光的偏振

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 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:

§19-2 自然光和线偏振光; 马吕斯定律 . . . . . . 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。

2. 线偏振光 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

自然光 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

偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化 . 自然光线偏振光 . . . . 起偏器检偏器

偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化自然光线偏振光 . . . . . 起偏器检偏器

偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化自然光线偏振光 . . . . . 起偏器检偏器两偏振片的偏振化方向相互垂直光强为零

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）

作业：P99 19 —1 19 —2-(4) 19 — 5 19 — 6

透振方向相互平行

透振方向成 45 度

透振方向相互垂直

4、圆偏振光（P=1） 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：

5、椭圆偏振光 —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。

§19-3 反射和折射时光的偏振 . 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，

3.2 布儒斯特定律1812---起偏角iB 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

起偏 3.3 玻璃片作用检偏 . . . . iB . iB . . . . . iB iB Imin=0 Imax 检偏举例：n玻=1.5 iB=560

3.4 玻璃堆折射光起偏 • • • • • • • • • • 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：

例题3：已知某材料在空气中的布儒斯特角 i0 = 580，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

（o光） （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）

方解石晶体的双折射现象

. . 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

（e光） （o光） 2. o. e 光的异同 (1) o,e 光皆是线偏振光 (2) o,e光的偏振方向不同 (3) o光沿各方向传播的速度相同 e光沿各方向传播速度不相同 vo Ve

面光轴平主光 . 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

e 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

. . . . . . . . . . e e o o 3.用惠更斯原理作图法，求“o”,”e”光方向例1. 平面波倾斜入射方解石晶体(属特例情况) 出射两束偏振方向相互垂直的线偏光 C i D A 光轴

C A D B . . . . . . F . . 光轴 e e o 例2. 平面波垂直入射方解石晶体 E o

A C A C D B D B . . 光轴光轴 . . . . . . . . . . e . e . o e . e . o o o 例3. 平面波垂直入射方解石晶体（光轴平行于晶面）结论:“o”,“e”光前后分开,产生一定的光程差波片--位相延迟器

1.516 1.6584 n = n = e o ~ n = 1.4864 1.6584 e 0 68 涂上加拿大树胶n=1.55 4.4 尼科耳棱镜----利用双折射的起偏检偏器件 1.结构(方解石)

1.516 1.6584 n = n = e o ~ n = 1.4864 1.6584 e 710 680 4.4 尼科耳棱镜----利用双折射的起偏检偏器件 1.结构(方解石) 尼科耳棱镜的制作过程

尼科耳棱镜的制作过程 0 68

尼科耳棱镜的制作过程 0 68 涂上加拿大树胶

尼科耳棱镜的制作过程 0 68 主截面

2.尼科耳棱镜起偏原理 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

3.尼科耳棱镜检偏原理 //p2 p1 A1 A2 p2 . . . . . . . . . . . . p1 A1 A2 p1 A1 A1 A2=0 p2 A2=0 A1 A2 尼科耳棱镜相当于一个偏振片—--透振方向//主截面

光轴 d §19-5 偏振光的干涉 5.1 波片位相延迟器 e 1.波片:光轴平行于表面的单晶片 • • O 2.作用:位相延迟,使O,E光产生位相差 3.延迟量光程差: 位相差: 4.波片分类二分之一波片四分之一波片

5.2偏振光的干涉 波片偏振片干涉 • • 椭圆偏光入射自然光线偏光 1.装置 2.偏振光的干涉 (1)振幅 (2)位相差由三部分组成波片投影 (3)双光干涉迭加

偏振片 干涉椭圆偏光入射自然光线偏光波片 • • (2) 变,显色偏振 (3) 变,人工双折射 ---条纹讨论: (1) d变,棱形波片

• • 1).光弹性效应不加应力:玻璃塑料均是各向同性,对光无影响屏上暗, 加应力F: 出现条纹条纹密处--压强P大应用: --测压力

+ 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

光的偏振

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