反射光为线偏振光的条件
(最新整理)反射光的偏振特性
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反射光的偏振特性—布儒斯特角的测量1808年马吕斯（1775-1812）发现了光的偏振现象。
通过深入研究，证明了光波是横波，使人们进一步认识了光的本质。
随着科学技术的发展，偏振光技术在各个领域都得到了广泛应用，特别是在光学计量、实验应力分析、晶体性质研究和激光等方面更为突出.在我们日常生活和工作中，太阳光、照明用光一般多为自然光。
而自然光经过一些材料的反射和透射后可能变成部分偏振光.自然光经过一些特殊材料，如偏振片或双折射晶体材料制作的棱镜后,就会变成线偏振光.线偏振光经过波片后就可能成为椭圆偏振光。
【目的与要求】1.用最小偏向角法测量棱镜材料的折射率。
2.测量通过起偏器、1/4波片后的光的偏振特性，了解线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光的特点.3。
通过观察从棱镜材料表面反射回来的光的偏振特性，了解反射光的偏振特性，测量出布儒斯特角。
4.用测量值验证布儒斯特角公式的正确性。
【实验原理】一、棱镜材料的折射率的测量当一束光斜入射于棱镜表面时，其光路如图1所示。
n 为材料的折射率.同理出射角γ/ 为sinγ/= sini//n （–1）根据几何关系可以证明入射光与出射光之间的夹角为：δ=i＋γ/－A,而且δ有一个极小值δmin ，可以证明：当光束偏转角为δmin时，有i=γ/γ= i/,此时δ=2i－A 即i=（δ＋A）/2而A=γ＋i/=2γγ=A/2由（–1）式可得：n=sin[（A+δmin）/2］/sin（A/2）（–2）因此，只要我们测量出δmin，用（–2）就可得到材料相对于该测量光的折射率n。
线偏振光经过界面反射后的偏振情况讨论
2
n 6 n 1 ，要使该
4
2
试成立，需满足条件 n 6 n 1 0 ，解得 n
4
2
3
8或n
3
8 ，由于 n<1，所以
排除前一个答案，得到圆偏振对介质折射率的要求是 n '
1 n
1 3 8
2.415，也就是说
光密介质的相对折射率要高达 2.415 才能够发生圆偏振。 这对一般透明介质来说是不能实现 的。在金刚石可以达到。但我们这里可以用数值模拟来看看情况如何。 在 n=1.5(一般玻璃)和 n=2.415(前面计算得出)时分别做入射角 与 的关系图，如下图 所示：
可见反射光与折射光仍为线偏振光， 但偏振方向发生了偏转， 其偏转角与入射角度以及介质
的性质有关。
3、下面考虑发生全反射时候的情况。光从光密介质到光疏介质，若入射角大于 c ，使得
sin c n2 n1 n 1 ，在界面上会发生全反射。只能在第一种介质中观察到反射光而不能在
第二种介质中观察到折射光。这时 cos 式：
2 2
Ep
从上式可以看到，反射光与入射光的振幅是相等的。 定义
Z s cos i sin n Z s e
2 2 i s i p
Z p n cos i sin n
2 2
2
Z pe
s arctan
其中，
sin n
2
2
cos sin n
2 ''
n 2 n1 sin ,
2 2 2
cos cos
n 2 n1 sin n1 sin
探讨偏振光的反射和折射问题
探讨偏振光的反射和折射问题摘要本文介绍了几种不同种类偏振光的特征以及它们在介质界面的反射与折射现象。
利用菲涅耳公式具体分析反射光和折射光的偏振状态,得出反射光的偏振状态与介质折射率、入射光的偏振态及入射角有关,折射光的偏振态与界面折射无关的结论,这有利于我们分析电磁波在自由空间或有限区域的传播特性,从而掌握整个电磁波的传播规律。
关键词偏振光;反射;折射0 引言1809年马吕斯(E·L·Malus)发现了反射光的偏振现象。
光的电磁理论建立以后,我们才进一步认识到在自由空间传播的光波是一种纯粹的横波,其电矢量和磁矢量都垂直于光的传播方向。
纵波的振动方向与波的传播方向一致,因此纵波具有轴对称性,即从垂直波传播方向的各个方向与观察纵波情况完全相同。
而横波对于传播方向的轴来说不具备对称性。
这种不对称性叫做偏振[2]。
只有横波才具备偏振的性质。
反射光和折射光的偏振现象是光学中的重要内容。
1 偏振光及其分类光的横波性表现为振动的不对称性,称光波的偏振态。
光波的偏振态通常分为自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。
1.1 自然光光源发出的光波不是偏振光,因原子分子发出的光波不是无限长的连绵不断的简谐波,而是一些断断续续的波列,每一波列持续时间在10-8s以下,波列间没有固定的相位关系,而且振动方向是无规的,这种光称自然光。
对于自然光Imax=Imin,P=0。
1.2 部分偏振光介于自然光和偏振光之间,可看作两个振动方向相互垂直、振幅不等的线偏振光,没有固定的相位关系。
为了定量区分,定义光的偏振度P=(ImaxImin分别是与最大振幅和最小振幅相应的光强)。
1.3 (直线)平面偏振光如果光振动矢量保持在一个平面内,如光沿y轴方向传播,光振动矢量沿Z轴,并且发生在yoz平面内,这叫(直线)平面偏振光,简称偏振光。
1.4 圆偏振光1)固定空间一点来看,每一点光矢量随时间匀速旋转,矢量长度不变,端点描绘成一个圆,光矢量旋转的频率为v;2)固定一时刻来看,空间各点的光矢量排列在一条螺旋线上;3)随时间推移,波形(螺旋线)向前传播,在传播方向上各点相位越来越落后。
反射光和折射光的偏振
例 一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角
为布儒斯特角 i 0 ，问 在界面 2 的反射光是什么光？
n1 i0 i0
n2
玻璃
空气
1 2
注意：一次 起偏垂直入射面 的振动仅很小部 分被反射（约 15%）所以反射 偏振光很弱 。一 般应用玻璃片堆
产生偏振光
2）根据光的可逆性，当入射光以 角从 n 2 介 质入射于界面时，此 角即为布儒斯特角 .
tan i0
n2 n1
coi0tn n . 1 2taπ 2 n(i0)tan
注意 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.
利用玻璃片堆产生线偏振光
i0
.
讨论 讨论下列光线的反射和折射（起偏角 i 0 ）.
ii
n1
空气
n2
玻璃
ห้องสมุดไป่ตู้光反射与折射时的偏振
入射面 入射光线和法 线所成的平面 .
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 .
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 .
理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关 .
.
布儒斯特定律（1812年）
i0 i0
.
i0
i0
i0
i
i
i
.
讨论 如图的装置 p1,p2,pp ,'为偏振片，
问下列四种情况，屏上有无干涉条纹？
p2 s1 p ' s
p2
p
p'
45 p 1
p p1 s2
1）去掉 p, p ' 保留 p1, p2 无（两振动互相垂直）
线偏振光经全反射后的偏振状态
此结果表明， 反射光波的电场强度 !" 的两个
" 分量 !" 分别等于入射波中相应 ! 和 !" 的振幅，
# #
分量 ! ! 和 !" 的振幅， 即是说， 在全反射中， 电 场强度的两个分量的振幅保持不变 ! 再看相位， 令
% !，" % " !"! # ! ! $! ! " # !" $!
#
#
（%&）
, ,)-. " ./0, % $ "% & ’ & , , ./0, "% & ’ & )-. " %
# # # #
% （%4） ’ , ( % * $’ 1 & 4 ’, ( % ,$ 由此我们又得出结论； 当入射光波的电矢量的两 ./0 "% # 个分量 !"! 和 !"" 的振幅相等， 并且入射角"% 和 相对折射率满足 （ %4） 式时， 反射波便是圆偏振波 ! 最后我们来讨论在光学波段由全反射产生圆偏 振的可能性问题， 由于 ./0 "% 是实数， 故由 （%4） 式 得： ’1 & 4 ’, ( % % & ， 解得 ’ % $ 2 ($ #和 ’& 由全反射条件知 ’ #， $2 & $ 故求得的相对 + %，
即在一光频段内可以划分非常多的信道相干通信时要求采用保偏光纤作传输介质使用保偏光纤能够保证线偏振光的偏振方向不变提高相干信噪比为了获得线偏振光我们知道可以让自然光以布儒斯特角入射到两种介质的分界面上反射光为线偏振光
!! !
线 偏 振 光 经 全 反 射 后 的 偏 振 状 态
反射光为线偏振光
01 反射和折射时光的偏振
反 射
1 反射和折射光的偏振
产 生
2 布儒斯特定律
的
偏
振
01 反射和折射时光的偏振 1 反射和折射时光的偏振
—— 自然光在各向同性的 两种介质表面反射和折射 光传播方向和偏振态变化
—— 反射光和折射光均为部分偏振光 当反射光与折射光的方向垂直时，反射光为线偏振光
2 布儒斯特定律
玻璃堆起偏
作业：单元十
—— 当反射光与折射光的夹角为900时 i0 900
—— 反射光900
应用折射定律 n1sini0n2sin
n1sini0n2sin(900i0)
tan i0
n2 n1
i 0 —— 布儒斯特入射角
布儒斯特定律的应用 —— 激光谐振腔、偏振光的输出 以及偏振光的获得
若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与地面成 45度角、且向同一方向倾斜的偏振片，可以避免 汽车会车时灯光的晃眼
这种说法可行吗？
3 玻璃堆起偏 在布儒斯特角入射时获得的反射偏振光强度较弱 较强的折射光是部分偏振光
—— 把许多相互平行的玻璃片组装在一起形成玻璃堆 —— 最后反射光和出射光均为偏振光
光的折射和反射的偏振特性
光的折射和反射的偏振特性一、引言光，作为现代科技发展的重要基础，其性质和行为一直是物理学研究的重要领域。
光的折射和反射是光最基本的性质之一，它们在日常生活中和科技应用中都有着广泛的应用。
而光的偏振现象，则是光的一种特殊性质，对于光的折射和反射过程有着重要的影响。
本文将详细介绍光的折射和反射的偏振特性，以帮助读者更深入地理解光的本质和行为。
二、光的折射和反射2.1 光的折射光的折射是指光从一种介质进入另一种介质时，由于介质的光速不同，光线会产生方向上的改变。
根据斯涅尔定律，入射角和折射角之间存在以下关系：[ n_1 (_1) = n_2 (_2) ]其中，( n_1 )和( n_2 )分别是光在第一种和第二种介质中的折射率，( _1 )和( _2 )分别是光在第一种和第二种介质中的入射角和折射角。
2.2 光的反射光的反射是指光从一种介质射到另一种介质的界面上时，一部分光会返回原介质中的现象。
根据反射定律，入射角和反射角之间存在以下关系：[ _1 = _2 ]其中，( _1 )是光在第一种介质中的入射角，( _2 )是光在第二种介质中的反射角。
三、光的偏振3.1 偏振的概念偏振是指光波中电场矢量在空间中的特定方向上的振动。
与非偏振光相比，偏振光具有特定的振动方向，这使得偏振光在某些方面具有独特的性质和应用。
3.2 偏振片的应用偏振片是一种可以使得光波中的电场矢量在特定方向上振动的光学元件。
通过偏振片，可以实现对光的偏振状态的控制和调节。
当偏振片的偏振方向与光波的振动方向平行时，偏振片允许光通过；当偏振片的偏振方向与光波的振动方向垂直时，偏振片则阻止光通过。
3.3 马吕斯定律马吕斯定律是描述偏振光通过偏振片时，光强与偏振片的偏振方向之间的关系。
当偏振片的偏振方向与光波的振动方向平行时，光强达到最大值；当偏振片的偏振方向与光波的振动方向垂直时，光强达到最小值。
4.1 折射的偏振特性当偏振光通过介质时，由于介质对不同振动方向的电场矢量具有不同的折射率，因此光在折射过程中会发生变化。
线偏振光的产生、检验
的入射角也必定是布儒斯特角。（简单几何关系证明）
光束每经过一次反射，将有10%左右的s分量被“反射损
耗”掉。经计算，由10块n2=1.5的玻璃平板组成的玻璃堆 在空气中使用时，偏振度才达到0.635.
与反射式起偏器相比，玻璃堆的优点：光能利用率高、
出射光束与入射光束平行；缺点：偏振度偏低、光谱范 围受到玻璃性能限制、体积偏大。
过优化设计光栅参数实现偏振分束功能。
介质光栅偏振分束的物理机制：
导模共振效应
26
193nm偏振分束光栅
严格矢量计算
C 0 753 C 1 300
TM 0 89 . 53 % TE 1 80 . 08 %
27
4.线偏振光检验
① 马吕斯(Malus)定律 线偏振光射向线偏器时，透射光强度与入射光振动方向
① 反射式起偏器 按照菲涅耳反射公式：
rs rp sin i t sin i t tan i t tan i t
1
当入射光以布儒斯特角 B tan
nt
n i 射向界面时，反射光
束中只含有s分量，透射光中同时含有s和p分量。
TE Al TE
TM
DUV light
TM光激发的表面等离子体波，阻碍了入射光向TM导模 的耦合，从而形成反转偏振透射。
24
193nm反转偏振片偏振透射测试
电镜扫描图
偏振透射谱
C
TE TM
45
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c. 介质偏振分束光栅 通过在普通介质材料上制作亚波长光栅，使光栅具有较
大的双折射（Δn_grating=0.318>>Δn_quartz=0.013），通