波动光学 14-9 光的偏振性 马吕斯定律
光的偏振实验马吕斯定律
光的偏振实验马吕斯定律光的偏振实验马吕斯定律光的偏振是指光波振动方向的特性。
在物理学中，马吕斯定律是描述光的偏振性质的基本定律之一。
本文将介绍光的偏振实验以及马吕斯定律的原理与应用。
一、光的偏振实验光的偏振实验是通过一系列实验来观察和测量光波在通过偏振器材料时的偏振现象。
常用的偏振实验方法包括偏振片实验、旋光仪实验等。
1. 偏振片实验偏振片是一种特殊的光学材料，可以选择允许特定振动方向的光通过。
在偏振片实验中，我们可以通过两块偏振片的组合来观察光的偏振现象。
通常，将第一块偏振片设置为偏振器，通过旋转它的角度，可以改变光波通过的偏振方向。
随后，将第二块偏振片作为分析器，用于观察通过的光的强度。
根据分析器的角度，我们可以观察到光的透射光强度的变化。
2. 旋光仪实验旋光仪是一种常用的光学仪器，用于测量物质的旋光性质。
旋光性是指物质对偏振光的旋转效应。
在旋光仪实验中，通过旋转样品槽里的物质，可以观察到经过样品后偏振光旋转的现象。
二、马吕斯定律的原理马吕斯定律是法国科学家马吕斯在1808年提出的，该定律描述了光在通过各向同性材料（无论是吸收还是反射）时的偏振性质。
根据马吕斯定律，当一束不偏振光从一个均匀各向同性介质（例如空气、玻璃等）射入时，经过该介质后的光将成为线偏振光。
具体来说，假设光波的振动方向与入射面垂直，那么经过介质后，与入射面垂直的振动方向会被选择性地减弱，而平行于入射面的振动方向则会保持不变。
马吕斯定律的实质是光的振动方向在介质中受到选择性的吸收和减弱，从而导致光的偏振现象。
三、马吕斯定律的应用马吕斯定律在生活和科学研究中有着广泛的应用。
1. 偏振片根据马吕斯定律的原理，偏振片可以选择性地通过特定方向的光波，使其成为偏振光。
这种特性被广泛应用于摄影、光学仪器、偏振显微镜等领域。
2. 偏振光的产生与检测马吕斯定律的原理可以通过适当的实验装置来产生和检测偏振光。
例如，通过透镜和线性偏振片的组合，可以用于研究偏振光与物质的相互作用，有助于了解材料的光学性质。
光的偏振性马吕斯定律
I10
I10/2
I1
••
I1
I10 2
cos2
30
同理:
I2
I20 2
cos2
600
取 I1 = I2
I10 cos2 30 I20 cos2 60
2
2
两束单色自然光的强度 比为:
I10 I20
cos2 cos2
60 30
1 3
§2 反射和折射光的偏振 一. 反射时光的偏振
法线
e光 • • • o光 光轴
二.惠更斯原理对双折射的 解释 1. 晶 体 的 主 折 射 率 ， 正 晶
体、负晶体
法线 入射线
光轴
109º 主截面
71º
主平面:
晶体中光的传播方向 与晶体光轴构成的平面.
一般情况下, o主平面 与e主平面是不重合的.
实验表明:
o光是光矢量与o主平面 垂直的线偏振光.
I变，无消光？是什 么光
三. 马吕斯定律
I0
P I
E0
P
I0
E
2 0
,
E=E0cos
IE
2
E
2 0
cos
2
I I0 cos2
马吕斯定律（1809）
0，I Imax I0
，I 0 ——消
2
光
例题1.
有两个偏振片,一个用作 起偏器,一个用作检偏器. 当它们的偏振化方向之 间的夹角为30º时,一束单 色自然光穿过它们,出射 光强为I1;当它们的偏振 化方向之间的夹角为60º 时,另一束单色自然光穿 过它们,出射强度为I2, 且 I 1=I2 . 求两束单色自然 光的强度之比.
光的偏振与马吕斯定律
光的偏振与马吕斯定律光是一种电磁波，具有波动性质。
当光通过介质或其他物体时，其电矢量在垂直于传播方向的平面上振动，这种振动称为光的偏振。
一、光的偏振态光的偏振态是指光波的电矢量的振动方向。
光可以是不偏振，也可以是部分偏振或完全偏振。
1.1 不偏振光不偏振光是指电矢量在所有方向上都均匀振动的光。
这种光既没有偏振方向，也不随着时间变化。
1.2 部分偏振光部分偏振光是指电矢量在特定方向上振动，并且有一个主导方向。
这种光可以理解为由两个方向上偏振光的叠加而成。
1.3 完全偏振光完全偏振光是指电矢量只在一个确定方向上振动的光。
这种光具有明确的偏振方向和振幅。
二、光的偏振与马吕斯定律马吕斯定律（Malus' law）是描述光的偏振现象的定律，它阐述了入射偏振光强度与通过偏振片后的透射光强度之间的关系。
马吕斯定律的表达式为：I = I₀cos²θ其中，I₀为入射光的强度，I为透射光的强度，θ为透射光与偏振方向之间的夹角。
根据马吕斯定律，当透射光与偏振方向之间夹角为0°时，透射光强度最大，为入射光的强度。
当夹角为90°时，透射光强度为0，完全消光。
马吕斯定律还可以用来分析光的偏振态的成分。
通过将入射光依次通过多个偏振片，并测量透射光的强度，可以得到透射光与偏振方向的夹角与透射光强度的关系。
根据马吕斯定律，可以确定光的偏振态的振动方向。
三、应用与实践光的偏振现象在许多领域中有广泛的应用。
3.1 光学仪器与装置偏振片被广泛应用于光学仪器和装置中，如摄影和摄像机中的偏振镜头，显微镜中的偏振装置等。
通过控制光的偏振态，可以提高成像的清晰度和对比度。
3.2 光通信与光电子学光通信和光电子学中的偏振控制器可以用于调节光的偏振态，提高信号传输的质量和速率。
3.3 材料科学与光学器件通过控制材料的结构和性质，可以制备具有特定偏振特性的光学器件，如偏振滤波器、偏振分光器、液晶显示器等。
3.4 光生物学与医学应用光的偏振现象在生物和医学领域中也有重要应用，如偏振显微镜可以观察细胞和组织的结构，利用光的偏振性质可以实现非侵入性的生物组织成像。
光的偏振与布儒斯特定律与马吕斯定律
光的偏振与布儒斯特定律与马吕斯定律在我们日常生活中，光是一种常见而神奇的现象。
它可以照亮我们的世界，使我们看见各种色彩的事物。
而光的偏振则是光学中一个非常重要的概念。
通过学习光的偏振性质，我们可以更好地理解光的传播和应用。
在本文中，我们将介绍光的偏振以及与之相关的两个定律：布儒斯特定律和马吕斯定律。
光是一种电磁波，它具有特定的振动方向。
当光的振动方向在一个平面上时，我们称之为偏振光。
而不偏振光则是指光的振动在所有方向上均匀分布。
光的偏振性质由光的波动性质决定，光的波动包括电场和磁场的振动。
当电场振动发生在一个特定方向上时，光就呈现出偏振性质。
布儒斯特定律是描述光的偏振光通过各种介质时的行为的定律。
根据布儒斯特定律，光的振动方向与介质的性质和入射角有关。
当光沿着与介质的界面平行的方向传播时，其振动方向不发生改变。
然而，当光以一定角度入射时，振动方向会发生旋转，这被称为偏振旋转。
布儒斯特定律也告诉我们，在某些特定角度下，光可以完全被介质吸收，这被称为布儒斯特角。
马吕斯定律是描述光在通过偏振片时的行为的定律。
偏振片是一种特殊的光学器件，它可以选择性地通过或阻挡特定方向上的光。
根据马吕斯定律，当线偏振光通过一个偏振片时，只有和偏振片的偏振方向一致的光可以通过，而与偏振片垂直方向的光则会被完全阻挡。
这种现象被称为偏振光的选择性吸收。
光的偏振性质在许多领域有着广泛的应用。
在光电通信中，偏振光可以传输更多的信息量，提高数据传输速率。
在光学仪器中，通过使用偏振片，可以选择性地过滤特定方向上的光，达到改变光的颜色或亮度的目的。
在显微镜和太阳眼镜中，偏振片可以屏蔽掉来自某些方向的光，保护我们的眼睛。
除了光的偏振性质，我们还可以通过研究光的波动特性来理解光的传播和干涉现象。
光的干涉是指当两束光相遇时，它们的振动相互叠加产生干涉图样的现象。
干涉现象可以通过布儒斯特定律和马吕斯定律来解释。
根据布儒斯特定律，入射角决定了光在介质中的传播速度和偏振旋转角度，而马吕斯定律则描述了光在偏振片中的选择性吸收。
第一节 光的偏振性及马吕斯定律
例：晴朗蔚蓝色的天空中所散射的日光多是部分偏振光，散 射光与入射光的方向越接近垂直，散射光的偏振度越高。
椭圆偏振光和圆偏振光 椭圆偏振光：在传播过程中，光矢量围绕传播方向旋转，其末端在垂直于传播方向
的平面上的投影是一椭圆。
圆偏振光：光矢量末端在垂直于传播方向的平面上的投影是圆。 右旋椭圆偏振光：迎着光的前进方向看时，光矢量顺时针旋转。 左旋椭圆偏振光：迎着光的前进方向看时，光矢量逆时针旋转。
I 0 A02
I A2 A02 cos2
I I0 cos2
(马吕斯定律)
当 α 0，I Imax I0
当
α ，I 0 消光现象
2
A0
Malus (1775-1812 )
A
公式中入射光必须是线偏振光，不是自然光。
A A0 cos
用偏振片检验光的偏振态
偏振片转一周
线偏振光 部分偏振光
X
•••
X
简单表示法
S
Y
O
Y
Z
u
Z
u
完全偏振光
自然光经过某些物质的反射、折射或吸收后，可能只保留某一方向的光 振动。这种只有某一固定方向振动的光叫做线偏振光或完全偏振光，简称偏 振光。
E
光振动平行屏幕
u
• • •• •
光振动垂直屏幕
部分偏振光
• • • • ••
•• •
垂直屏幕的光振动较强
平行屏幕的光振动较强
自然光
消光 强度变，无消光 强度不变 偏振化方向
二、起偏与检偏
偏振片
晶体（如硫酸金鸡钠硷）对相互垂直的两个光振动分量具有选择吸收 的性能，称为二向色性。将这种晶体涂敷于透明薄片上，就成为偏振片 。偏振片是常用的起偏器和检偏器，每个偏振片上都标有偏振化方向。
第14章 光的偏振
自然光
线偏振光
···
立体电影
在拍摄玻璃窗内的物体时，在镜头上装上偏振片， 去掉反射光的干扰
未 装 偏 振 片
装 偏 振 片
起偏：从自然光获得偏振光
自然光
检偏: 检验偏振光
检 偏
线偏振光
起偏器
检偏器
讨论： (1) 自然光入射
透射线偏振光的光强:
I0 I1 2
缓慢转动P1 ——透射光是线偏振光 ——透射光光强 I1不变 ——线偏振光振动方向随 P1偏振化方向改变
1. 实验
反射光中,垂直入射面的光振动多于 平行入射面的光振动。 i i S
R
折射光中,平行入射面的光振动多于
垂直入射面的光振动。 入射角 i 改变, 反射、折射光的偏 振程度也改变。 γ R`
n1 n2
2. 布儒斯特定律
（1）当入射角 i = i0 时，反
自然光
S S
S
ii0 ii0 i i γ
I2 = I1 cos2 —— 马吕斯定律。
注意：入射光必须是线偏振光，不是自然光；
检偏器P2
E1
P2
讨论： 0，I 2 I max I 1
——透射光强最强
E1 sin
E1 cos
2
，I 0
——消光
P1
P194 例14-1 一束光由自然光和线偏振光混合而成，当它通过偏 振片时，发现透射光的光强依赖偏振片透光轴方向的取向可变化 5倍，求：入射光束中两种成分的光的相对强度。 P1 I0 解： I I 0 I 1 …… ①
P196例14.4 如图所示为一玻璃三棱镜，材料的折射率为n＝1.50， 设光在棱镜中传播时能量不被吸收.问： (1)一束光强为I0单色光，从空气入射到棱镜左侧界面折射进入棱 镜.若要求入射光全部能进入棱镜，对入射光和入射角有何要求？ (2)若要求光束经棱镜从右侧折射出来， 强度保持不变，对棱镜顶角有何要求？ 解 (1)若要求入射光全部折射到棱镜里， 则要求其反射光强度为零.对于自然光这 条件无法满足.若入射光为平行入射面的 线偏振光，则在入射角等于起偏振角情 况下，反射光束强度为零，入射光将全 部进入棱镜.因此要求入射光是振动方向 平行于入射面的线偏振光.入射角i01为
光的偏振性马吕斯定律
01
通过深入研究光的偏振性，可以优化光学器件的设计和性能，
提高光学系统的整体性能。
促进光学技术的发展
02
光的偏振性研究可以为光学技术的发展提供新的思路和方法，
推动光学技术的进步。
在量子信息中的应用
03
光的偏振性在量子信息领域具有重要的应用价值，可以用于量
子通信和量子计算中的信息编码和处理。
感谢观看
THANKS
为了克服马吕斯定律的局限性，需要研究非线性偏振光的行为， 并发展相应的理论。
引入量子力学理论
将量子力学理论引入光的偏振性研究中，可以更深入地理解光的本 质和行为。
发展多维偏振测量技术
为了更准确地描述光的偏振状态，需要发展多维偏振测量技术，以 获取更全面的偏振信息。
马吕斯定律在未来的应用前景
提高光学器件的性能
光的偏振性马吕斯定 律
• 光的偏振性 • 马吕斯定律 • 马吕斯定律的应用 • 马吕斯定律的局限性与发展
目录
01
光的偏振性
光的偏振现象
01
02
03
自然光
无偏振现象，光波电矢量 在垂直于波传播方向的平 面内呈无规则分布。
线偏振光
光波电矢量仅在某一特定 方向上振动，其余方向上 振幅为零。
圆偏振光
光波电矢量在垂直于波传 播方向的平面内呈旋涡状 分布，且沿波传播方向看， 电矢量随时间作旋转。
实验中，通常使用激光作为光源，通过偏振片产 生线偏振光，再通过检偏器观察透射光的光强变 化。
3
通过调整夹角θ的大小，可以观察到透射光的光 强随夹角的变化规律，从而验证马吕斯定律的正 确性。
03
马吕斯定律的应用
ห้องสมุดไป่ตู้
光的偏振现象与马吕斯定律的应用实例
光的偏振现象与马吕斯定律的应用实例
在光学领域，光的偏振现象一直是一个备受关注的研究课题。
光的偏振是指光波中电磁场振动方向的指向性，在光与物质相互作用时具有重要意义。
偏振光的传播性质与其振动方向密切相关，不同偏振光在介质中的传播速度和衍射效应均有所不同。
因此，对光的偏振现象的研究不仅有助于理解光的传播规律，还可以应用于各种工程和科学领域。
马吕斯定律是描述光线通过晶体时的偏振变化规律的定律。
它指出，当光波以一定角度穿过晶体时，会出现偏振现象，偏振光的振动方向将与光波入射面法线上的一个特定平面平行。
这一定律与光线的电磁性质及晶体结构有关，是研究光的偏振现象的基础之一。
在实际应用中，马吕斯定律的应用十分广泛。
例如，在通信领域，偏振光可以用于光纤通信系统中，通过控制光的偏振状态，可以提高光信号的传输效率和稳定性。
此外，在光学传感器和显微镜等领域，光的偏振现象也被广泛应用，可以实现对光学信号的高灵敏度检测和精确定位。
除此之外，在生物医学领域，光的偏振现象和马吕斯定律的应用也有着重要意义。
通过研究光在生物组织中的偏振效应，可以实现对组织结构和细胞形态的高分辨率成像，为生物医学诊断和治疗提供有力支持。
综上所述，光的偏振现象与马吕斯定律的应用具有重要的理论和实际意义。
随着光学技术的不断发展和完善，光的偏振现象和马吕斯定律将继续在各个领域发挥重要作用，推动科学研究和技术创新的进步。
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物理学教程 （第二版）
偏振化方向 ： 当自然光照射在偏振片上时，它 只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的 偏振化方向 .
起 偏
1
I0
起偏器
2
I0
偏振化方向
第十四章 波动光学
14 – 9 光的偏振性 马吕斯定律
物理学教程 （第二版）
检 偏
起偏器 检偏器
第十四章 波动光学
14 – 9 光的偏振性 马吕斯定律 三 马吕斯定律（1880 年） N
14 – 9 光的偏振性 马吕斯定律
物理学教程 （第二版）
光的波动性 光波是横波
机械横波与纵波的区别 机 械 波 穿 过 狭 缝
第十四章 波动光学
光的干涉、衍射 . 光的偏振 .
14 – 9 光的偏振性 马吕斯定律
物理学教程 （第二版）
一
自然光 偏振光 自然光 ：一般光源发出的光中，包含着各个方向 的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称） 这样的光叫自然光 .
I 3 I 2 cos (
2
)
p3
I 3 I 2 sin
2
1 2
I 0 cos sin
2 2
I3
1 8
I 0 sin
2
2
若 在 0 ~ 2π 间变化， I 3 如何变化？
0,
π 2 ,π , 3π 2 , I3 0
π 4
,
3π 4
,
5π 4
,
7π 4
I 10 cos 30
2
物理学教程 （第二版）
I1 I 2
第十四章 波动光学
2 I 10
I2
2 2
I 20 2
cos 60
2
cos cos
30 60
1 3
I 20
14 – 9 光的偏振性 马吕斯定律 讨论 在两块正交偏振片 p 1 , p 3 之间插入另一块偏 振片 p 2 ，光强为 I 的自然光垂直入射于偏振片 p 1 ， 0 讨论转动 p 2 透过 p 3 的光强 I 与转角的关系 .
,
I3
I0 8
第十四章 波动光学
自然光以两互相垂直的互为独 立的（无确定的相位关系）振幅相 等的光振动表示 , 并各具有一半的 振动能量 . 注意 二互相垂直方向是任选的 . 符号表示
v
E
各光矢量间无固定的相位关系 .
第十四章 波动光学
14 – 9 光的偏振性 马吕斯定律 偏振光（线偏振光） 光振动只沿某一固定方向的光 .
物理学教程 （第二版）
I0
E0
M
E
检偏器
I I0 E
I
起偏器 N E0
M
E
E E 0 cos
2
2 E0
马吕斯定律 强度为 I 0 的偏振 光通过检偏振器后, 出射光的强度为
I I 0 cos
2
第十四章 波动光学
14 – 9 光的偏振性 马吕斯定律 例1 有两个偏振片,一个用作起偏器, 一个用作检 偏器. 当它们偏振化方向间的夹们偏振化方向间 的夹角为 60 时, 另一束单色自然光穿过它们 , 出射光 强为 I 2 , 且 I 1 I 2 . 求两束单色自然光的强度之比 . 解 设两束单色自然光的强度分别为 I 10 和 I 20 . I 10 I 20 经过起偏器后光强分别为 和 . 2 2 经过检偏器后 I 1
物理学教程 （第二版）
E
振动面
符号表示
v
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光 .
符号表示
第十四章 波动光学
14 – 9 光的偏振性 马吕斯定律 二 偏振片 起偏与检偏 二向色性 : 某些物质能吸收某一方向的光振动 , 而只让与这个方向垂直的光振动通过, 这种性质称二 向色性 . 偏振片 ： 涂有二向色性材料的透明薄片 .
物理学教程 （第二版）
I0
p1
p3
p1
p2
p3
I0
p1
I1
p2
I2
p3
I3
I1
1 2
I0
I 2 I 1 cos
2
I0 2
cos
2
第十四章 波动光学
14 – 9 光的偏振性 马吕斯定律
物理学教程 （第二版）
I0
p1
I1
p2
I2
p3
I3
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p2
I2
I0 2
cos
2