大学物理：第 19章 光的偏振..ppt

第 19 章 光的偏振 序 言 十七世纪下半叶 牛顿：光的微粒说惠更斯：光的波动说 十九世纪初 托马斯 • 杨：双缝干涉实验、直边衍射现象 菲涅尔：光的波动理论 十九世纪中叶 麦克斯韦：光的电磁波理论 十九世纪末二十世纪初 爱因斯坦：光子假设 光的量子说 序-1 简短的历史回顾 序-2 光源 发射辐射的发光体反射辐射的物体 （次级光源） 特性：大小、强度、颜色 点光源线度小到可以忽略的光源 一、光源的发光机理 原子发光 激发态寿命 10-11～10-8 s 自发辐射 一定频率，长度有限的光波列 E1 E2 基态 激发态 分子，凝聚物质发光 能级分布准连续连续频率的光波列 光源发光 大量原子和分子持续、随机地发射的光波列 二、单色辐射和多色辐射 热辐射光源白炽灯、弧光灯、太阳 非热辐射光源 气体放电管、钠光灯、水银灯、日光灯 光谱 光的强度按频率（或波长）的分布 线光谱 连续光谱 400nm500nm600nm700nm H2 Hg Na 太阳吸收光谱 三、光波列的频谱宽度 一个光波列，严格讲不是一单色光，有频谱宽度 或 理论可证明： 波矢 为波列长度 又 代入上式 为该波列的发光时间，或原子在激发态的寿命。

显然 或 单色性愈好 序-3 光的直线传播与衍射 一、光线的概念 • S D E 二、光速与折射率 真空中：c = 299,7930.3km/s 媒质中：v < c 与频率有关 空气中：v = 0.9997c 折射率 n = c/v 三、波面与光程 • • A B 色散 END 第 19 章 光的偏振 19.1 偏振光与自然光 19.2 线偏振光的获得和检验 19.3 椭圆（圆）偏振光的获得和检验 19.1 偏振光与自然光 一、光的偏振性 光是横波 光矢量（E）的各种振动状态偏振态 五种偏振态（光） 线偏振光（平面偏振光） 椭圆偏振光 自然光 部分偏振光 圆偏振光 二、线偏振光与椭圆偏振光 线偏振光 光矢量在传播中始终保持在一个 固定平面上振动 平行 斜交 垂直 y z y z x 振动面 x 振动面 y z 沿 y-z 平面内任一方向振动的线偏振光 二个相互垂直、同频率、同相位（或相位差为p）的 线偏振光的叠加 Ey Ez 椭圆（圆）偏振光 光矢量绕着光的传播方向旋转，其旋 转角速度对应光的角频率；光矢量端 点的轨迹是一个椭圆(圆) y x z 0 y x z 0 y z y z 右旋 左旋 二个相互垂直、同频率、相位差确定的线偏振光的叠加 当 时为椭圆偏振光 当 ，且振幅相等时为圆偏振光 椭圆（圆）偏振光 三、自然光与部分偏振光 每个原子发射的光波列为一偏振光 自然光：大量原子随机发射的光波列的 集合，每个光波列的频率、相位、振动 方向、波列长度均不同。

就振动方向而言，具有轴对称分布 自然光的图示 一束自然光可分解为两束振动方向相互 垂直的、等幅的、不相干的线偏振光 y z y z Iy=Iz 部分偏振光 光矢量的振动方向不具 有轴对称分布，而是在 某一方向占优势 部分偏振光的图示 END 19.2 线偏振光的获得和检验 一、偏振片 马吕斯定律 偏振片 利用媒质的某种光学不对称性制成的光学元件 作用：从自然光获得线偏振光 各向异性 通光方向 P 偏振片的通光方向（P ）称为偏振化方向 P1 P2 起偏器检偏器 E a P 马吕斯（Malus）定律 考虑线偏振光 经过一偏振片 只有Ecosa分量可通过 自然光入射，出射光强为 I a 0 消光位置 马吕斯定律 [例19-1] 两块性质完全相同的偏振片平行放置，其通光方 向P1、P2间夹角为p/6光强为I0的自然光垂直入射，经过 第一块偏振片后的光强为0.32I0，求经过第二块偏振片后的 出射光强 P1 P2 I00.32I0I =？ 解： 光强经P1后小于0.5I0，说明偏 振片有吸收 透过率为 由马吕斯定律，通过P2后的出射光强为 [例19-2] 一束光是自然光和线偏振光的混合光，当它垂直通 过一偏振片后，随着偏振片的偏振化方向取向的不同，出射 光强度可以变化 5 倍。

问：入射光中自然光与线偏振光的强 度各占入射光强度的百分比为多少？ 解：由马吕斯定律 式中I0、I1分别为入射光中自然光与线偏振光的强度 由题意可知 解得： I1 = 2I0 自然光所占百分比： 线偏振光所占百分比： 二、反射和折射时的偏振 布儒斯特（Brewster）定律：当自然光以一定的角度入 射到两种媒质表面时，反射光与折射光之间的夹角恰好 垂直，此时反射光为垂直于入射面的线偏振光相应的 入射角ib称为布儒斯特角（起偏角）： ib r n1 n2 推导：由折射定律 代入即得结果 当入射角不等于布儒斯特角时，反射光、折射光均为 部分偏振光 为什么？ q 振荡电偶极子电磁辐射强度的角分布 ib r n1 n2 折射时的偏振光 玻璃片堆 ib r n1 n1 n2 n2 在任一面上的入射角均为布 儒斯特角 三、晶体的双折射 1. 晶体的双折射现象 当一束自然光射入某些晶体后出现了二束折射光的现象 二束折射光中一束满足折射定律， 称为寻常光（o光）ordinary rays 另一束不满足折射定律，称为非 常光（e光）extraordinary rays o光 e光 光轴  o光和e光均为线偏振光 光轴 晶体内的一个特殊方向，光沿此方向传播时不发生 双折射现象。

单轴晶体 双轴晶体 主平面 光在晶体中传播时，光线与光轴构成的平面 o光振动方向与主平面垂直，e光振动方向与主平面平行 光轴 2. 单轴晶体中的子波 各向异性e 与方向有关 晶体内光的传播速度与光的传播方向有关 o光垂直于主平面（垂直于光轴）， 沿各方向传播速度相同 e光平行于主平面（与光轴有一定夹 角），沿各方向传播速度不同 光在晶体内传播速 度的大小和光矢量 与光轴间的相对取 向密切相关 光轴 定义：主折射率 ve为e光在与光轴垂直方向的传播速度 o光的波阵面 球面e光的波阵面 旋转椭球面 o光满足折射定律 e光沿各方向传播速度不同，ne随入射角变化而变化，不 满足折射定律 光轴光轴 定义：主折射率 正晶体（如石英）负晶体（如方解石） ve为e光在与光轴垂直方向的传播速度 o光的波阵面 球面e光的波阵面 旋转椭球面 o光满足折射定律 e光沿各方向传播速度不同，ne随入射角变化而变化，不 满足折射定律 3. 惠更斯原理对双折射现象的解释 光轴 o e [例19-3] 在主折射率为no，ne的单轴晶体中，一束e光沿与 光轴夹角为q 的方向传播，求其传播速度。

vo ve vx vy q 解：在速度平面内画o光和e光的 波阵面，设光轴沿vy方向，则 由此解得 END 19.3 椭圆（圆）偏振光的获得和检验 一、波片 单轴晶体薄片，光轴与表面平行 一束线偏振光垂直射入晶体后 传播相同路程d后o、e光间 光程差为d = (no-ne)d 经过一定厚度的波片后，便具 有确定的相位差: MN o光 e光 MN E Eo Ee 光轴 a 四分之一波片 波片厚度满足此时 即：能使o光e光间产生 相位差的波片 二分之一波片(半波片） 波片厚度满足此时 即：能使o光e光间产生 相位差的波片 片的作用 线偏椭偏 特例：圆、线偏 椭偏椭偏特例：线偏 园偏线偏 片的作用 线偏线偏 椭偏（圆偏）椭偏（圆偏） 方向转过2q，（q为入射线 偏与光轴间夹角） 自然光自然光自然光自然光 [例19-4] 在两个偏振化方向相同的偏振片之间平行地插入 一厚度d = 0.01mm的波片，其光轴方向与偏振化方向之间 夹角为p/4以白光入射，出射光中缺少那些波长的光？（ 设对于可见光范围的所有波长有no – ne = 0.172） 解：入射光经第一块偏振片P1后为线偏振光，若对于某一波 长，波片恰为半波片，则经过该波片后此波长的光将不能透 过第二块偏振片P2。

由式中k = 1，2，3， 以k = 2、3代入，即得：l =688nm，491.4nm 二、椭圆（圆）偏振光的获得 a 单色线偏椭偏 波片 四分之一？ 二分之一？ 其它？ 获得圆偏的条件： （1）Eo=Ee，即 Esina=Ecosa （2）o光和e光的相位差 用四分之一波片 l/ 4 三、偏振光和自然光的区别、检验 P 自然光自然光线偏 P 圆偏 线偏 线偏 P 自然光 线偏 转动偏振片，光强无变化 P 圆偏 线偏 转动偏振片，光强无变化 转动偏振片，光强无变化转动偏振片，光强有变化， 且存在消光位置 l/ 4 P 部分偏部分偏线偏 P 正椭偏 线偏 线偏 P 部分偏 线偏 转动偏振片，光强有变化 ，不存在消光位置 P 椭偏 线偏 转动偏振片，光强有变化， 不存在消光位置 转动偏振片，光强有变化 ，不存在消光位置 转动偏振片，光强有变化， 存在消光位置 一般情况下，椭圆偏振光通过四分之一波片后仍为椭圆偏振 光，无法通过旋转偏振片的方法区别于部分偏振光 END 第 19 章结束 本章电子教案制作人 高 景 。