大学物理——光的偏振
大学物理——光的偏振
二、起偏和检偏 1、偏振片的起偏和检偏 起偏：使自然光（或部分偏振光）变成线偏振光的过程。 起偏：使自然光（或部分偏振光）变成线偏振光的过程。 检偏：检查入射光的偏振性。 检偏：检查入射光的偏振性。 偏振片 将待检查的入射光垂直入 自然光 射偏振片， 射偏振片，缓慢转动偏振 观察光强的变化， 片，观察光强的变化，确 定光的偏振性。 定光的偏振性。
3. 尼科耳棱镜 将两块根据特殊要求加工的方解石棱镜用折射率 将两块根据特殊要求加工的方解石棱镜用折射率 方解石棱镜 的加拿大树胶粘合成一长方柱形棱镜。 为n=1.55的加拿大树胶粘合成一长方柱形棱镜。 的加拿大树胶粘合成一长方柱形棱镜 方解石的折射率n 方解石的折射率 0=1.658, ne = 1.486 光轴在ABCD平面内方向与AB成480，入射面取ABCD面 光轴在ABCD平面内方向与AB成 入射面取ABCD面 ABCD平面内方向与AB ABCD
Ex = Ecosα Ey = Esinα
Ey
E
α
Ex
x
线偏振光的表示法： 线偏振光的表示法：
x
光振动平行板面
• • • • • •
x
光振动垂直板面
部分偏振光
某个方向的光振动占有优势。 某个方向的光振动占有优势。 有优势
自然光与线偏 自然光与 线偏 振光的混合 的混合。 振光的混合。 部分偏振光 部分偏振光的分解 部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的 相互垂直的、 部分偏振光可分解为两束振动方向 相互垂直的 、 不等幅的线偏振光 线偏振光。 不等幅的线偏振光。 部分偏振光的表示法： 部分偏振光的表示法：
2 、光轴与主平面 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时 不发生双 折射，该方向称为晶体的光轴。 折射，该方向称为晶体的光轴。 晶体的光轴 “光轴”是一特殊的“方向”,不是指一条直线。 光轴” 特殊的“ 光轴 是一特殊的 方向” 不是指一条直线。 凡平行于此方向的直线均为光轴。 凡平行于此方向的直线均为光轴。 单轴晶体： 单轴晶体：只有一个光轴的晶体 光轴 方解石、石英、红宝石、冰等。 方解石、石英、红宝石、冰等。
大学物理光的偏振
偏振片
自
然 光
偏 振 化 方 向 线 偏振 光
2、起偏 ∶自然光通过偏 振片后变为线偏振光 ， 称为 起偏 。 3、检偏 ∶偏振片又可用来 检验光线的偏振化程度 ，称 为检偏 。
自然光
线偏振光
.
. . . .
起偏器 检偏器
§15-12 马吕斯定律
自然光 线偏振光
. .
起偏器
I0
I A
A0 a A
L (no ne )d 2 2 2 1 L (no ne )d L (no ne )d 4 2 (no ne )d 2 L (no ne )d 2 2 (no ne )d
一、 尼科耳棱镜 原理：利用o、e光的折射率不同，设法使其中一束 光产生全反射。 设计巧妙！
尼科耳棱镜：将一块方解石切成两半，再用加拿大树 胶粘合而成。 加拿大树胶
90 A 48
68
B
D
e光
O光
C
no 1.658
ne 1.486
n胶 1.55
加拿大树胶的折射率介于o、e光折射率之间
§15-13 反射光和折射光的偏振
一、布儒斯特定任意角度入射时，反射光和 折射光都为部分偏振光。 反射光中垂直于入射面振动 的光的强度比较大，折射光中 在入射面内振动的光的强度比 较大，均为部 分偏振光 。
r
n
1
n2
以布儒斯特角入射
当改变入射角，使之满足 ∶
§15-11 光的偏振
振动面：光矢量E与传播方向组成的平面。 偏振: E的振动方向对传播方向的不对称性。 E
光矢量 振动面
0
H
v
大学物理 光的偏振
A//
A cos 0
而光强 I A2
I // IO
A/2/ A0 2
( Ao
c os a) 2 A0 2
I I0 cos2 a
AM 0
A
N
A//
o
14
如果入射到检偏片的线偏振光是穿过起偏器的光，则公式
一串光波列是横波。但从宏观上看，光源发出的光中包含了所有方向的光振动， 振动面可以分布在一切可能的方位，任何方向光矢量对时间的平均值是相等的。
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。
x E
c z
y
S
5
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)。
9
§14-2 起偏和检偏 马吕斯定律
一、偏振片的起偏、检偏
起偏： 把自然光变成偏振光。
1、偏振器：把自然光变成为全偏振光的仪器。 有些晶体（例如硫酸金鸡钠硷）对互相垂直的两个分振动
光矢量具有选择性吸收，这种现象称作晶体的二向色性。 自然光通过这种晶体薄片后，只剩下一个方向的振动，而
另一个方向的振动则被吸收。这种晶体薄片就可做偏振片。
n sin i0 1.73
sin 0
或者，由
将i0=600代入，得
tan i0
n2 n1
n2
n=1.73
26
§14-4 光的双折射现象 一、光的双折射
当一束光投射到两种媒质的交界处，一般只能看到一束折射光，折射定律为：
大学物理--光的偏振(完全)
e
方 解 石 的 主 平 面
o
图
21
3.惠更斯原理研究双折射现象 作图方法 1. o光在各个方向的传播速度相同，子波面应为 球面。 e光的传播速度随方向变化，但可以证明子波面 为旋转椭球面。 2. o光和e光在光轴方向传播速度相同，故子波 面在光轴方向相切；实验表明，在垂直于光轴的方 向上速度相差最大。 3.对负晶体(如方解石)，在垂直于光轴的方向上, o<e , no>ne ,故e光的子波面(旋转椭球面)应包围o光 的子波面(球面)。
图
例题 一束光是自然光和线偏振光的混合。当它通 过一偏振片后，测得最大透射光强是最小透射光强的5 倍，求入射光中自然光和线偏振光的光强之比。 解 设入射光中自然光的光强为I1，线偏振光的光 强为I2，则透射光强
1 1 I max I1 I 2 , I min I1 2 2 I max 2I 2 I 2 2 5 1 , I1 I min I1
图
8
例题 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
自然光
1 Io 2
图
1 2 ( I o ) cos 2
由
解得： =45°(or 135°)。
9
1 1 2 I I o cos I o 2 4
2
1.自然光 部分偏振光 线偏振光 普通光源发出的光、阳光都是自然光。 由于原子发光的间歇性和无规则性，使得普通光源发 出的光的光矢量在垂直于传播方向的平面内以极快的 速度取0~360°内的一切可能的方向，且没有哪一个 方向占有优势。具有上述特性的光，称为自然光。
大学物理-14章：光的偏振
A (2n) s2
As1 sin
2n
i2
i0
A (2n) P2
AP1
. 在拍摄玻璃窗内的物体时， 去掉反射光的干扰
未装偏振片
装偏振片
▪ 这张照片拍摄时没有加偏振滤镜，玻璃面 上的反射光现象很明显。此照片拍摄时相 机指向与玻璃大约成45度角。
▪ 这张照片是加上偏振滤镜后拍摄的。相机指向与 玻璃仍然是45度角左右。可以看出，虽然偏振滤 镜消去了大部分的反射光，但是仍然有一部分反 射光存在。这是因为在45度角离布儒斯特角甚远， 玻璃面上的反射光是部分偏振光，偏振滤镜无法 把这样的反射光全部滤去。
反射光为振动方向垂直于入射面的线偏振光
n1 sin i10 n2 sin i2
n1 sin tg i10
i10
n2 n2 n1
sin( 900 i10) n2 cos i10
----布儒斯特定律
若 n1 =1.00 (空气)，n2 =1.50 (玻璃)，则：
三 折射光的偏振态
As2 2sini2 cosi1 As1 sin(i1 i2 )
解：设P1、P2的 I1 P1 I1' P2 I1' ' E
偏振化方向夹
角为
I2
I2' I2''
入射线偏振光振动方向与P1的偏振化方
向夹角为
对自然光：
I1'
1 2
I1
I1''
1 2
I1
cos2
线偏振光：
I2' I2 cos2 I2 '' I2 cos2 cos2
因I1’’和I2’’是非相干光
(900 ) (900 i2 ) 180
大学物理第6章-光的偏振
1.偏振片(polarizing plate), 起偏, 检偏
1)偏振片: 只允许某一个方向的振动透过的光学元件
(6)
2)偏振片的用途
(a)作起偏振器
I0
I0/2
(b)作检偏振器
偏振光
光强为零 (消光)
2.波片(wave plate)
(23)
出波片C 时, o光和e光的振动:
A
Ao
Ae
光轴
P1
偏振片P1
单色自然光
波片C
d
x
y(光轴)
A
Ae
Ao
光轴
d
e光
o光
所以
则
合成为线偏振光
合成为正椭圆偏振光
合成为斜椭圆偏振光
合成为圆偏振光
k=0, 1, 2,
1) 1/4波片
思考: (1)线偏光通过1/4波片后, 出射光的偏振态和 光强如何?
O
z
O
z
部分偏振光的分解
部分偏振光
·
·
·
·
·
·
·
·
图示法
(4)
部分偏振光可以看成是自然光和线偏振光的混合。
(5)
4.椭圆和圆偏振光(elliptic and circular polarized light)
Ex
Ey
E
x
y
y
x
z
x
y
x
Ex
Ey
E
y
z
光矢量E的大小和方向在垂直于传播方向的平面上有规律地变化, 光矢量末端轨迹为椭圆称为椭圆偏振光;末端轨迹为圆称为圆偏振光。
(大学物理)光的偏振
线偏光
圆偏振光
§2 偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律
一. 起偏 • 起偏：从自然光获得偏振光 • 起偏器: • 偏振片 起偏的光学器件
（1928年美国大学生兰德发明）
两向色性的有机晶体，如硫酸碘奎宁、电气石或聚 乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后，在高温下拉伸、烘干， 然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片。它有一个特 定的方向，只让平行与该方向的振动通过。
例：三个偏振片 P1、P2与P3 堆叠在一起， P1 与 P3 的偏振化方向相互垂直，P2 与 P1 的偏振化方向间的夹角为 30 ° 。强度 为 I0 的自然光垂直入射到偏振片 P1，并 依次透过偏振片 P1、P2 与 P3，若不考虑 偏振片的吸收和反射，则通过三个偏振片 后的光光强为： （B） 3 I 0 / 8; （A） I 0 / 4; （C） 3 I 0 / 32; （D） I 0 / 16. [ C ]
2.寻常光和非寻常光
o光（寻常光）: 遵从折射定 n1 sin i = n2 sin ro
律 且在入射面内传播 e光 : 一般不遵从折射定律
sin i ≠ const sin re
e光折射线也不一定在入射面内。
3. 晶体的光轴 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生 双折射，该方向称为晶体的光轴。 例如，方解石晶体(冰洲石) 光轴是一特殊的方向 , 凡平 行于此方向的直线均为光轴。
• 光轴 B
102°
A
单轴晶体：只有一个光轴的晶体
例如：方解石、石英等。
双轴晶体：有两个光轴的晶体
例如：云母、硫黄等。
4. 主平面和主截面 主平面：晶体中光的传播方向与晶体 光轴构成的平面。 O光振动方向垂直于主平面。
大学物理-第七节光的偏振
另外，在阳光充足的白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物的玻璃上反射 过来的耀眼的阳光，常会使眼睛睁不开。由于光是横波，所以这些强烈的来 自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此，只需带一副只能透射竖直 方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光。
2、观看立体电影
在拍摄立体电影时，用两个摄影机，两个摄影机的镜头相当于人的两只眼 睛，它们同时分别拍下同一物体的两个画像，放映时把两个画像同时映在银 幕上。如果设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画面，就可以使观众得 到立体感。为此，在放映时，两个放放像机每个放像机镜头上放一个偏振片， 两个偏振片的偏振化方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜，左眼偏 振片的偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化 方向与右面放像机上的偏振化方向相同，这样，银幕上的两个画面分别通过 两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体化的影像了。
M
I0 • • • o • • •
I0 2
一束光强为I0的自然光透过检偏器，透射光强为I0 /2
讨论
•当检偏器以入射光为轴转动时，透射光强度将有变化。
•起偏器与检偏器偏振化方向平行时：α=0 或α=π，I=I0，
透射光强度最大；
•起偏器与检偏器偏振化方向垂直时：α=π/2 或α=3π/2，
I=0，透射光强度最小；
•α为其它角度时，透射光的强度介于0～I0之间。
•马吕斯定律是对偏振光的无吸收而言的，对于自然光并不成立。 若是自然光I0，通过偏振片后，I＝I0/2，偏振片在这里实际上 起着起偏器的作用。
•当两个偏振片互相垂直时，光振动沿第一个偏振片偏振化方向 的线偏振光被第二个偏振片完全吸收，出现所谓的消光现象。
三、双折射 偏振棱镜
折射定律
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大学物理——光的偏振
教学内容
教学设计 (1).线偏振光(平面偏振光) 定义：光矢量在一固定平面内沿一固定方向振动的偏振
光
特征：偏振面为一固定平面 如图19-1所示 (2).自然光定义：大量原子随机发射的光波列的集合，每个光波列的频率、相位、
振动方向、波列长度均不同，振动方向具有以轴为中心对称、均匀分布且各方向光振动的振幅相等的光线 ，如图19-2所示
特征：振动方向、振幅轴对称且均匀分布各振动方向之间相位没有相互关系
如图19-3所示，用两个特殊方向表示自然光，每一方向光矢量的强度为总能量的一半。
（3）部分偏振光
光矢量的振动方向不具有轴对称分布，而是在某一方向占优势，实际光矢量和图示分别如图19-4和19-5所示。
★提示：插图、动画为本讲的重要教学手段，使概念形象化，便于学生理解和掌握。
★主要以教师讲授为主
教学内容
教学设计
图19-2
图19-1 图19-3
图19-4
图19-5
(4).椭圆偏振光 定义：在垂直于光传播方向的平面内，光矢量沿椭圆轨道以确定角速度旋转(左或右旋转)的光线，称椭圆偏振光。
图19-6所示
特征：光矢量旋转的角速度恒定，且其强度不同，光矢量可以看作为两个互相垂直、同频率、相位差确定的线偏振光的叠加。
[]10cos .ϕω+-=kx t E E y y
[]20cos ϕω+-=kx t E E z z 21ϕϕϕ-=∆
当πϕ,0≠∆时为椭圆偏振光 当2
π
ϕ±
=∆，且振幅相等时为圆偏振光
（5）圆偏振光
圆偏振光在旋转过程中强度相同，其它特征与椭圆偏振光相同。
★椭圆和圆偏振光的理论解析，应提醒学生注意椭圆偏振光和圆偏振光的区别。
教学内容
教学设计
图19-8 图19-7
图19-6
三、起偏、检偏与马吕斯定律 （1）相关概念
起偏：将自然光变为线偏振光的过程，称为起偏
起偏器：使自然光线变为线偏振光线的光学仪器，称起偏器 检偏：检验某束光是否为偏振光的过程，称为检偏
检偏器：用来检验光线是否为偏振光的仪器，称为检偏器 偏振片：只容许光线的某一特定振动方向通过的仪器，自然光通过偏振片后得到线偏振光。
偏振片也可以作为检偏振器来使用。
偏振化方向：偏振片容许光线某一特定振动方向通过，称该方向为偏振片的偏振化方向。
（2）起偏与检偏
一般使用使自然光通过偏振片的办法来得到线偏振光。
偏振片用具有二向色性的透明薄片制成，它能吸收某一方向的振动，而只让与这个方向正交的光振动通过。
用偏振片也可以判断偏振光的类别
自然光：偏振片旋转一周，透射光的光强不会发生任何变化，这束光是自然光。
部分偏振光：偏振片旋转一周，透射光的光强会发变化，但不出现消光现象，这束光是部分偏振光。
线偏振光：偏振片旋转一周，透射光出现两次最强光与两次消光现象，这束光是线偏振光。
(3)马吕斯定律
强度为0I 的线偏振光，透过检偏器后，透射光的强
度为 α2
0cos I I = （19-1）
式中α是线偏振光的光振动方向和检偏器偏振化方向之间的夹角，
图19-9中为线偏振光的振动方向，为检偏器的偏
振化方向，将线偏振光的振动方向分解为与检偏器的偏振化方向平行和与检偏器的偏振化方向垂直，只有平行与与检偏器的偏振化方向的分量才能通过检偏器，因此，透射光的振幅为αcos 0A A =，0A 是入射线
偏振光的振幅，透射光的光强为2
0cos I I α=。
从上式看出，当
001800或=α时，透射光强最大，等于入射光强。
当0
027090或=α时，透射光强最小，为0。
★强调本讲教学重点，引导学生推导马吕斯定律，加深理解。
教学内容
教学设计
图19-9。