1、第五章,光的偏振,制作人：从守民,5-1 自然光和偏振光,光波是电磁波，电磁波中起光作用的是电场矢量(光矢量),偏振态：光矢量的振动状态,五种偏振态：自然光，线偏振光, 部分偏振光, 椭圆偏振光, 圆偏振光,1.自然光在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向都有光振动，且各个方向光矢量的振幅相等的光,2.线偏振光光矢量只沿一个固定方向振动的光(又称平面偏振光),振动面,光矢量,3.部分偏振光,在垂直于光传播方向的平面内，各方向都有光振动，但振幅不等的光,在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量以一定的频率旋转。矢量端点轨迹为椭圆时称其为椭圆偏振光，轨迹为圆时称其为圆偏振光,4.圆偏振光和椭圆偏振光,
2、5-2 起偏与检偏 马吕斯定律,一.起偏与检偏偏振片：吸收某方向光振动，而与其垂直方向的光振动能通过的装置,偏振化方向：能通过光振动的方向,利用偏振片检验光线的偏振化程度，称为检偏,自然光通过偏振片后变为线偏振光，称为起偏,起偏,检偏,二.马吕斯定律,-马吕斯定律,a =0或a =1800时, I2=I1光强最强,讨论：,a=900或a=2700时, I=0光强最弱,例1两平行放置的偏振片, 偏振化方向成300角,自然光垂直入射后, 透射光与入射光的强度之比为多少? (分别讨论无吸收和10%的吸收的情况),解：无吸收时,根据马吕斯定律,10%吸收时,例2如图, P1、P2为两块偏振片，现以强度
3、为I1的自然光和强度为I2的线偏振光同时垂直入射于P1，在E处观察通过P1和P2后的光强。(1)P1任意放置后不动, 将P2以光线方向为轴转动一周, 计算并讨论这时在E处所观察到的光强变化情况； (2)要在E处得到最大光强, 应如何实现?,解：设P1、P2的偏振化方向夹角为,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：,线偏振光：,因I1和I2是非相干光,即在E处观察到的光强随P1的转动而周期性变化,在E处得到最大光强，须同时满足,则,时,时,5-3 反射和折射时光的偏振,一.部分偏振现象,自然光在两各向同性媒介分界面上反射和折射时，反、折射光均成为部分偏振光,特点：反射光垂直入射
4、面的振动较强，折射光反之,二.布儒斯特定律,1812年布儒斯特发现，当入射角为某特定值时，反射光为振动方向垂直于入射面的线偏振光,此时有,由折射定律,-布儒斯特定律,说明： i= i0时，反射光为线偏振光，而折射光仍然是部分偏振光，但此时偏振化程度最高,让自然光通过玻璃片堆，可使折射光的偏振化程度增加。玻璃片足够多时，可使折射光为完全偏振光,反射光光强较弱，折射光较强,例3将一介质平板放在水中, 板面与水平面的夹角为，如图。已知折射率n水=1.333，n介质=1.681，要使水面和介质面反射光均为线偏振光, 求,解：如图所示,根据布儒斯特定律,又,5-4 光的双折射现象,一.双折射现象,o光,
5、e光,寻常光(o光)：遵守折射定律非常光(e光)：不遵守折射定律,当方解石晶体旋转时，o光不动，e光围绕o光旋转,二.双折射光的偏振特点,1.概念光轴：光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双折射现象，这一方向称为晶体的光轴,只有一个光轴(如方解石、石英)的晶体为单轴晶体；有两个光轴(如云母、硫磺)的晶体为双轴晶体,主截面：光轴和晶体表面法线组成的平面,主平面：某一光线(o光或e光)与光轴组成的平面,光轴,o光,e光,一般情况下，e光不一定在入射面内，o光和e光的主平面并不重合,主截面,o光主平面,e光主平面,o光和e光均为线偏振光,2.特点,o光的振动方向垂直于它自己的主平面，e光的振动方向平行
6、于它自己的主平面,当入射面是晶体的主截面时,o光和e光的主平面重合，此时o光与e光的振动方向相互垂直,三.双折射现象的解释,原因:o光在晶体内的速度是各向同性的,而e光却是各向异性的o光：子波波面为球形面.e光：子波波面为椭球面,正晶体,负晶体,惠更斯原理解释,四.尼科尔棱镜,一.椭圆偏振光和圆偏振光的获得,5-5 椭圆和圆偏振光 波片,o光和e光同频率、振动方向垂直，但无固定的位相差,o光和e光由同一光矢量分解而得，在传播方向任一点它们有固定的位相差,穿过d厚度后，o光和e光得光程差为,当D =kp 时，轨迹为一条直线。此时椭圆偏振光退化为线偏振光当D kp 时，轨迹为一椭圆,位相差为,讨论
7、：,当D = kp +p/2时，轨迹为正椭圆偏振光；若Ae=Ao,轨迹为圆偏振光,此时q =450,二.四分之一波片,四分之一波片(l/4波片): 晶体厚度恰能使o光和e光光程差为l/4的晶片,即,线偏振光通过l/4波片后将变为椭圆(圆)偏振光,讨论：,圆或主轴与波片光轴平行的正椭圆偏振光通过l/4波片后可变为线偏振光,或,位相差为 的两相互垂直谐振动的合成,经波片: 产生 位相差,正椭圆: (圆),透射时:,三.二分之一波片,二分之一波片(l/2波片): 晶体厚度恰能使o光和e光光程差为l/2的晶片,即：,线偏振光通过l/2波片后仍为线偏振光，但振动方向与原振动方向相比转过2q 角,讨论：,
8、圆偏振光通过l/2波片后仍为圆偏振光，但转动方向与原来的相反,四.偏振光的检验,方法：第一步：让光通过检偏器,并让检偏器旋转一周，则,线偏振光:两次光强最大,两次为零,部分偏振光和椭圆偏振光：两次光强最大,两次最小,但不为零,自然光和圆偏振光：光强始终不变,第二步：区别自然光与圆偏振光， 部分偏振光与椭圆偏振光,圆偏振光和椭圆偏振光：由两个有确定位相差的相互垂直的光振动合成而成,自然光和部分偏振光：不同振动面上的光振动彼此独立，即两个相互垂直的振动之间没有恒定的位相差,基本方法：在检偏器前加一块l/4波片,区别自然光和圆偏振光:,区别部分偏振光和椭圆偏振光:,l/4波片的光轴方向平行于椭圆偏振
9、光的长轴或短轴,经l/4波片后椭圆偏振光变为线偏振光，可根据光强的变化进行区别,一.偏振光干涉原理,5-6 偏振光的干涉,经晶片： o光和e光的位相差为,-振动方向垂直，位相差固定,振幅为,经检偏器：o光和e光都沿检偏器的偏振化方向振动，但振幅矢量方向相反(附加位相差),-满足相干条件,振幅为：,-振幅相等,两相干偏振光总的位相差为,讨论：D =2kp 或(no-ne)d =(2k-1)l/2:,D =(2k+1)p 或(no-ne)d =kl:,干涉极大，视场最亮,干涉极小，视场最暗,白光入射则出现色彩-色偏振,晶片厚度不均匀时，出现干涉条纹,二.人工双折射,各向同性非晶体在人为条件下，变为各向异性而产生的双折射现象,1.光弹性效应,在机械力作用下产生的双折射现象,实验表明：,k：比例系数，p：压强,即 随 p的变化而变化，材料内部胁强不均匀时将出现干涉条纹,2.克尔效应,在强电场作用下产生的双折射现象,克尔盒,实验表明：,k：克尔系数，E：电强强度，0：光在真空中的波长,经极板后两光的光程差为,即电压变化时 变化，从而使透过P2的光强随之变化,-可制作为“光开关”,
