大学物理学光的偏振教案.docx

大 学 物 理 学 教 案授课章节 第 14 章 光的偏振1. 理解自然光、线偏振光与局部偏振光的区分与表示；2. 理解起偏器与检偏器的原理与作用，把握马吕斯定律及其应用；教学目的教学重点、难点3. 理解反射光完全偏振的条件及此时能量在反射光和折射光中传递的特点，把握布儒斯特定律及其应用；4. 了解双折射现象中寻常光与格外光的区分，了解用双折 射猎取线偏振光的原理，了解偏振光的干预、波片原理及应用1. 理解关的偏振性；2. 了解到双折射是本章的难点内容；3. 理解寻常光〔o 光〕与格外光〔e 光〕的主要区分；4. 怎样推断o 光与e 光的振动方向教学内容 备注第 14 章 光的偏振光的干预和衍射现象不能告知我们光波是横波还是纵波，由于这两种波都能产生干预现象光的偏振现象则清楚地显示了光的横波性光的偏振也是确定光是电磁波的依据之一由于光的偏振，使光的传播又消灭了一些的特点§14.1 自然光和偏振光一、横波的偏振性偏振：是指光的振动有一个固定的方向，并不是哪个方向都有 试验说明， 只有横波才有偏振性例如，平面电磁波，其电场强度E(称光矢量)，就在垂直 于其传播方向的平面上某一固定的方向振动〔图中是X 方向〕。

所以，光波是横波xEc zy平面电磁波示意图二、偏振光、非偏振光和局部偏振光1、 完全偏振光〔线偏振光〕：〔1〕特点：光矢量的振动方向始终不变，但其大小随位相而变因光矢量1大学物理学大 学 物 理 学 教 案的方向始终在一个平面中，假设迎着光传播的方向看，在垂直传播方向的平面内， 只有一个方向有振动，其他方向没有线偏振光又称平面偏振光〔2〕振动面：光矢量的振动方向和传播方向组成的平面例，上面图中的xoz 面线偏振光的表示如下2、非偏振光——自然光：（1） 一般光源发的光是自然光一般光源中每个原子所发出的光的位相关系及振动方向都是随机的，所以一般光源发的光不是偏振光，而是自然光2） 自然光:具有各个方向的光振动，且其间又无固定的位相关系的光自然光的表示方法为（3） 分解自然光在各个方向上都有振动，其中每个振动都可以分解为两个相互垂直的振a动例如，一个振幅为a 的振动可分解为 aya = a cosqxa = a sinqyq X一般, ax¹ a 设各个振动分别分解为ayxa ， a1x 2 x，…；a1 y， a ，L再把它们2 y按 x 重量和y 重量加起来，即得自然光在x 方向和y 方向上的投影A = å ax å ixA = ay iy此时，Ax= A ，(Q 各振动没有优势方向。

)注：这个结果与坐标系无关，〔Q 当yxoy 转到 x”oy” 时，同样有 Ax ”= A 〕y ”2大学物理学大 学 物 理 学 教 案自然光可分作两个相互垂直的、振幅相等的、不相干的线偏振光问题：能不能把这两个光矢量进一步合成一个线偏振光或椭圆光？（4） 强度关系：A = Ax y\ I = Ix y假设自然光的强度记为I ，则I = Ix+ I ，yI = I = Ix y 2 因此，假设有两个光矢量相互垂直，位相无关联的线偏振光，且强度都等于自然光强度的一半，则可以用来代替自然光3、局部偏振光：介于完全偏振光与非偏振光〔自然光〕之间的“一般情形”〔1〕局部偏振光：一个方向振动较弱，而另一方向振动较强的光局部偏振光的表示是〔2〕分解后，有 A ¹ Ax y局部偏振光可分作两个相互垂直的、振幅不相等的、不相干的线偏振光局部偏振光可以看作是由一个完全偏振光和一个自然光混合起来组成的例 1：晴朗蔚蓝色的天空中所散射的日光多是局部偏振光，散射光与入射光的方向越接近垂直，散射光的偏振度越高例 2：南北极探险中所用的“太阳罗盘”¾ 利用被散射的太阳光的偏振性以区分方向例 3：蜜蜂的眼睛里有对偏振敏感的器官。

蜜蜂就是靠来自天空的光的偏振性来打算在蜂巢与花粉源之间的飞行方向的§14.2 起偏与检偏 马吕斯定律一、起偏与检偏(只考虑线偏振光)1 起偏： 把自然光变成偏振光起偏器：用作起偏的仪器例如，偏振片，双折射晶片等当自然光通过起偏器时，它可使自然光只剩下一个方向的振动，而另一个方向的振动则被吸取当偏振光入射时，偏振器也只是让偏振光中沿其透光轴方向上的重量通过2.检偏：用偏振器来检查某入射光的振动状态或偏振状态3大学物理学大 学 物 理 学 教 案3.起偏和检偏的方法：利用光的反射，折射；利用二向色性；利用双折射二、马吕斯定律假设通过起偏器后偏振光的强度为I1，则通过检偏器后的强度为I = I2cos 2 q1q：为起偏器与检偏器两透光方向的夹角缘由：假设通过起偏器后，光振动的振幅为 A1；则通过检偏器后，光振动的振幅为 A2= A cosq ，所以光强是1\ I = A22 2= A2 cos2 q = I1 1cos2 q 可见，q＝90o 时，检偏器不透光，即有消光现象例 4：一束光强为I 的自然光，相继通过三个偏振片P 、P 、P后，出射光◦ 1 2 3I的光强为I =◦ 。

P 和 P 的偏振化方向相互垂直，假设以入射光线为轴，旋8 1 3转 P ，要使出射光的光强为零，P 最少要转过的角度是多少？2 21 2 2 3解：设 P 、P 偏振化方向夹角为a ，则P 、P 偏振化方向夹角为(90o -a ) I\ I = 0 , II,= 0 cos 2 a1 2 2 2I II = 0 cos2 a cos2 (90o - a) = 0 ,2 8即cos2 a sin2 a = 1 ,41 sin 2a = ± 1 ,2 22a = ±90o,a = ±45o，所以 P 、P 偏振化方向夹角为a = ±45o，当P 转过最少45 o 角时，P 、P 偏振化1 2 2 1 2方向相互垂直、出射光的光强为零例 5：两个偏振片P 、P 叠在一起，由强度一样的自然光和线偏振光混合而1 2成的光束垂直入射在偏振片上，进展了两次测量第一次和其次次 P 、和 P 偏1 2振化方向的夹角分别为30o和未知的q ，且入射光中线偏振光的光矢量振动方向与 P 的偏振化方向的夹角分别为 45 和30o不考虑偏振片对可透射重量的反射14大学物理学大 学 物 理 学 教 案和吸取。

第一次透射光强为其次次的3/4，求：〔1〕q 角的数值；〔2〕每次穿过 P 的透射光强与入射光强之比；〔3〕每次连续穿过 P 、P 的透射光强与入1 1 2射光强之比0解：设入射光中自然光的强度为I ，则总的入射光强为2I0（1） 第一次最终出射光强:其次次最终出射光强:由题知I = (0.5I2 0I ¢ = (0.5I2 0+ I cos2 45o ) cos2 30o0+ I cos2 30o ) cos2 q0I = 3 I ¢2 4 2得cos2q = 4 / 5 ，所以（2） 第一次穿过P 的光强1q = 26.6oI = 0.5I + I cos2 45o = I \ I : 2I = 1: 21 0 0 0 1 0其次次穿过P1的光强I ¢ = 0.5I + Icos2 30o = I\ I ¢ : 2I= 5 : 851 0 0（3） 第一次，4 0 1 0其次次，I : 2I = I cos2 30o : 2I = 3 : 8 ；2 0 1 0¢ ¢I : 2I = I2 0 1cos2 q : 2I0= 1 : 2 §14.3 反射与折射时间的偏振一、光在各向同性介质分界面上的反射与折射光在两种介质界面上的行为除传播方向可能转变外，还有能流的安排，位相的跃变和振幅的变化。

自然光可以用两个相互垂直的方向上的重量表示一个是振动面平行于入 射面(平行重量 || )；另一个是振动面垂直于入射面(垂直重量 ^ )留意：两重量的位相无关联！)1、 反射光与折射光的偏振性：当自然光以入射角i 入射到两媒质界面时，反射光是垂直入射面的局部偏振光；折射光是平行入射面的局部偏振光如以以以下图〔a〕所示5大学物理学大 学 物 理 学 教 案反射和折射时间的偏振2、布儒斯特定律〔1〕布儒斯特定律如图〔b〕,当入射角为某个角度i〔称为布儒斯特角〕时，则反射光无平行b重量如是自然光入射，当 i = i0 b时则反射光将是完全偏振光(仅有^重量)，而折射光照旧是局部偏振光；并且反射线和折射线垂直，即i + g = pb 2又由折射定理n1sin ib= n sin g ，得2n=sin ib 2sinæ p - i ö n2ç ÷ 1è b ø即tgib= 2 〔确定布儒斯特角〕nn1例 6：n =1.00 (空气)，n =1.50 (玻璃)，则：1 2ï1 .50 ü空气 → 玻璃 i0= tg -11 .00= 56 °18 ï互余1 .00 ý玻璃 → 空气 i= tg -1 = 33 °42 ï0 1 .50 ïþ思考：如何测量不透亮介质的折射率？二、玻璃片堆起偏和检偏1. 起偏：由电磁理论可知，当i = i 时，自然光从空气→玻璃(n =1.50)反射光强I ¢ 与B 26大学物理学大 学 物 理 学 教 案I入射自然光光强 之比为: I ” / I » 7% .单次反射起偏不能兼顾光束强和偏振0度高两方面的要求。

可利用玻璃片堆的屡次反射得到光束强和仅有^重量的反射线偏振光，同时得到透射的偏振度高的|| 重量的局部偏振光线偏振光例 7：如图安排的三种透射媒质Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，其折射率分别 n1 = 1.33 ，n2 = 1.50。