第三章 光的偏振
光的偏振和光电效应
光的偏振和光电效应是现代物理学中颇具代表性和重要性的两个课题。
它们涉及到光的本质和光与物质的相互作用等方面，对于深化我们对于光学和电子学知识的理解有着不可替代的作用。
一、光的偏振光的偏振指的是光波在传播过程中，其电场矢量沿着相同方向的光波能在一定条件下合成，而沿着不同方向的光波却不能合成，也就是说不会相互干涉形成光波的现象。
研究光的偏振有着非常广泛的应用，例如在光学器件、鉴别各种物质等方面应用。
其中著名的冷光显微镜中就广泛运用了光偏振现象。
常用的将偏振光的光矢量分解成水平和垂直方向，然后研究两个方向的电场分量的特点。
其中的线偏振和圆偏振就是比较常见的偏振模式。
二、光电效应光电效应是指一种物理现象，即当一束光照射在金属表面时，如果它的光子能量足够高，那么光就会将金属表面上的电子释放出来。
光电效应尤其在现代光电学的实践中得到广泛的应用，例如在制造太阳能电池和其他各种光电器件方面。
此外，它还是对原子物理学和量子力学等领域做出重要理论和实验上贡献的基础。
三、之间的联系我们知道，对于光电效应来说，光子的能量与射电子的能量有直接的关系，而对于不同偏振的光，它们所携带的能量是不同的。
因此，这种差异性是可以被利用的，利用它可以改变光的偏振状态，从而调控光电效应中所包含的电子释放时间和方式等方面的效果。
具体而言，将光波按照振荡方向分成两束，其中一束光的振动方向与材料表面垂直，另外一束与材料表面平行，那么两束光电流的产生时间就会存在差异，因为光子的能量会因光波的偏振而有差异。
这样的异步状态会使得由两束光电流产生的电场存在差异，而这个差异就可以被利用到光电产品的设计之中。
综上所述，是光学和电子学研究中的两个非常重要的课题，它们之间存在着密切的关系。
对这些课题的深入研究，可以拓展我们对于自然现象的认识和对于光电器件等产品的设计和制造等方面的技术水平。
《光的偏振》 讲义
《光的偏振》讲义一、光的偏振现象在日常生活中，我们可能不太会留意到光的偏振现象，但它其实无处不在。
当阳光透过云层的缝隙洒下来，或者汽车前挡风玻璃反射的光线，都可能包含着偏振的信息。
光的偏振，简单来说，就是光振动方向的规律性。
普通的自然光，比如太阳光，它的振动方向是随机的，向各个方向都有。
而偏振光则具有特定的振动方向。
为了更直观地理解偏振现象，我们可以做一个简单的实验。
拿两块偏振片，让自然光先通过第一块偏振片，这时我们会发现光的强度减弱了一半。
这是因为只有与偏振片透光轴方向一致的光振动能够通过。
然后，再让通过第一块偏振片的光通过第二块偏振片，如果两块偏振片的透光轴方向平行，光能够顺利通过；如果两者的透光轴方向垂直，就几乎没有光能够通过。
二、偏振光的产生偏振光不是自然存在的，通常需要通过一些特殊的方法来产生。
一种常见的方法是反射和折射。
当自然光以一定的角度从一种介质入射到另一种介质时，反射光和折射光都会成为部分偏振光。
而且，当入射角满足特定条件时，反射光会成为完全偏振光，其振动方向垂直于入射面。
另一种产生偏振光的方法是利用偏振片。
偏振片是一种具有特殊光学性质的材料，它只允许特定方向振动的光通过。
还有双折射现象也能产生偏振光。
比如方解石等晶体，当一束光入射到晶体中时，会分解成两束折射光，这两束光就是偏振方向相互垂直的偏振光。
三、偏振光的类型偏振光主要有三种类型：线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。
线偏振光的振动方向始终保持在一个固定的方向上。
我们通过前面提到的偏振片得到的通常就是线偏振光。
圆偏振光的电场矢量端点在垂直于光传播方向的平面内描绘出一个圆。
当两个相互垂直、振幅相等、相位差为±π/2 的线偏振光叠加时，就会形成圆偏振光。
椭圆偏振光则是电场矢量端点描绘出一个椭圆。
它是两个相互垂直、振幅不相等、相位差不为±π/2 的线偏振光叠加的结果。
四、光的偏振在生活中的应用光的偏振在我们的生活中有许多重要的应用。
光的偏振与衍射知识点总结
光的偏振与衍射知识点总结光的偏振和衍射是光学中的重要概念和现象，它们在许多领域中都有广泛的应用。
本文将对光的偏振和衍射的知识点进行总结和解析，帮助读者更好地理解和掌握这些内容。
一、光的偏振光的偏振是指光波振动方向的特性。
在自然光中，光波的振动方向是各向同性的，即在任意方向上都有振动。
而经过某些介质的作用后，光可以变成具有特定振动方向的偏振光。
光的偏振可以通过偏振镜或偏振片实现。
在偏振光中，光波的电场振动方向垂直于光传播的方向。
常见的偏振光有线偏振光和圆偏振光。
线偏振光的电场振动方向只在一个平面上，圆偏振光的电场振动方向则以圆轨迹旋转。
光的偏振在许多领域中都有应用，如光通信、偏振显微镜、液晶显示等。
它可以提供更好的光学性能和更高的图像分辨率。
二、光的衍射光的衍射是指光波通过障碍物或孔径后产生的干涉现象。
当光波通过孔径时，会发生弯曲和弯折，使得光波以某种方式传播并形成干涉图案。
光的衍射是光的波动性质的重要体现。
根据衍射的不同形态，可以将其分为菲涅尔衍射和弗朗宁衍射。
菲涅尔衍射是指光波通过不同孔径大小的圆形孔产生的衍射现象；弗朗宁衍射是指通过狭缝产生的衍射现象。
此外，光的衍射还包括单缝衍射、双缝衍射和衍射光栅等形式。
光的衍射在光学中有广泛的应用。
例如，通过光的衍射可以分析光波的频谱成分，用于光谱分析和光学检测。
此外，利用衍射现象还可以实现激光的调制与控制，应用于激光工程和光通信等领域。
三、偏振与衍射的关系光的偏振和衍射之间存在密切的关系。
当偏振光通过衍射物体时，衍射现象会影响光的偏振性质。
例如，当线偏振光通过狭缝时，由于衍射的作用，光的振动方向会发生变化。
这种现象又称为Huygens-Fresnel原理。
此外，还可以利用偏振光的偏振特性来控制光的衍射。
通过选择不同方向的偏振光，可以实现对衍射图案的调制和改变。
这一技术在激光显示、光存储等领域具有重要应用价值。
总结：光的偏振和衍射是光学中的重要知识点。
光的偏振是指光波振动方向的特性，可以通过偏振片实现。
光的偏振ppt课件
自然光
....
线偏振光 .
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化
自然光
（1） I0 cos2 1 I0
2
32
解得 ＝ 54044
（2） I0 cos2 I0
2
3
解得 ＝ 35016
【例题13-2】光强为 I0 的自然光相继通过偏振片P1、P2、P3 后光强为I0 /8，已知P1 P3，问：P1、P2间夹角为何？
解: 分析
I0
P1
I1
P2
P3
I2
I3=I0/8
e光
线偏振光
3. 晶体的光轴
当光在晶体内沿光轴方向传播时不发生双折射。
光轴是一特殊的方向,凡平行于此 光轴
方向的直线均为光轴。
102o
单轴晶体：只有一个光轴的晶体 双轴晶体: 有两个光轴的晶体
78o 78o 102o
4. 主平面(光的传播方向与晶体光轴构成的平面)
·
光轴
·
o光
光轴
e光
(o光振动垂直o 光主平面)
i0 — 布儒斯特角或起偏角
•
i • n1
•
•
i
b
0
n1 sin i0 n2 sin γ n2 sin(900 i0 ) n2 •
大学物理光的偏振
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❖ 各向(同)异性的微观本质
若组成固体的晶粒在空间的取向是无规则的，就表现出各 向同性；若组成固体的晶粒在空间有一定的取向，就表现出各 向异性。
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横波的振动相对于传播方向不是轴对称的。
1、偏振 波的振动方向相对于传播方向的不对称性，叫偏振。
这就是说，横波具有偏振性，而纵波不具备偏振性。
光是横波，应该具有偏振性。
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2、振动面的概念 振动方向与传播方向组成的平面。
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答案为：部分偏振光，
1 （或900）
2
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例14－6 一束平行的自然光，以600角入射到平玻璃表面上，若
反射光束是完全偏振的，则透射光束的折射角是－－－－－－，玻璃 的折射率为－－－－－－－－－。
解：若反射光为完全偏振光，则入射角i0为布儒斯特角。
折射角为：0=90o-60o=30o
所以自然光的光振动对光的传播方向是轴对称而又均匀分布的。
xE y
cz
S
4 首页 上页 下页退出
光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上，既有时间分布 的均匀性，又有空间分布的均匀性，具有这种特性的光就叫自 然光 。 ( 或者说，具有各个方向的光振动，且又无固定的位 相关系的光)。
结论：自然光的横波性被发光的随机性所破坏或掩盖。
5
答：（1）（2）（3）中反射光、折射光均为线偏振光。
光的偏振 实验报告
光的偏振实验报告一、实验目的1、观察光的偏振现象，加深对光的偏振特性的理解。
2、掌握偏振片的起偏和检偏原理，学会用马吕斯定律测量偏振光的强度。
3、了解反射光和折射光的偏振特性，以及布鲁斯特角的概念。
二、实验原理1、光的偏振态光是一种电磁波，其电场矢量和磁场矢量相互垂直且都垂直于光的传播方向。
一般情况下，光的电场矢量在垂直于光传播方向的平面内是各个方向都有的，这种光称为自然光。
如果光的电场矢量只在某一固定方向上振动，则称为线偏振光。
还有部分偏振光和椭圆偏振光等偏振态。
2、偏振片偏振片是一种只允许某一方向振动的光通过的光学元件。
当自然光通过偏振片时，只有与偏振片透振方向相同的光振动能够通过，从而变成线偏振光，这个过程称为起偏。
当线偏振光通过偏振片时，透过光的强度取决于线偏振光的振动方向与偏振片透振方向之间的夹角，这个过程称为检偏。
3、马吕斯定律当一束强度为 I₀的线偏振光通过检偏器后，其强度 I 随检偏器透振方向与线偏振光振动方向夹角θ 的余弦平方成正比，即 I ＝ I₀cos²θ，这就是马吕斯定律。
4、反射光和折射光的偏振当自然光在两种介质的分界面上反射和折射时，反射光和折射光一般都是部分偏振光。
当入射角等于布鲁斯特角时，反射光成为完全偏振光，其振动方向垂直于入射面，折射光仍为部分偏振光。
三、实验仪器偏振片、激光光源、光功率计、玻璃砖、旋转台等。
四、实验步骤1、观察激光通过偏振片的现象打开激光光源，让激光束垂直照射在偏振片上，旋转偏振片，观察透过偏振片的光强变化。
可以看到，当偏振片的透振方向与激光的振动方向平行时，光强最强；当两者垂直时，光强最弱，几乎为零。
2、验证马吕斯定律将两个偏振片分别安装在旋转台上，使激光依次通过两个偏振片。
固定第一个偏振片的透振方向，旋转第二个偏振片，每隔 10°测量一次透过第二个偏振片的光功率，并记录数据。
根据测量数据，计算光强 I 与cos²θ 的关系，验证马吕斯定律。
光的偏振ppt
激光结合偏振技术可以实现高精度、低损伤的手术操作，如激光眼科手术、激光 美容等。
04
光的偏振的实验和观察
光的偏振的实验方法
自然光
使自然光通过偏振片，可 以获得单一偏振方向的光 。
反射光
当自然光照射到光滑表面 时，反射光是偏振的。
折射光
当自然光通过介质时，折 射光是偏振的。
光的偏振的实验器材
光的偏振的实验研究进展
光的偏振的实验装置和技术
近年来发展出了一系列高精度的实验装置和技术来检测和操控光的偏振态， 例如光电偏振计、液晶空间光调制器等。
光的偏振的量子实验
利用量子纠缠和量子干涉等量子效应，实现了许多光的偏振相关的量子实验 ，如贝尔不等式检验和量子隐形传态等。
光的偏振的应用研究进展
光的偏振在光学通信中的应
光的偏振在显示器领域的应用
3D显示
偏振眼镜可以利用偏振技术将左右眼图像分别传递给左右眼，实现3D立体显 示。
提高显示效果
在液晶显示器中，利用偏振技术可以控制液晶分子的排列和取向，提高显示 画面的对比度和色彩饱和度。
光的偏振在医疗领域的应用
医疗诊断
利用偏振光可以检测生物组织中的微观结构和功能，如医学影像学、光学活检等 。
光的偏振的现象的发现
19世纪初
科学家开始研究光的偏振现象 。
1809年
拿破仑·布罗萨发现光通过晶体 时会产生偏振现象。
1821年
约瑟夫·安托万·弗朗索瓦·阿拉戈 验证了布罗萨的发现，并确定
了光在空气中的传播速度。
02
光的偏振的分类和产生
光的偏振的分类
线性偏振
01
电场强度矢量在垂直于传播方向的平面上，沿着一个固定的方
《光的偏振》课件
发展新的光学理论和技术
通过对光的偏振的理论研究，可以发展新的光学理论和技术，推动光学科学的进 步。
光的偏振的未来挑战与机遇
挑战
目前对光的偏振的调控和应用还存在一定的难度，需要进一步研究和探索。同时，随着科技的发展， 对光的偏振特性的要求也越来越高，需要不断提高技术的稳定性和可靠性。
《光的偏振》ppt课件
$number {01}
目录
• 光的偏振简介 • 光的偏振的产生 • 光的偏振的应用 • 光的偏振实验 • 光的偏振的未来发展
01
光的偏振简介
光的偏振定义
光的偏振是指光波的电矢量或磁矢量在 某一特定方向上的振动状态。
光的偏振是光的横波性质的一种表现， 是光波矢量与传播方向垂直的现象。
详细描述
马吕斯定律实验是《光的偏振》课程中的重要实验之一，通过该实验，学生可以观察到 线偏振光通过检偏器后强度发生变化的现象，从而验证马吕斯定律。实验中，学生需要
调整检偏器的透振方向，记录不同角度下的光强数据，并分析实验结果，得出结论。
布儒斯特角实验
总结词
布儒斯特角实验可以用来测定不同介质表面的反射偏振分量和折射偏振分量。
在垂直于传播方向上，光波矢量可以分 解为两个相互垂直的分量，一个分量沿 着入射面内，称为平行偏振；另一个分 量在入射面内与传播方向垂直，称为垂
直偏振。
光的偏振现象
01
自然光通过偏振片后，只允许平行于偏振片透振方向的振动通 过，形成线偏振光。
02
线偏振光通过某些介质后，其振动方向会发生变化，偏离原来
详细描述
布儒斯特角实验是通过测量光线在不同介质表面的反射和折射角，来计算反射偏振分量和折射偏振分量的实验。 在实验中，学生需要调整入射角，观察并记录反射光和折射光的偏振状态，然后根据测量数据计算偏振分量的角 度和幅度。该实验有助于学生深入理解光的偏振状态和偏振光的传播规律。
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Ap1
Ap1 tg(i1 i2 )
i1 i1
As1
x Ap1 n1
n2
i2 As2
y
As1 sin (i1 i2 ) As1 sin (i1 i2 )
z Ap2
将以上二式结合起来，不考虑方向，有
Ap1 tg(i1 i2 ) sin(i1 i2 ) cos(i1 i2 ) Ap1 tg(i1 i2 ) sin(i1 i2 ) cos(i1 i2 )
E
u·
3.1.2 自然光与偏振光
自然光：
X
自然光可以用下图表示
••••
••••
Y
Z
u
这种大量振幅相同、各种振动方向都有、彼此没有 固定相位关系的光矢量的组合叫自然光。
自然光可以分解为两束等振幅的、振动方向互 相垂直的、不相干的线偏振光。
自然光的分解
总光强 I0 Ax2 Ay2
I x Ax2 I y Ay2
I1 / 2 I2 cos2
当θ=900、2700时，光强为零。
偏振片的应用
• 立体电影 在观看立体电影时，观众要戴上一副特制的眼镜，这副眼 镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片．这样，从银幕上 看到的景象才有立体感．如果不戴这副眼镜看，银幕上的 图像就模糊不清了
• 摄像摄影
1、在摄影镜头前加上偏振镜消除反光
（1） P1不动，将P2以光线为轴转动一周，从系统投射出来 的光强度将如何变化？
（2）欲使从系统透射出来的光强度最大，应如何放置P1和
P2 ？
P 1
自然光
P2
透射光
线偏振光
解：（1）设入射线偏振光的振动面与P1的透振方向的夹 角为α， P1和P2的透振方向之间的夹角为θ
I / 2 则自然光I1经过P1的光强为 1
——部分偏振光在某一方向上具有的能量最大值
Imim ——部分偏振光在某一方向上具有的能量最小值
当
I I
max
mim
时， P 0
当 Imim 0 时， P 1
——自然光 ——线偏振光
例3.2 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600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振光的强度之比以及光束的偏 振度。
解：设自然光强为In,线偏振光的强度为Ip, ，则部分偏振光的 强度为In+ Ip
当偏振片对应透射光强最大的位置时，透射光强为
I1
Ip
In 2
当偏振片转过600后，透射光强为
I 2
I p
cos2
600
I n
2
Ip 4
In 2
因为
I1
2I2
即
Ip
In 2
2( I p 4
In ) 2
In Ip
1
此入射光的最大光强为
有反射光干扰的橱窗 在照相机镜头前加偏振 片消除了反射光的干扰
2、摄影时控制天空亮度，使蓝天变暗
没有用偏振滤镜的相片
用了偏振滤镜的相片
3.2.2 反射光的偏振态
1、利用电磁理论分析反射光的偏振态
由菲涅耳公式看，反射光与入射光电矢量平
行分量与垂直分量的振幅比
As1
Ap1 tg(i1 i2 )
E x E
3.2.1 由二向色性产生的线偏振光 二向色性:有些晶体对振动方向不同的电矢量具
有选择吸收的性质。 偏振片：先将聚乙烯醇片加热并延伸，然后用碘
溶液浸染，制成含有平行排列的长链聚合物分 子的薄膜，即为偏振片。 偏振片的透振方向：偏振片上能透过电矢量振动 的方向
偏振方向平行的偏振片叠在 一起，重叠部分透光；
由
Ap1
As1
cos(i 1
i ) 2
A p1
A cos(i i )
s1
1
2
得 Ap1 As1
AA
p1
s1
因为 Ap1 As1, 所以 Ap1 As1
所 以
i1 0
或
i1 900 时，反射光为部分偏振光
部分偏振光的表示
2、偏振度
P I max I min
I I
max
m in
I max
当偏振方向互相垂直，重叠 部分透光；
马吕斯定律
I I0 cos2
——马吕斯定律（1809）
0，I Imax I0
，I 0
——消光
2
例3.1 将两块理想的偏振片P1和P2共轴放置，然后让强度为I1 的自然光和强度为I2的线偏振光同时垂直入射到偏振片P1上， 从P1透射后又射到偏振片P2上，试问：
线偏振光I2经过P1的光强为 I 2 cos2
经过P1的总光强为
I (I / 2) I cos2
1
2
经过P1的光的振动方向与P2的透振方向之间的夹角为θ
经过P2的光强度为 I (I1 / 2 I2 cos2 ) cos2
将P2以光线为轴转动一周， θ连续改变3600，光强按上式 变化， 当θ=00、1800、3600时，光强最大，为
Ix
Iy
1 2
I0
——非相干叠加
3.2 线偏振光与部分偏振光
起偏器：能以某种方式选择自然光中的一束线 偏振光，而摒弃另一束线偏振光的光学仪器。
线偏振光的数学表示
E
Exex
Eyey
( A0xex
A0
y
ey
)
cost
kz
Ex、Ey同相位，取正号 Ex、Ey相位相反，取负号
Ey E Ex
E y
As1 cos(i1 i2 ) As1 cos(i1 i2 )
在 i1 0 或 i1 900 时，可得
A p1
A S1
A A p1
s1
因为 Ap1 As1, 所以 Ap1 As1
在 i1 0 或 i1 900 时，反射光为自然光
在 i1
0
或
i
1
900
时，
cos(i1 i2 ) cos(i1 i2 )
3.10 光弹性效应和电光效应 3.11 线偏振光沿晶体光轴传播时振动面的旋转 3.12 偏振态的矩阵表述 琼斯矢量和琼斯矩阵
3.1 自然光(natural light)与偏振光 （polarized light）
3.1.1 光的偏振性
纵波: 波的振动方向与传播方向相同的波
横波: 波的振动方向与传播方向相互垂直的波
A
B
B 转 90 0 后 波不能通过
偏振: 波的振动方向对于传播方向的不对称性，它是横波
区别于纵波最明显的标志。
平面偏振光: 光在传播过程中电矢量的振动只限于某一个确 定平面内。
线偏振光: 因为平面偏振光的电矢量在与传播方向垂直的平 面上的投影为一条直线，故而得名。
表示法： • • • •
振动面：光振动方向与传播方向决定的平面称为振动面.
I
I 3I
I I n I n n
max
p2
n2
2
最小光强为
I min
In 2
偏振度
P I max I min