
v
v
o
e
o
e
n
n
n
n
o
e
o
e
4.3 单晶中 o, e 光的波阵面
1. O光波面:
2. e光波面:
以光轴为对称轴,与“o”波面相切的旋转椭球面
主折射率
A
M
0
22
自然光
加拿大树胶
0
90
.
.
.
.
.
e
.
.
.
o
光
.
φ
e
.
0
68
.
轴
N
C
.
o
~
n
=
1.4864
1.6584
e
n
=
1.55
1.516
1.6584
n
=
n
=
，
，
e
o
加
n
n
o
>
φ
且
=
77
0
临界角
光发生全反射
>
o
加
n
n
e
>
，所以
光不发生全反射
e
加
主截面
c
•
•
c'
-
2).克尔效应
某些各向同性的透明介质（如非晶体和液体），在外电场的作用下，显示出双折射现象，称为克尔效应。
不加电场: 液体无序排列,各向同性,视场是暗的
加电场E: 液体有序排列,各向异性,视场变明
应用:光电开关;液晶显示屏
**偏振片P1与 P2的透振方向相互平行
的情况分析方法一致
左旋:如石英,葡萄糖
旋光物质分类
右旋:如石英,蔗糖,松解油
例如
6.1旋光现象
线偏振光入射某物质,出射光的光强不变,偏振态不变,只是振动方向以传播方向为轴转过一个角度的现象.
M
N
N’
旋光物体C放在两个正交的偏振片M与N之间，将会看到视场由原来的暗变亮，把检偏器 N 旋转一个角度 ，又可得到暗视场。
例如
M
N
N’
-------旋光物质使振动面所转过的角度.
实验证明：振动面旋转的角度 与材料的厚度d、
浓度C 以及入射光的波长 有关。
为旋光系数;---与材料, 有关
固体：
C为溶液的浓度。
液体：
应用:测浓度--量糖计-(制糖业;制药业)
通过一偏振片时，随着偏振片以光的传播方
向为轴的转动，透射光的强度也跟着改变，
如最强和最弱的光强之比为6：1，那么入射
光中自然光和线偏振光的强度之比为多大?
1
Imin
1
=
I1
Imax
+
=
I1
I2
2
2
1
+
I1
I2
Imax
2
=
=6
1
Imin
I1
2
I1
I2
+
2
=
I1
6
I1
5
=
I2
2
I1
2
=
I2
5
解：
结束
返回
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
习题-2 用方解石切割成一个600的
正三角形，光轴垂直于棱镜的正三角形截面。
设非偏振光的入射角为 i，而 e 光在棱镜内
的折射线与镜底边平行如图所示，求入射角
i,并在图中画出O光的光路。已知ne =1.49，
no=1.66。
结束
返回
ne
sinre
=
1.49×sin300
=
光轴
i
48010’
=
sini
no
sinro
N
=
e
i
sini
0.745
sinro
=
=
=0.499
no
1.66
o
ro
26040’
=
.
.
.
.
.
.
解：
=0.745
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
习题-3 图示的渥拉斯顿棱镜
是由两个450的方解石棱镜组成的，光轴方
向如图所示，以自然光入射，求两束出射
光线间的夹角和振动方向及O；e光的波面
。已知ne =1.49，no=1.66。
.
.
.
io
.
i
ro
.
.
.
.
re
.
.
.
ie
.
.
.
.
re
´
解：当自然光从AB表面进入晶体后，o光e
光沿同一方向传播，。
当光以450角进入第二个棱镜时，原来的
e光变为o光。
结束
返回
ne
no
.
1
>
.
.
e
.
1
.
.
.
.
n osin450
ne
sinre
=
2
.
.
.
.
.
.
.
o
2
re
´
=
9.320
n
ne
(
)
光线1经第二块棱镜折射后偏离法线
>
nosin450
1.66×0.707
sinre
=
=0.788
=
ne
1.49
re
=
51.980
re
ie
sinre
ne
Sin6.980
´
i
1
=6.980
=
×
=
51.98
45
=
光线1在第一块棱镜中是o光，
经折射后中变为e光，
折射后偏离法线
结束
返回
ne
no
.
1
>
.
.
e
.
1
.
.
.
.
2
.
.
.
ne
.
.
.
.
sin450
1.49×0.707
sinro
=0.306
=
=
n0
1.66
o
2
ro
io
=5.60
=
39.40
=
450
39.40
n esin450
no
sinro
=
sinro
ro
no
sin io
´
´
=10.430
1
=
×
ro
q
´
re
+
=19.750
´
=
10.43
9.32
=
+
光线2在第一块棱镜中是e光，
经折射后变为o光，
折射后靠近法线
经第二块棱镜折射后两光线夹角的为
结束
返回
在 一 光 栅 上,第一, 二级明条纹分别出现在
sinq =0.20与 sinq =0.30处, 第四级缺级。
试问:
(1)光栅上相邻两缝的间距(a+b)有多大?
(2)光栅上狭缝可能的最小宽度a 有多大?
(3)按上述选定的a、b值，试问在光屏上
可能观察到的全部级数是多少?
(a+b)
sinj
解：(1)
=
kl
2×600
(a+b)
6×10-4 (cm)
=
=
=
sinj
0.2
a+b
a+b
6×10-4
k缺
4
a
K ‘l
sinj
a
=
=
=
=
=
a
4
4
k’
1
1
sinj
∴
kl
=
(a+b)
sinj
±
=
当
时
a+b
6.00×10-4
k
=
=10
=
l
6.00×10-5
(2)单缝衍射的极小值条件
缺级条件为：
=1.5×10-4 (cm)
(3)
结束
返回
(k+1)
l紫
=
kl
(a+b)
sinj
=
(a+b)
l紫
400
k =
»
k
1
=
=
l
l红
l紫
700-400
1×10-2
=
=3.28
4000×760×10-9
k 的最大值满足条件：
1
sinj
=
解：由光栅方程
在光谱中，可能出现紫光的第k+1级光谱和
红光的第k级光谱相重合，所以，能看到的完整
光谱由下列条件决定：
实际上能看到的完整光谱只有1级
