反射和折射的偏振特性

部分偏振光
部分偏振光
垂直板面的光振动较强
部分偏振光的分解
平行板面的光振动较强
完全偏振光
向 传播方
面 振 动
面对光的传播方向看
光振动垂直板面
光振动平行板面
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
偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化
自然光
线偏振光
.
. . . .
Wr 2 Wt n2 cos 2 2 t R = =r ; T = Wi n1 cos 1 Wi
1）自然光的反射、折射特性 根据前面有关反射率和折射率的讨论，在不同入射角 的情况下，自然光的反射、折射和偏振特性如下： ①自然光正入射（1= 00）和掠入射界面（1 900） 时，
自然光反射率的变化规律为： (ⅲ)当1=B时，由于Rp=0，Pr=l，所以反射光为完全 偏振光。例如，光由空气射向玻璃时，布儒斯持角为
n2 B = arctan =560 40 n1
由反射率公式可得 Rs=15％，因此，反射光强
1 I r =Rn I i = (Rs +Rp )I i =0.075 I i 2
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
. . . .
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
. . . .
.
检偏器
1. 偏振度
为便于研究，可将任意光矢量视为两个正交分 量（例如，s 分量和 p 分量）的组合，因此，任意 光波能量都可表示为
W Ws Wp
①在完全非偏振光中，Ws Wp ； ②在部分偏振光中， Ws Wp ； ③在完全偏振光中，或 Ws 0 或 Wp 0 。 偏振度的定义是，在部分偏振光的总强度中完全偏振 光所占的比例，即
这说明反射光为偏振光，但反射光强很小。
自然光反射率的变化规律为： 对于透射光，因Irp= 0，有Itp= Iip。又由于入射是自然 光，有Iip= 0.5Ii。进一步，因为
I ts I is I rs 0.5 I i 0.075 I i 0.425 I i
所以透射光的偏振度为
Pt I tp I ts I tp I ts 0.081
2．反射和折射的偏振特性 由非涅耳公式可知，通常，rs rp ， ts tp，因此，反 射光和折射光的偏振状态相对入射光发生变化。即使 入射光是线偏振光，其反射光和折射光的振动方向也 会发生变化。 1）自然光的反射、折射特性 自然光的反射率为
Wr R Win （155）
由于入射的自然光能量 Win Wis Wip 且 Wis Wip
自然光反射率的变化规律为：
由上所述可以看出，要想通过单次反射的方法获得强 反射的线偏振光、高偏振度的透射光是很困难的。在 实际应用中，经常采用“片堆”达到上述目的。“片 堆”是由一组平行平面玻璃片（或其它透明的薄片， 如石英片等）叠在一起构成的。将这些玻璃片放在圆 筒内，使其表面法线与圆筒轴构成布儒斯特角（B)。
. . . .
.
检偏器
起偏器
两偏振片的偏振化方向相互垂直，光强为零。
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
.
. . . .
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
.
. . . .
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
. . . .
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器，光强不变
自然光
. . . .
因此，透射光的光强很大（It=0.925Ii），但偏振度很 小。
自然光反射率的变化规律为：
· · · · 1 · n1 · · · n2 2 ·
· B · · n1 ·
n2
· 自然光反射和折射 后产生部分偏振光
2
· · · · S · ·
线偏振光
起偏振角
1=B 时，反射光只有s分量
B — 布儒斯特角或起偏角
Rs Rp , Ts =Tp
因而
Pr =Pt =0
即反射光和折射光 仍为自然光。
1）自然光的反射、折射特性 ②自然光斜入射界面时，因 Rs 和 Rp、Ts 和 Tp 不相 等，所以反射光和折射光都变成部分偏振光。 ③自然光正入射界而时，反
相对入射光而言，振动面远离入射面。 对于折射光，由于其 s 分量和 p 分量均无相位突 (t) (t ) E0s 变，且 E0p ，所以at< 450，即折射光的振动面转 向入射面。 由此可见，线偏振光入射至界面，其反射光和折 射光仍为线偏振光，但其振动方向要改变。
IL p I总 （ 153）
1. 偏振度 偏振度还可以表示为
IM Im p IM Im （154）
式中，IM 和 Im 分别为两个特殊（正交）方向上所对 应的最大和最小光强。 ①对于完全非偏振光，P=0； ②对于完全偏振光，P=l； ③一般的 P 值表示部分偏振光，P 值愈接近 l，光的 偏振程度愈高。
2）线偏振光反射的振动面旋转
一束线偏振光入射至界面，由于垂直分量和平行分量 的振幅反射系数不同，相对入射光而言，反射光的振 动而将发生旋转。
传播方
向
面 振 动
2）线偏振光反射的振动面旋转 例如，一束入射的线偏振光振动方位角ai=450，则其 (i) (i) E E 平行分量和垂直分量相等，即 0s 0p 。若如图所 示，该光的入射角1=400。则 s 分量和 p 分量的振幅 反射系数分别为 rs=-0.2845，rp=0.1245，反射光中二 分量的振幅分别为
(r) (i) (i) E0s rs E0s 0.2845E0s (r) (i) (i) E0p rp E0p 0.1245E0p
因此，反射光的振动方位角为
2）线偏振光反射的振动面旋转
（r） E 0.2845 0s r arctan （r） arctan( )= 660 24 0.1245 E0p
1. 偏振度 如果由于外界的作用，使各个振动方向上的振动 强度不相等，就变成部分偏振光。如果光矢量有确定 不变的或有规则变化的振动方向，则称为完全偏振光。 部分偏振光可以看作是完全偏振光和自然光的混合， 而完全偏振光若不特别说明，都是指线偏振光。 自然光（完全非偏振光）
没有优势方向
自然光的分解
1. 偏振度
2.5 反射率和透射率的偏振特性 1. 偏振度 前面讨论了平面光波按其光矢量端点的变化轨迹 定义的线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光的偏振持性。
实际上，由普通光源发出的光波都不是单一的平 面波，而是许多光波的总和：它们只有一切可能的振 动方向。在各个振动方向上振动的振幅在观察时间内 的平均值相等，初相位完全无关，这种光称为完全非 偏振光，或称自然光。
Rn Wrs Wrp Win Wrs Wrp 1 = (Rs +Rp ) 2Wis 2Wip 2 （ 156）
1）自然光的反射、折射特性 相应的反射光偏振度为
pr I rp I rs I rp I rs = Rp Rs Rp Rs （157）
折射光的偏振度为
pt I tp I ts I tp I ts = Tp Ts Tp Ts （ 158）
2
(159)
例如，光由空气（n1=1）正入射至玻璃（n2=1.53）时， Rn=4.3%；正入射至红宝石（n=1.769）时，Rn=7.7%； 正入射至锗片（n3=4）时，Rn =36%。
1）自然光的反射、折射特性 ④自然光斜入射至界面上时，反射率为
1 sin 2 (1 2） tan 2 (1 2） Rn = 2 2 sin (1 2） tan 2 (1 2） (160)
随着入射角的变化，自然光反射率的变化规律为： （ⅰ）光由光疏介质射向光密介质（例如，由空气射 向玻璃）时，由图可见，在1< 450 范围内，Rn 基本 不变，且近似等于 4.3％；在1 > 450 时，随1 的增大，Rn 较快地变大。
自然光反射率的变化规律为： (ⅱ)光由光密介质射向光疏介质时，在入射角大于临 界角范围内，将发生全反射。
自然光反射率的变化规律为：
在激光技术中，外腔式气体激光器放电管的布儒斯待 窗口，就是上述“片堆”的实际应用。如图所示，当 平行入射面振动的光分量通过窗片时，没有反射损失， 因面这种光分量在激光器中可以起振，形成激光。而 垂直纸面振动的光分量通过窗片时，将产生高达15％ 的反射损耗，不可能形成激光。由于在激光产生的过 程中，光在腔内往返运行，类似于光通过片堆的情况， 所以输出的激光将是在乎行于激光管轴和窃片法线组 成的平面内振动的线偏振光。
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
. . . .
.
检偏器
起偏器
偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化
自然光
线偏振光
. . . .
.
检偏器
起偏器
偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化
自然光
线偏振光