自然光偏振光i
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光的偏振及其应用
光的偏振及其应用一、光的偏振光的偏振（polariz ationof light）振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。
光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。
只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。
在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。
凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。
自然光通过偏振片P之后，只有振动方向与偏振片的透振方向一致的光才能顺利通过，也就是说，通过偏振片P的光波，在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定的方向振动，这种光叫偏振光。
通过偏振片P的偏振光，再通过偏振片Q，如果两个偏振片的透振方向平行，则可以通过；如果两个偏振片的透振方向垂直，则不能透过Q（如图-1所示）。
根据偏振光的这个特性，在实际中有很多用途。
二、光的偏振的应用1．在摄影镜头前加上偏振镜消除反光自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光，而且入射角变化时，偏振的程度也有变化。
在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等，常常会出现耀斑或反光，这是由于反射光波的干扰而引起的。
如果在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜片，让它的透振方向与反射光的透振方向垂直，就可以减弱反射光而使水下或玻璃后的影像清晰。
例1．下列说法正确的是（）A．拍摄蓝天白云相片时，可以加用偏振镜片，突出蓝天中的白云B．一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线的夹角恰好是90°时，反射光和折射光都是偏振光C．日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景物更清晰D．拍摄玻璃橱窗里的陈列物时，照相机镜头前的偏振片的透振方向应与反射光的振动方向平行分析：由于蓝天中存在大量的偏振光，所以用偏振镜能够调节天空的亮度，加用偏振镜以后，蓝天会变暗，从而突出了蓝天中的白云，所以A正确；自然光射到界面上时，反射光线与折射光线都是偏振光，当反射光和折射光的夹角为90°时，偏振程度最大，且两束光的振动方向垂直，所以B正确；拍摄水面下或玻璃橱窗内的景物时，应使偏振片的透振方向与反射光的振动方向垂直，这样反射光不能进入镜头，所以C正确，D错误。
自然光线偏振光
•• •• •• •
图19-7
15
2.马吕斯定律 马吕斯指出,强度为Io的线偏振光,透过检偏片后, 透射光的强度(不考虑吸收)
I=Iocos2
(19-1)
式中, 是入射线偏振光的光振动方向和偏振片偏振化 方向之间的夹角。上式称为马吕斯定律。
证明如下： Io= Eo2
Eo Eocos
I=(Eocos)2 = Iocos2
2. 激光光源：受激辐射 (将在近代物理中讨论)
3.同步辐射光源
7
§19-2 光波列的频谱宽度
光波列长度: x = c t
它不是单色光，实际是由 某一中心波长o附近的许多不 同频率的单色光组成。
波列长x
由付里叶积分可以证明，频宽：v 1 t
可见, 波列愈长, 其单色性愈好。
实际谱线宽度大大超过上述自然宽度。原因
图19-8 16
例题19-1 自然光连续通过两个叠在一起的偏振 片后，透射光强为入射光强的四分之一，求两个偏振 片偏振化方向之间的夹角。
解 设两偏振片偏振化方向间的夹角为，于是
Io
1 2 Io
(
1 2
I
o
)
cos
2
• •• • 自然光
图19-9
由
I
1 2
Iocos2
1 4
Io
解得： =45°(or 135°)。
头“ ”表示。 Io
偏振片
1 I 2 Io
• •• •
自然光
线偏振光作起偏器,又可用作检偏器。 若以光传播方向为轴,慢慢旋转检偏片,观察透过 偏振片的光, 光强无变化的是自然光; 光强有变化,但最小值不为零的是部分偏振光; 光强有变化,但最小值为零(消光)的是线偏振光。
区分自然光、偏振光、部分偏振光依据和所用器件
有光强变化，但无消光
有光强变化，但无消光
有光强变化，但无消光
¼ 波片 检偏器
自然光 光强无变化
部分圆偏 振光
光强有变化和无消光位置
圆偏振光
光强有变化和有消光位置
¼ 波片
椭圆偏振 光
检偏器 光强有变化和 有消光位置 光强有变化和 无消光位置 光强有变化 和无消光位置 光强有变化和 无消光位置
¼ 波片
振光。自然光经过该玻片仍然是自然光。相应的椭圆偏振光通过该玻片 当长轴与光轴重合时即变成线偏振光，圆偏振光与快轴成45°时也变成 线 偏振光，可利用这些性质判断出入射光的偏振性。
4有消光 无光强变化 无光强变化 无光强变化
圆偏振光
部分圆偏光
椭圆偏振光 部分线偏光 部分椭圆偏光
区分自然光、偏振光、 部分偏振光依据和所用器件
组员： 陈瑞、洪羽剑、原毅
玻片介绍： 4
这种玻片产生的相位延迟为
2m 1
4
玻片产生
2
d 2m 1
玻片厚度为
no ne
4
振光。当入射线偏振光的光矢量与玻片快轴成
2
奇数倍的相位延迟，能使入射的线偏振光变成椭圆偏
（旋转 检偏器 45°）
无光强 变化
部分线偏 振光
部分椭圆 偏振光
有光强 变化
自然光与偏振光
1.0 tp 0.5 rp 0 -0.5 -1.0 0 30 60 90 rs ts
1.3.4 菲涅耳公式
1.0 |tp| 0.5 |ts| |rs| |rp| 0 0 30 60 90
i1/(o)
i1/(o)
图1.3-7 振幅反射比与振幅透射比曲线（n1=1，n2=1.5）
⑤ 线偏振光入射时，反射光和透射光仍为线偏振光，但振动面相对于原入射 光有一定偏转。
1 光波、光线与光子 1.3.5 斯托克斯倒易关系
1.3 自然光与偏振光
定义：外反射：自然光以入射角i1由介质1进入介质2时的反射
内反射：自然光以入射角i2由介质2进入介质1时的反射 取：振幅外反射比：rs、rp， 振幅外透射比：ts、tp 振幅内反射比：rs'、rp'，振幅内透射比：ts'、tp'
时间分布的均匀性表明各个光矢量的初相位取0到2p之间的任意值
1 光波、光线与光子 1.3 自然光与偏振光
1.3.2 自然光(完全非偏振光)
自然光：偏振面具有各种不同取向且相位随机分布的平面偏振光之集合
说明：自然光实际上可分解成两个强度相等、振动方向正交但相位各自
随机变化的线偏振光 注意：构成自然光的两个线偏振光分量的相位各自独立地随机变化，因
分量）的线偏振光，透射光变为椭圆偏振光。 ③ 线偏振光以布儒斯特角入射时，若其振动面与入射面垂直，则反射光
和透射光均为振动面垂直于入射面的线偏振光；若入射光振动面与入 射面平行，则反射光强度为0，即全部透射。
1 光波、光线与光子 1.3 自然光与偏振光
玻片堆特点：可对入射光的偏振态及振幅进行调制。
右旋 左旋
d=0
p/4
p/2
3p/4
1.3.4 菲涅耳公式
1.0 |tp| 0.5 |ts| |rs| |rp| 0 0 30 60 90
i1/(o)
i1/(o)
图1.3-7 振幅反射比与振幅透射比曲线（n1=1，n2=1.5）
⑤ 线偏振光入射时，反射光和透射光仍为线偏振光，但振动面相对于原入射 光有一定偏转。
1 光波、光线与光子 1.3.5 斯托克斯倒易关系
1.3 自然光与偏振光
定义：外反射：自然光以入射角i1由介质1进入介质2时的反射
内反射：自然光以入射角i2由介质2进入介质1时的反射 取：振幅外反射比：rs、rp， 振幅外透射比：ts、tp 振幅内反射比：rs'、rp'，振幅内透射比：ts'、tp'
时间分布的均匀性表明各个光矢量的初相位取0到2p之间的任意值
1 光波、光线与光子 1.3 自然光与偏振光
1.3.2 自然光(完全非偏振光)
自然光：偏振面具有各种不同取向且相位随机分布的平面偏振光之集合
说明：自然光实际上可分解成两个强度相等、振动方向正交但相位各自
随机变化的线偏振光 注意：构成自然光的两个线偏振光分量的相位各自独立地随机变化，因
分量）的线偏振光，透射光变为椭圆偏振光。 ③ 线偏振光以布儒斯特角入射时，若其振动面与入射面垂直，则反射光
和透射光均为振动面垂直于入射面的线偏振光；若入射光振动面与入 射面平行，则反射光强度为0，即全部透射。
1 光波、光线与光子 1.3 自然光与偏振光
玻片堆特点：可对入射光的偏振态及振幅进行调制。
右旋 左旋
d=0
p/4
p/2
3p/4
1-2自然光、线偏振光、部分偏振光
2
1
下表面折射：
As 2 2 As 2 sin i'2 As1 sin 2i10 As1
2
2
2
1
As 2 Ap 2
经过n块玻璃透射：
2
2
即透射光是部分偏振光
n , P 1
光波作为电磁波，所谓振动是指空间某一点的电场强度的
方向和大小随时间做周期性的变化。
纵波：过传播方向的各平面都一样，每个平面都包含振动
方向，空间有旋转对称性。
横波：有振动方向的平面特殊。
这种振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振。
常见的光的偏振态有五种：自然光、线偏振光、部分偏振光、
圆偏振光和椭圆偏振光。
透振方向与拉伸方向垂直
2、起偏：
由自然光得到线偏振光
3、马吕斯定律：
入射光分解称两个垂直振 动，一个沿透振方向，一 个垂直于透振方向。
A
θ 入射线 偏振光
第二块偏振片 的透振方向
透射光的振动方向：透振方向
振幅：
光强：
A cos
I A cos I cos
2 2 2
4、检偏：
检验光的偏振态
自然光是由轴对称分布的、无固定位相关系的大量线偏振光
集合而成的，它是非偏振光。
可以认为自然光是由 两个振幅相同、振动 方向互相垂直的非相 干线偏振光的叠加。
自然光的表示法 （1）这两个方向的振动强度相同，因为这两个方向是等价的。
I x I y I0 2
（2）这两个振动的相位无关联，不能再合成为一个矢量。
I I ' 0.15 I s 0.15 2
312例5-2
四、透射光的偏振态
由能量守恒可知，折射光中p分量应大于s分量，是部分偏振光。 讨论自然光以布儒斯特角入射时，从一个玻璃片出射的透射光的 偏振态：
1
下表面折射：
As 2 2 As 2 sin i'2 As1 sin 2i10 As1
2
2
2
1
As 2 Ap 2
经过n块玻璃透射：
2
2
即透射光是部分偏振光
n , P 1
光波作为电磁波，所谓振动是指空间某一点的电场强度的
方向和大小随时间做周期性的变化。
纵波：过传播方向的各平面都一样，每个平面都包含振动
方向，空间有旋转对称性。
横波：有振动方向的平面特殊。
这种振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振。
常见的光的偏振态有五种：自然光、线偏振光、部分偏振光、
圆偏振光和椭圆偏振光。
透振方向与拉伸方向垂直
2、起偏：
由自然光得到线偏振光
3、马吕斯定律：
入射光分解称两个垂直振 动，一个沿透振方向，一 个垂直于透振方向。
A
θ 入射线 偏振光
第二块偏振片 的透振方向
透射光的振动方向：透振方向
振幅：
光强：
A cos
I A cos I cos
2 2 2
4、检偏：
检验光的偏振态
自然光是由轴对称分布的、无固定位相关系的大量线偏振光
集合而成的，它是非偏振光。
可以认为自然光是由 两个振幅相同、振动 方向互相垂直的非相 干线偏振光的叠加。
自然光的表示法 （1）这两个方向的振动强度相同，因为这两个方向是等价的。
I x I y I0 2
（2）这两个振动的相位无关联，不能再合成为一个矢量。
I I ' 0.15 I s 0.15 2
312例5-2
四、透射光的偏振态
由能量守恒可知，折射光中p分量应大于s分量，是部分偏振光。 讨论自然光以布儒斯特角入射时，从一个玻璃片出射的透射光的 偏振态：
大学物理课件-自然光和偏振光
作業 練習十八、九
1
四、偏振光的應用
光的偏振在科學技術及工業生產中有著廣泛的應用。比如在機械工業中， 利用偏振光的干涉來分析機件內部應力分佈情況，這就是光測彈性力學的課 題。在化工廠裏，我們可以利用偏振光測量溶液的濃度。偏光干涉儀、偏光 顯微鏡在生物學、醫學、地質學等方面有著重要的應用。在航海、航空方面 則制出了偏光天文羅盤。
尼科耳棱鏡可用於起偏和檢偏
M
e光
N
e光
最明
00
M
N
最暗
900
1
i0
i0
i0
i
i
i
1
例1 一自然光自空氣射向一塊平板玻璃，入射角為布儒斯特角i0， 問在介面1、2的反射光是什麼光？
n1 i0 i0
n2
玻璃
空氣 1 線偏振光 2
1
例2 一束自然光以某一入射角入射到玻璃上，這時反射光成為 偏振光，折射角為320，求(1)入射角；(2)玻璃的折射率。
解：(1) (2)
結論：大量原子所發出的光的合振動的振動面是隨機的，且 各個方向的幾率相同。
觀測光向量在各個方向的平均值,沒 有哪一個方向佔優勢,也沒有在任何 時間段內佔優勢,即這種光在時間上 具有均勻性,在空間上具有對稱性.這1 就是自然光.
1 自然光：一般光源發出的光中，包含著各個方向的光向量
在所有可能的方向上的振幅都相等(軸對稱)這樣的光叫自然光。
光軸 1020 A
1020 1020
780
780
B 光軸
1
主截面：在晶體內，晶體光軸與晶面法線方向構成的平面。
o光的主平面：在晶體中o光與光軸所組成的平面叫做o光的 主平面。
e光的主平面：在晶體中e光與光軸所組成的平面叫e光的主 平面。 實驗表明：o光的振動方向垂直於其主平面，e光的振動方向 在其主平面內。
大学物理下 第十五章光的偏振 1
I max I min
1 I 0 + I' =2 = 2 1 I0 2
(1)检验光束的 ) 偏振性 (2)可以改变光 ) 束的偏振化方向
I0 =2 I'
3,布儒斯特定律 , 光反射与折射时的偏振
n1 n2
玻璃
i i
γ
部分偏振光 反射光 部分偏振光 , 垂直于入射面的振动大于平 行于入射面的振动 . 部分偏振光 偏振光, 折射光 部分偏振光, 平行于入射面的振动大于垂 直于入射面的振动 .
对于一般的光学玻璃 , 反射光的强度约占 入射光强度的7.5% , 大部分光将透过玻璃 大部分光将透过玻璃. 入射光强度的
利用玻璃片堆产生线 利用玻璃片堆产生线偏振光 玻璃片堆产生
i0
例3(P269 15-5) 讨论下列光线的反射和折射(起偏角i 讨论下列光线的反射和折射(起偏角 0 )
i0
i0
i0
102 A 102 102
光轴
78
78 78
B 光轴
用惠更斯原理解释光的双折射现象 1)O 光在晶体内任意点所引起的波阵面是球面.即 ) 在晶体内任意点所引起的波阵面是球面. 具有各向同性的传播速率. 具有各向同性的传播速率. 2)e 光在晶体内任意点所引起的波阵面是绕光轴的 ) 旋转椭球面.沿光轴方向与O光具有相同的速率. 旋转椭球面.沿光轴方向与 光具有相同的速率.
方解石晶体
i
n
玻璃
γ
恒量
动光 学 光学 波动
CaCO3
sin i =n= sin γ
寻常光线( 寻常光线(o光)(ordinary rays) 服从折射定律的光线
n1 sin i = n 2 sin γ n 2 ≠ 常量
第十一章 【光的偏振】习题课
tgi0 n2 n1
i0
2
n2 ctg n1
n1 tg n2
14、自然光以60°的入射角照射到某两介质交界面时， 反射光为完全线偏振光，则知折射光为
(A) (B) (C)
2 0
cos 45
[B]
4、两个偏振片堆叠在一起，其偏振化方向相互垂直．若一 束强度为 I0 的线偏振光入射，其光矢量振动方向与第一偏振 片偏振化方向夹角为 / 4 ，则穿过第一偏振片后的光强为
0 I0 / 2 _________，穿过两个偏振片后的光强为___________．
5、 一束自然光通过两个偏振片，若两偏振片的偏振化
偏振化 和检偏器_________方向之间的夹角．
3.一束光强为 I0 的自然光垂直穿过两个偏振片， 且此两偏振片的偏振化方向成 45 角，若不考 虑偏振片的反射和吸收，则穿过两个偏振片后 的光强为：
（A） 2 I 0 / 4 ;
（C） I 0 / 2;
I0 2
（B） I 0 / 4;
（D） 2 I 0 / 2 .
1 30 ： I1
0
I2 I1
I1 / I Байду номын сангаас cos2 450 / cos2 300 2 / 3
13：一束自然光自空气射向一平板 玻璃，设入射角等于布儒斯特 角i0，则在界面 2 的反射光 （A）光强为零；
i0
1
2
（B）是完全偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面；[B] （C）是完全偏振光且光矢量的振动方向平行于入射面； （D）是部分偏振光。
11、将三个偏振片叠放在一起，第二个与第三个的偏振化方向 分别与第一个的偏振化方向成45和90角．(1) 强度为 I0 的自 然光垂直入射到这一堆偏振片上，试求经每一偏振片后的光强 和偏振状态．(2) 若将第二个偏振片抽走，情况如何？
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原因：原子发光，每一波列E的方向均不相同，波 列长度cm数量级，过某一点的时间10-8S，而观察 该点的时间》10-8S，因而会出现E在各方向几率相 同的现象。 图示：将E沿任意方向分解为两相互垂直的振动。
注意：能量：各 1 ; 振动方向的任意性。
• 3.偏振光：振动方向固定，见图（a）： • 图(b)为部分偏振光的图示。
(a)
(b)
• 二.偏振片起偏与检偏 马吕斯定理 • 1.起偏与检偏 • （1）起偏原理：晶体的二象色性
透光轴
（2）检偏 检偏器：偏振片讨论---马吕斯定律 见图 α
• 透射的振幅：E = E0cosα
• 透射的光强 ：I ∝E2 =E02cos2α
I = I0cos2α→马吕斯定律
• 例题：强度为I0的自然光入射到偏振化方向互成 300角的两块偏振片上，问透过第一、二片后各
为什麽光，光强为多少？
I0 I1
I2
解： 均为偏振光
I2 I12 cos2
I1 = ½ I0
1 2
I0
cos
2
300
3 8
I0
• 三. 反射和折射时的偏振
• 1.反射起偏：法国科学家马吕斯发现起偏现象， 1812年由布儒斯特实验得出。 偏振光
布儒斯特定律：
当入射角
i0
tg 1
n2 n1
i0
反射光为偏振光。
i0称为布儒思特角。 此时：
γ0
反射光垂直入射光。
tgi 0
n2 n1
由：
得：cos i0
n1 sin
sin
0
i0
n2
i0
sin
0
0
2
• 2.玻璃片堆起偏：
四.光的双折射现象 1.双折射现象：见图。
o 光为寻常光。 e光为非寻常光。
2.解释：方解石、石英晶体为各向异性 o光：各方向传播速度相同，（n = c/v）折射率、 折射方向相同。 e光：各方向传播速度不同，因而出现折射率不同， 折射方向不同的现象。
3..应用——尼科耳棱镜 原理：双折射、全反射。见图： 全反射： n1sinθ= n2sinγ 若：n1＞n2 则：sinθ＜sinγ θ↑→γ=π/2
尼克耳棱镜可用来起偏与检偏。
4. 旋光现象 一.现象
使偏振光的振动面发生偏转。如何观察？
二.规律
长度
实验事实： al 浓度
偏转角度 常量与物 质有关
固体： al
左旋与右旋
注意：能量：各 1 ; 振动方向的任意性。
• 3.偏振光：振动方向固定，见图（a）： • 图(b)为部分偏振光的图示。
(a)
(b)
• 二.偏振片起偏与检偏 马吕斯定理 • 1.起偏与检偏 • （1）起偏原理：晶体的二象色性
透光轴
（2）检偏 检偏器：偏振片讨论---马吕斯定律 见图 α
• 透射的振幅：E = E0cosα
• 透射的光强 ：I ∝E2 =E02cos2α
I = I0cos2α→马吕斯定律
• 例题：强度为I0的自然光入射到偏振化方向互成 300角的两块偏振片上，问透过第一、二片后各
为什麽光，光强为多少？
I0 I1
I2
解： 均为偏振光
I2 I12 cos2
I1 = ½ I0
1 2
I0
cos
2
300
3 8
I0
• 三. 反射和折射时的偏振
• 1.反射起偏：法国科学家马吕斯发现起偏现象， 1812年由布儒斯特实验得出。 偏振光
布儒斯特定律：
当入射角
i0
tg 1
n2 n1
i0
反射光为偏振光。
i0称为布儒思特角。 此时：
γ0
反射光垂直入射光。
tgi 0
n2 n1
由：
得：cos i0
n1 sin
sin
0
i0
n2
i0
sin
0
0
2
• 2.玻璃片堆起偏：
四.光的双折射现象 1.双折射现象：见图。
o 光为寻常光。 e光为非寻常光。
2.解释：方解石、石英晶体为各向异性 o光：各方向传播速度相同，（n = c/v）折射率、 折射方向相同。 e光：各方向传播速度不同，因而出现折射率不同， 折射方向不同的现象。
3..应用——尼科耳棱镜 原理：双折射、全反射。见图： 全反射： n1sinθ= n2sinγ 若：n1＞n2 则：sinθ＜sinγ θ↑→γ=π/2
尼克耳棱镜可用来起偏与检偏。
4. 旋光现象 一.现象
使偏振光的振动面发生偏转。如何观察？
二.规律
长度
实验事实： al 浓度
偏转角度 常量与物 质有关
固体： al
左旋与右旋