区分自然光、偏振光、部分偏振光依据和所用器件
合集下载
3-1 自然光和偏振光
n2
r0
n2 tgi 0 n1
其中
( 或tgi 0 n 21 )
i0称为起偏振角或布儒斯特角.
推论:当入射角为起偏角时,反射光 线和折射光线互相垂直。 sin i0 n 2 证明： tg i0 n1 cos i0 sin i0 n2 由折射定律有 sin r0 n1 故 sin r0 cos i0
i0 r 0 2
2、玻璃堆(可获得完全偏振光)
3-3 光的双折射 一、双折射现象
一束自然光射向各向异性介质时，在界 面射入介质内部的折射光线分为传播方向 不同的两束折射光线.. 两束折射光的特性: (1)两束折射光是光矢量振动方向不同的 线偏振光; (2)其中一束折射光遵守折射定律,称为寻 常光(O光),另一束不遵守折射定律,称 为非寻常光( 光).
A3-2 反射光和折射光的偏振
一、部分偏振光的获得
s
n1 n2
i i r
反射光和入射光 都是部分偏振光
反射光是垂直入射面振动较强的部分 偏振光,折射光是平行入射面振动较强 的部分偏振光.
二、完全偏振光的获得和布儒斯特定律 S i0 i0 1、 布儒斯特定律 n1
当入射角 i 0 满足下面条件 时,反射光成为完全偏振光, 其光振动垂直入射面;折射 光仍为部分偏振光：
e光
o光
三、尼科耳棱镜的双折射
尼科耳棱镜是用方解石晶体经过加工制 成的,可用作起偏器或检偏器的光学元件.
作用原理：
粘合棱镜的树胶,其折射率大于O光、小 于e光;当入射光到达尼科耳棱镜分界面时 O光产生全反射,e光透过树胶射出.
四、人为双折射现象
光弹性效应 各向同性的物质在机械力的作用下,产生 与方解石相类似的各向异性的光学性质. 电光效应 一些物质在强大的电场作用下,光学性质 由各向同性变为各向异性. 法拉第效应 非晶体在磁场作用下,现双折射的现象.
r0
n2 tgi 0 n1
其中
( 或tgi 0 n 21 )
i0称为起偏振角或布儒斯特角.
推论:当入射角为起偏角时,反射光 线和折射光线互相垂直。 sin i0 n 2 证明： tg i0 n1 cos i0 sin i0 n2 由折射定律有 sin r0 n1 故 sin r0 cos i0
i0 r 0 2
2、玻璃堆(可获得完全偏振光)
3-3 光的双折射 一、双折射现象
一束自然光射向各向异性介质时，在界 面射入介质内部的折射光线分为传播方向 不同的两束折射光线.. 两束折射光的特性: (1)两束折射光是光矢量振动方向不同的 线偏振光; (2)其中一束折射光遵守折射定律,称为寻 常光(O光),另一束不遵守折射定律,称 为非寻常光( 光).
A3-2 反射光和折射光的偏振
一、部分偏振光的获得
s
n1 n2
i i r
反射光和入射光 都是部分偏振光
反射光是垂直入射面振动较强的部分 偏振光,折射光是平行入射面振动较强 的部分偏振光.
二、完全偏振光的获得和布儒斯特定律 S i0 i0 1、 布儒斯特定律 n1
当入射角 i 0 满足下面条件 时,反射光成为完全偏振光, 其光振动垂直入射面;折射 光仍为部分偏振光：
e光
o光
三、尼科耳棱镜的双折射
尼科耳棱镜是用方解石晶体经过加工制 成的,可用作起偏器或检偏器的光学元件.
作用原理：
粘合棱镜的树胶,其折射率大于O光、小 于e光;当入射光到达尼科耳棱镜分界面时 O光产生全反射,e光透过树胶射出.
四、人为双折射现象
光弹性效应 各向同性的物质在机械力的作用下,产生 与方解石相类似的各向异性的光学性质. 电光效应 一些物质在强大的电场作用下,光学性质 由各向同性变为各向异性. 法拉第效应 非晶体在磁场作用下,现双折射的现象.
工程光学讲稿(偏振)10
o光 e光 光轴
Vo Ve时为
e光
o光
Optical axis
正晶体：no ne，e光波面（椭球面）在o光波面（球面）之内。 负晶体：no ne，o光波面（球面）在e光波面（椭球面）之内。
49
三、用惠更斯原理解释双折射现象 图1、光线垂直入射时的双折射现象 a)晶体表面垂直于光轴 b)晶体表面平行于光轴 图2、光线在晶体主截面内倾斜入射时的双折射现象 a) 光轴在入射面内 b) 光轴垂直于入射面
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
16
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
17
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
18
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
束光拦掉，便得到线偏振光。
13
§15－3 马吕斯定律(Malus’ law)
起偏器（ Polarizer ）：用来产生偏振光的偏振器件。
检偏器（ Analyser ）：用来检验偏振光的偏振器件。
如果一入射线偏振光的电矢量
振动方向和检偏器的透光轴成 q 角，则通过检偏器之后的光 强 I 为：
A0cosq
38
§15－4 光双折射现象
一、晶体(Crystal)的双折射(Birefringence)现象
1.双折射现象
光束在某些晶体中传播时，由于晶体对两个相互
垂直振动矢量的光的折射率不同而产生两束折射
光，这种现象称为双折射 (Double Refraction)。ห้องสมุดไป่ตู้
Vo Ve时为
e光
o光
Optical axis
正晶体：no ne，e光波面（椭球面）在o光波面（球面）之内。 负晶体：no ne，o光波面（球面）在e光波面（椭球面）之内。
49
三、用惠更斯原理解释双折射现象 图1、光线垂直入射时的双折射现象 a)晶体表面垂直于光轴 b)晶体表面平行于光轴 图2、光线在晶体主截面内倾斜入射时的双折射现象 a) 光轴在入射面内 b) 光轴垂直于入射面
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
16
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
17
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
18
偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化
束光拦掉，便得到线偏振光。
13
§15－3 马吕斯定律(Malus’ law)
起偏器（ Polarizer ）：用来产生偏振光的偏振器件。
检偏器（ Analyser ）：用来检验偏振光的偏振器件。
如果一入射线偏振光的电矢量
振动方向和检偏器的透光轴成 q 角，则通过检偏器之后的光 强 I 为：
A0cosq
38
§15－4 光双折射现象
一、晶体(Crystal)的双折射(Birefringence)现象
1.双折射现象
光束在某些晶体中传播时，由于晶体对两个相互
垂直振动矢量的光的折射率不同而产生两束折射
光，这种现象称为双折射 (Double Refraction)。ห้องสมุดไป่ตู้
如何区分自然光和圆偏振光
如何区分自然光和圆偏振光区分自然光和圆偏振光组成的部分偏振光与自然光的具体方法如下。
一、通过震动的规律来区别1、自然光不直接显示偏振现象。
它包括了垂直于光波传播方向的所有可能的振动方向，所以不显示出偏振性。
若直接观察时不能发现光强偏于哪一个方向，并且沿着各个方向振动的光波强度都相同的光就是自然光。
且自然光由七种颜色光组成，分别是：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。
在观察自然光的时候，自然光线偏振光的末端是没有规律的，时而向上，时而左下，无法预知出下一次振动在什么地方，但在某一时间节点上，自然光依然是一个线偏振的光。
2、线偏振光，在大量时间段上，只朝一个方向振动。
不论时间如何推移，总能被预测出下一次振动，还是朝这个方向，圆或者椭圆偏振光。
在大量时间段上，其振动情况始终是围绕着一个圆圈在转动，总能通过上一次的观察预测到他下一次振动将转过多少，最终能知道他的振动方向会画成一个有规律的圆或者椭圆。
二、通过观察玻片上明暗变化来区别在光源与光屏之间加一块偏振片，将偏振片旋转一周进行观察，若光强随偏振片的转动没有变化,这束光是自然光或圆偏振光。
自然光通过后还是自然光。
如果用偏振片进行观察时,光强随偏振片的转动有变化但没有消光，则这束光是部分偏振光或椭圆偏振光。
这时可将偏振片停留在透射光强度最大的位置,在偏振片前插入1/4玻片，使玻片的光轴与偏振片的投射方向平行。
再次转动偏振片会若出现两次消光,即为椭圆偏振光，即椭圆偏振片变为线偏振光；若还是不出现消光,则为部分偏振光。
光的折射的定律1、折射光线和入射光线分居法线两侧，法线居中，与界面垂直。
2、折射光线、入射光线、法线在同一平面内。
3、当光线从空气斜射入其它介质时，角的性质：折射角小于入射角，真空中的角总是大的，其次是空气。
4、当光线从其他介质斜射入空气时，折射角大于入射角。
总结为：谁快谁大。
即为光线在哪种物质中传播的速度快，那么不管那是折射角还是入射角都是较大的角，在真空中的角度总是最大的。
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：
鉴别各种偏振光的办法
两明两暗 但暗方位 与未插/4 时不同
判 断
圆 偏 振 光
自 自圆 然 然+ 偏 椭圆 光 光 光 偏光
自 线 自 椭圆 然 + 偏 然+ 偏光 光光光
偏振光通过 1/4 波片后偏振态的变化
入射光 线偏振光
线偏振光 线偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光 椭圆偏振光
四分之一波片方位
出射光
快轴与入射光振动方 向平行或垂直
(1) Babinet补偿器(Babinet compensator) 两个光轴相互垂直并且都平行于端面的劈形晶体斜面相接
Babinet补偿器
入射光
透射光
例: 用1/4 波片和偏振片确定一束单色椭圆偏振光的状态
（椭圆取向、旋向）
1/4波片
分析步骤：
椭圆主轴
1. 不放波片，旋转偏振片， 确定椭圆主轴取向；
快轴
偏振片
2. 在偏振片前插入波片，波 片的快轴与椭圆主轴一致，
出射光应为线偏振光；
透光轴
3. 旋转偏振片，确定线偏振光的振动方向，其方向与波 片的快慢轴的相对取向决定椭圆偏振光的旋向。
光程差: n o d 1 n e d 2 n o d 2 n e d 1 n o n e d 1 d 2
自然光 光强不变 （待定） 圆偏振光
2、自然光和圆偏振光的检定
用¼ 波片和检振器，可区分自然光和圆偏振光
自然光
自然光
光强不变为自然光
圆偏振光
线偏振光
¼ 波片
旋转偏振片
光强变化且消光 圆偏振光
3、部分偏振光和椭圆（正椭圆）偏振光的检定
部分偏 振光
部分偏 振光
椭圆偏振光
线偏振光
¼ 波片
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。
鉴别各种偏振光的办法
5.8 偏振态的实验检验
光的偏振获取
用一片已知透振方向的偏振片和一片 已知光轴方向的/4波片可以将前面所讨 论过的7种偏振态的光进行鉴别和检验,鉴 别的方法列于下表中。
1、平面偏振光的检定
仅用一个检振器，可唯一确定平面偏振光
被检光
有消光：平面偏振光
光强变化 无消光
部分偏振光
（待定） 椭圆偏振光
旋转偏振片
d1d2: 可变
缺点：
光程差可调可变
1、由于交界面为斜面，在此界面上的不同折射，会使 两个垂直振动的传播方向分开，引起光束的发散；
2、要求入射光束很细。
（2）Soleil补偿器(Soleil compensator)
n o n e d 1 d 2
自然光 光强不变 （待定） 圆偏振光
2、自然光和圆偏振光的检定
用¼ 波片和检振器，可区分自然光和圆偏振光
自然光
自然光
光强不变为自然光
圆偏振光
线偏振光
¼ 波片
旋转偏振片
光强变化且消光 圆偏振光
3、部分偏振光和椭圆（正椭圆）偏振光的检定
部分偏 振光
部分偏 振光
椭圆偏振光
线偏振光
¼ 波片
旋转偏振片
一般椭圆偏振光的检定不加讨论
光强变化无消光 部分偏振光
光强变化且消光 椭圆偏振光
待测光波垂直入射
转动偏振片
在偏振片前放1个1/4波片。 转动偏振片
光
有
强
消
不
光
变
现
象
光
强
有
为 在偏振片前放1个1/4波片，快轴
零
沿光强极大或极小方向。
的
转动偏振片
极
光的偏振获取
用一片已知透振方向的偏振片和一片 已知光轴方向的/4波片可以将前面所讨 论过的7种偏振态的光进行鉴别和检验,鉴 别的方法列于下表中。
1、平面偏振光的检定
仅用一个检振器，可唯一确定平面偏振光
被检光
有消光：平面偏振光
光强变化 无消光
部分偏振光
（待定） 椭圆偏振光
旋转偏振片
d1d2: 可变
缺点：
光程差可调可变
1、由于交界面为斜面，在此界面上的不同折射，会使 两个垂直振动的传播方向分开，引起光束的发散；
2、要求入射光束很细。
（2）Soleil补偿器(Soleil compensator)
n o n e d 1 d 2
自然光 光强不变 （待定） 圆偏振光
2、自然光和圆偏振光的检定
用¼ 波片和检振器，可区分自然光和圆偏振光
自然光
自然光
光强不变为自然光
圆偏振光
线偏振光
¼ 波片
旋转偏振片
光强变化且消光 圆偏振光
3、部分偏振光和椭圆（正椭圆）偏振光的检定
部分偏 振光
部分偏 振光
椭圆偏振光
线偏振光
¼ 波片
旋转偏振片
一般椭圆偏振光的检定不加讨论
光强变化无消光 部分偏振光
光强变化且消光 椭圆偏振光
待测光波垂直入射
转动偏振片
在偏振片前放1个1/4波片。 转动偏振片
光
有
强
消
不
光
变
现
象
光
强
有
为 在偏振片前放1个1/4波片，快轴
零
沿光强极大或极小方向。
的
转动偏振片
极
自然光与偏振光线偏振光与部分偏振光
物质的二向色性
二向色性：物质所具有的对相互垂直的两个光振动
的选择吸收作用。
有些能够产生双折射的单轴晶体，对o光和e光的吸 收作用有很大不同，对其中的一个吸收作用很强，而 对另一个很弱。
在高分子化合物中，使高分子长链沿某个方向有规 则的排列，经特殊加工后，它会对相互垂直的两个光 振动产生不同的吸收作用。
线偏振光
自然光与偏振光线偏振光与部分偏 振光
v E
符号表示
3 部分偏振光及偏振度
部分偏振光 ：某一方向的光振动比与之垂直方向 上的光振动占优势的光为部分偏振
部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不 等幅的、不相干的线偏振光。
部分偏振光
部分偏振光的分解
符号表示
自然光与偏振光线偏振光与部分偏 振光
包含各个方向的光矢量在所有可能的方 向上的振幅都相等 .
自然光与偏振没光有线偏优振势光方与部向分偏
振光
自然光的分解
• ※ 机理：原子自发辐射具有独立性、间歇 性和随机性普通光源所发出的光, 波列之间 是相互独立的，没有固定的关联（相位、 振动方向、振幅、波列长短等），按统计 原理，无论哪一方向的振动在各方向上的 分布是对称的，振幅也可看成是完全相等 的（统计平均）.
Ib In I p 自然光与偏振光线偏振光与部分偏 振光
偏振度
P Imax Imin Imax Imin
IM — 在某一方向上的偏振光强度最大值
In — 与之垂直方向的偏振光强度最小值
平面偏振光
P=1
自然光 ( 非偏振光 )
P=0
部分偏振光
0<P<1
自然光与偏振光线偏振光与部分偏 振光
图示：
自然光与偏振光线偏振光与部分偏 振光
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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