第五章-光的偏振.ppt

光的偏振2 光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性，光的偏光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性，光的偏振现象证实了光的横波性这些都是对光的波动振现象证实了光的横波性这些都是对光的波动理论的有力证明理论的有力证明在光与物质相互作用时，横波振动着的电矢量起在光与物质相互作用时，横波振动着的电矢量起主要作用，电矢量的各种振动状态使光具有各种主要作用，电矢量的各种振动状态使光具有各种偏振态 §5.1 §5.1 自然光与偏振光自然光与偏振光 Natural Light and Polarized LightNatural Light and Polarized LightE播播传传方方向向振振动动面面·面对光的传播方向看面对光的传播方向看3 光光是是横横波波, ,光光的的振振动动方方向向应应始始终终与与光光的的传传播播方方向向垂垂直直. .但但是是, ,在在垂垂直直于于光光的的传传播播方方向向的的平平面面内内, , 光光矢矢量量还还可可以以有有不不同同的的振振动动状状态态，，我我们们称称在在垂垂直直于于光光传传播播方方向向的的二二维维平平面面内内，，光光矢矢量量的振动状态叫做光波的偏振态的振动状态叫做光波的偏振态. .光波按偏振态来划分，可分为五种：光波按偏振态来划分，可分为五种： （（1）自然光；（）自然光；（2）部分偏振光；（）部分偏振光；（3）线偏振光；）线偏振光；（（4）圆偏振光；（）圆偏振光；（5）椭圆偏振光。

椭圆偏振光也可以是以上几种偏振状态的组合也可以是以上几种偏振状态的组合4 1.1.自然光自然光 普普通通光光源源中中包包含含许许许许多多多多分分子子和和原原子子, ,不不同同的的原原子子或或分分子子所所发发出出的的光光波波, ,或或同同一一原原子子不不同同时时刻刻所所发发光光波波, ,其振动方向、振幅、初始相位各不相同其振动方向、振幅、初始相位各不相同. . 在在垂垂直直于于光光传传播播方方向向的的平平面面内内, , 在在观观测测时时间间间间隔隔内内, ,光光振振动动在在各各个个方方向向的的几几率率相相同同, ,没没有有那那一一个个方方向向占占更大更大优势优势. . 这这种光称种光称为为自然光自然光. .电电矢矢量量对对于于光光的的传传播播方方向向是是轴轴对对称称分分布布的的. .即即沿沿着着各各个个方方向向振振动动的的振幅都相等如振幅都相等如图图自然光自然光5 自然光自然光由于这些光振动来自不同的原子或分子，因此它们之由于这些光振动来自不同的原子或分子，因此它们之间间没有固定的相位关系没有固定的相位关系，故不可能进行矢量合成故不可能进行矢量合成实际普通光源发出的光都属于实际普通光源发出的光都属于自然光自然光。

激光除外）激光除外）对自然光，若把所有方向上的光振动都投影到相互垂直对自然光，若把所有方向上的光振动都投影到相互垂直的两个方向上则在这两个方向上的平均振幅相等的两个方向上则在这两个方向上的平均振幅相等6 自然光的一种表示方法自然光的一种表示方法由此可见，自然光可以分解为两个强度相等，振动由此可见，自然光可以分解为两个强度相等，振动方向相互垂直的光振动方向相互垂直的光振动但是注意：自然光的上述分解后，两个相互垂直的但是注意：自然光的上述分解后，两个相互垂直的振动分量之间，由于没有确定的相位关系，所以不振动分量之间，由于没有确定的相位关系，所以不能合成一个单独的矢量能合成一个单独的矢量若自然光的强度为若自然光的强度为I0，则，则由此可得：由此可得：7 线偏振光的表示方法线偏振光的表示方法2.2.线线偏振光偏振光在在光光的的传传播播过过程程中中，，光光振振动动电电矢矢量量始始终终保保持持在在包包含含光光线线的的同同一一平平面面内内, , 在在与与光光传传播播方方向向垂垂直直的的平平面面内内，， 电电矢矢量量端端点点的的轨轨迹迹是是一一条条直直线线 光光振振动动只只改改变变振振幅幅大大小小，，不不改改变变方方向向. .这这种种偏偏振振光光又又叫叫做做平平面偏振光面偏振光. . 线偏振光的振动面始终保持某一确定方位不变。

线偏振光的振动面始终保持某一确定方位不变一一个线偏振光可以分解成两个振动方向相互垂直，个线偏振光可以分解成两个振动方向相互垂直，频率相同，相位相同或相反的线偏振光频率相同，相位相同或相反的线偏振光依赖于依赖于x, yx, y方向的选取方向的选取对线偏振光对线偏振光EEyEx yx 或者反过来说，或者反过来说， E可看作是沿可看作是沿X、、Y方向振动，频率方向振动，频率相同，相位相同或相反的线偏振光的合成相同，相位相同或相反的线偏振光的合成9 3 3．部分偏振光．部分偏振光在在与与光光传传播播方方向向垂垂直直的的平平面面内内，，光光振振动动具具有有各各种种振振动动方方向向，，但但不不同同方方向向的的振振幅幅不不同同，，在在某某一一方方向向上上的的振振幅幅最最大大，，而而在在与与之之正正交交的的方方向向上上振振幅幅最最小小，，这种光称为这种光称为部分偏振光部分偏振光部分偏振光可表示为：部分偏振光可表示为：10 部分偏振光的振动也可以把各个方向的振动分部分偏振光的振动也可以把各个方向的振动分解成两个相互垂直的线偏振光解成两个相互垂直的线偏振光分解后的两个线偏振光振幅不等，相位也无关联。

分解后的两个线偏振光振幅不等，相位也无关联因而也不可能合成为一个单独的矢量因而也不可能合成为一个单独的矢量11 为了定量描述部分偏振光，引入为了定量描述部分偏振光，引入偏振度偏振度的概念：的概念：定义：定义：Imax为一束光最大振幅对应的光强，为一束光最大振幅对应的光强，Imin为最小振为最小振幅对应的光强幅对应的光强当当Imin ＝＝0时，时，P＝＝1，， 即为线偏振光即为线偏振光当当Imax ＝＝ Imin时，时，P＝＝0，， 即为自然光即为自然光对于部分偏振光，对于部分偏振光， 0

反射光和折射光的传播方向由反射和折射定律决定而反射光和折射光的振幅则由菲涅耳公式决定而反射光和折射光的振幅则由菲涅耳公式决定17 若不考虑方向，则有：若不考虑方向，则有：当当 i1＝＝0  或或 i1＝＝90 的两种情况下，有：的两种情况下，有：18 因此因此对于自然光，对于自然光，因而有：因而有：即当入射角为即当入射角为0 或或90 时，入射自然光，反射光仍时，入射自然光，反射光仍然为自然光然为自然光除除i1＝＝0  或或 90 外的任何角度入射时，都有：外的任何角度入射时，都有：全反射时例外全反射时例外19 因此有：因此有：对于自然光，对于自然光，则反射光为部分偏振光则反射光为部分偏振光由此可见，当入射角为由此可见，当入射角为0 或或90 时，入射自然光，时，入射自然光，反射光仍然为自然光入射角为其它角度时（全反反射光仍然为自然光入射角为其它角度时（全反射时除外），反射光则为部分偏振光射时除外），反射光则为部分偏振光20 由菲涅耳公式：由菲涅耳公式：当当 时时, ,分母为无穷大分母为无穷大, ,由于由于Ap1  0，则必有，则必有 即反射光中没有即反射光中没有P分量，只有分量，只有S分量。

则反射光成分量则反射光成为只有垂直于入射面的线偏振光为只有垂直于入射面的线偏振光由折射定律，由折射定律，则则21 即即反射光为垂直于入射面的线偏振光反射光为垂直于入射面的线偏振光反射光的偏振是由苏格兰物理学家反射光的偏振是由苏格兰物理学家布儒斯特布儒斯特(D. Brewster 1781--1868) 在菲涅耳公式出现以前于在菲涅耳公式出现以前于1811年在年在实验中发现的实验中发现的— 布儒斯特定律布儒斯特定律反射起偏引例布儒斯特定律注意：注意：1）当入射角为布儒斯特角时，反射光为振动方向垂直入）当入射角为布儒斯特角时，反射光为振动方向垂直入射面的线偏振光，而折射光仍为振动方向平行于入射面射面的线偏振光，而折射光仍为振动方向平行于入射面的成分占优势的部分偏振光，这是因为反射光线很弱，的成分占优势的部分偏振光，这是因为反射光线很弱，光强达不到自然光的一半光强达不到自然光的一半2）要注意布儒斯特角与全反射角的区别：）要注意布儒斯特角与全反射角的区别：两者条件不两者条件不同全反射时对同全反射时对n1 、、 n2 有要求；而有要求；而布儒斯特角无此要求；布儒斯特角无此要求；入射角大于全反射角时都会发生全反射，但只有入射角入射角大于全反射角时都会发生全反射，但只有入射角为为布儒斯特角时反射光才是完全线偏振光。

布儒斯特角时反射光才是完全线偏振光3) 在布氏定律中，在布氏定律中，n1 为反射光线所在媒质的折射率，为反射光线所在媒质的折射率， n2为折射光线所在媒质的折射率为折射光线所在媒质的折射率26 当自然光以布儒斯特角入射到两种介质的界面上当自然光以布儒斯特角入射到两种介质的界面上时，反射光中只有时，反射光中只有S分量，反射的分量，反射的S分量只占总分量只占总S分量的分量的15％左右，占总入射光的％左右，占总入射光的7.5％，这样反％，这样反射的线偏振光强度将会很小射的线偏振光强度将会很小若将一束自然光以布儒斯特角入射到一个玻璃堆若将一束自然光以布儒斯特角入射到一个玻璃堆上，折射光中的上，折射光中的S分量在每个界面上都将反射掉分量在每个界面上都将反射掉一部分，而与入射面平行的一部分，而与入射面平行的P分量都不被反射，分量都不被反射，全部透射全部透射28 ．．．．．．． ．． ．．． ． ．． ．． ．玻璃片堆的反射起偏和透射起偏玻璃片堆的反射起偏和透射起偏当玻璃片足够多时，从玻璃堆透射出来的光就当玻璃片足够多时，从玻璃堆透射出来的光就近似为平行于入射面的线偏振光，而光强可近近似为平行于入射面的线偏振光，而光强可近似达到入射自然光的似达到入射自然光的50％。

％29 布儒斯特定律的应用布儒斯特定律的应用：：① ① 测量不透明测量不透明介质的折射率介质的折射率？？ ② ② 在拍在拍摄摄玻璃玻璃窗内的物体时，窗内的物体时，如何去掉反射光如何去掉反射光的干扰？的干扰？未装偏振片未装偏振片装偏振片装偏振片③③外腔式激光管加装布儒斯特窗外腔式激光管加装布儒斯特窗 提高输出功率提高输出功率 布儒斯特窗31 二二. 由二向色性产生线偏振光由二向色性产生线偏振光有些晶体对于入射自然光的两个相互垂直的光振有些晶体对于入射自然光的两个相互垂直的光振动吸收不同，这种晶体称为动吸收不同，这种晶体称为二向色性晶体二向色性晶体例如例如:天然的电气石晶体，它属于六角形片状结构，天然的电气石晶体，它属于六角形片状结构，长对角线的方向称为它的长对角线的方向称为它的光轴光轴当自然光射到晶体上时当自然光射到晶体上时，振动方向与光轴平行，振动方向与光轴平行的分量，吸收很少，通的分量，吸收很少，通过的很多而与光轴垂过的很多而与光轴垂直的振动分量，则被强直的振动分量，则被强烈的吸收，通过的很少烈的吸收，通过的很少这种特性称为二向色性这种特性称为二向色性32 在天然的晶体中，电气石晶体具有最强的二向在天然的晶体中，电气石晶体具有最强的二向色性，色性，1mm厚的电气石可以把垂直光轴的光矢厚的电气石可以把垂直光轴的光矢量全部吸收掉，使透射光成为振动方向与其光量全部吸收掉，使透射光成为振动方向与其光轴平行的轴平行的线偏振光线偏振光。

一般晶体的二向色性还与光波波长有关，因此，一般晶体的二向色性还与光波波长有关，因此，当振动方向相互垂直的两束线偏振白光，通过晶当振动方向相互垂直的两束线偏振白光，通过晶体后会呈现出不同的颜色，这也是体后会呈现出不同的颜色，这也是二向色性二向色性这个这个名称的由来名称的由来除了电气石外，有些有机化合物的晶体，如除了电气石外，有些有机化合物的晶体，如碘碘化硫酸奎宁化硫酸奎宁也有二向色性也有二向色性33 目前广泛使用获得偏振光的器件是人造偏振片，称目前广泛使用获得偏振光的器件是人造偏振片，称为为H偏振片，简称偏振片，简称偏振片偏振片制作方法：制作方法：把聚乙烯醇在碘溶液中浸泡后，在较高的温度下把聚乙烯醇在碘溶液中浸泡后，在较高的温度下拉伸，再烘干制成拉伸，再烘干制成浸泡过的聚乙烯醇膜分子沿着拉伸方向规则地排列，浸泡过的聚乙烯醇膜分子沿着拉伸方向规则地排列，碘原子依次沿聚乙烯醇分子链排列起来导电电子就碘原子依次沿聚乙烯醇分子链排列起来导电电子就能沿着分子长链方向运动形成一条条导电的长链，能沿着分子长链方向运动形成一条条导电的长链，称为称为分子导线分子导线34 入射光波中沿着长链方向的电场矢量，推动电子入射光波中沿着长链方向的电场矢量，推动电子运动而做功。

因而被强烈吸收，垂直长链方向的运动而做功因而被强烈吸收，垂直长链方向的电矢量不对电子做功，能够通过则透射光就成电矢量不对电子做功，能够通过则透射光就成为线偏振光为线偏振光偏振片允许透过的光矢量的振动方向称为它的偏振片允许透过的光矢量的振动方向称为它的透透振方向，或透光轴振方向，或透光轴人造偏振片的优点是，人造偏振片的优点是，可做成薄片，面积可做的很可做成薄片，面积可做的很大，既轻便又廉价因此被广泛使用大，既轻便又廉价因此被广泛使用缺点是，缺点是，带有选择性吸收，使透射的偏振光带有带有选择性吸收，使透射的偏振光带有颜色另外，偏振度不高另外，偏振度不高偏振器起偏和检偏901802703600————消光消光改变改变 ，，I 随之改变随之改变39 （（2）若入射光为部分偏振光，则透射光强会发）若入射光为部分偏振光，则透射光强会发生变化，且出现两次最大和两次最小，但无消生变化，且出现两次最大和两次最小，但无消光位置；光位置；（（3）若入射光为自然光，转动检偏器透射的光）若入射光为自然光，转动检偏器透射的光强无变化强无变化若使入射光垂直通过检偏器，并以光线为轴，旋转检若使入射光垂直通过检偏器，并以光线为轴，旋转检偏器一周，同时观察透过检偏器光强的变化。

偏器一周，同时观察透过检偏器光强的变化1）若入射光为线偏振光，则透射光强会发生）若入射光为线偏振光，则透射光强会发生变化，且出现两次最大和两次消光；变化，且出现两次最大和两次消光；40 例题例题5.2 P312 通过偏振片观察一束部分偏振光当偏振片通过偏振片观察一束部分偏振光当偏振片由对应透射光强最大的位置转过由对应透射光强最大的位置转过60º时，其光强减时，其光强减为一半，试求这束部分偏振光中的自然光和线偏为一半，试求这束部分偏振光中的自然光和线偏振光的强度之比以及光束的偏振度振光的强度之比以及光束的偏振度解：部分偏振光相当于自然光和线偏振光的叠加解：部分偏振光相当于自然光和线偏振光的叠加设自然光的强度为设自然光的强度为In，， 线偏振光的强度为线偏振光的强度为Ip，则部，则部分偏振光的强度为分偏振光的强度为In＋＋Ip当偏振片处于使透射光强最大的位置时，其中的线当偏振片处于使透射光强最大的位置时，其中的线偏振光通过偏振片后的强度仍为偏振光通过偏振片后的强度仍为Ip，而自然光透过，而自然光透过的强度为的强度为In /2则透过的总光强为：则透过的总光强为：41 偏振片转过偏振片转过60º后，透射光的强度为：后，透射光的强度为：根据题意：根据题意：即即由此可得线偏振光与自然光的由此可得线偏振光与自然光的强度之比为：强度之比为：42 因此，该光束通过偏振片的后的最大光强因此，该光束通过偏振片的后的最大光强可写为：可写为：则该光束的偏振度为：则该光束的偏振度为：本节结束本节结束5-3 5-3 光通过单轴晶体时的双折射现象光通过单轴晶体时的双折射现象一、双折射现象一、双折射现象O光e光双折射现象双折射现象方解石晶体方解石晶体CaCO3纸面纸面 某些透明晶体（如方解石、石英等）沿不同方向其光学特性有所不同（各向异性）。

一束单色光入射于这种晶体时会产生两束折射光，称为双折射现象 透过这种晶体去观察物体，则会看到双重像像寻常与非常光续上若用细光束垂直于晶面入射若用细光束垂直于晶面入射不偏折若转动晶体，e光亦转动若用偏振器检查，若用偏振器检查，都是线偏振光且且偏振方向互相垂偏振方向互相垂直所以，所以，利用双折射现象也可以获得线偏振光利用双折射现象也可以获得线偏振光晶体的光轴 方解石、石英、红宝石等晶体，只有一个光轴方向，称为单轴晶体 云母、蓝宝石、橄榄石等晶体，有两个光轴方向，称为双轴晶体 晶体的光轴是晶体中的一个特殊晶体的光轴是晶体中的一个特殊的的方向方向，在该方向上，，在该方向上，o o光、光、e e光的传光的传播速度（大小和方向）相同，即折射播速度（大小和方向）相同，即折射率相等，不产生双折射现象率相等，不产生双折射现象方解石方解石的光轴 通过A A或B B，并与三个会合钝角的界面成等角的直线方向，就是方解石晶体的光轴方向（（对于严格等棱长的方解对于严格等棱长的方解石菱体，即石菱体，即ABAB连线方向）连线方向）与此平行通过晶体的直线都是光轴方向，常用表示续上晶体的主截面方 解 石 o光和e光都是完全偏振光，其光振动方向与晶体结构和光入射条件有关。

先定义两种平面：四、四、o o光和光和e e光的振动方向光的振动方向晶体的主截面晶体的主截面——含光轴并与某晶面正交的平面对于某一晶面，主截面是一系列互相平行的平面，它们既包含光轴方向，又与该晶面正交（含该晶面的法线方向）109oo71方解石主截面的晶面交线都是平行四边形，边长随截面位置各异，但内角有共同特点109oo71某晶面法线方向 光轴方向折射光主平面任意方向入射 一般情况下这两个主平面不严格重合主平面主平面折射光线的主平面折射光线的主平面——含光轴和晶体内某一折射线的平面主截面内入射若在晶体的主截面内入射主平面主平面晶体主截面三者共面三者共面即都在主截面和入射面内和主要讨论这种最基本的入射情况折射光线的主平面折射光线的主平面——含光轴和晶体内某一折射含光轴和晶体内某一折射 线的平面线的平面o、e光的振向在晶体主截面内入射iCCOO光光光光 振动振动垂直于主截面e e光光光光振动振动在主截面内方解石晶体主截面OO光光光光e e光光光光e e光光光光OO光光光光光线、都在主截面内并且都是线偏振光。