20光的偏振详解

理解偏振的概念、自然光与偏振光的区别，了解线偏振光的获得方法和检验方法;理解Malus定律及其本源，熟悉其应用；理解Brewster定律及其本源（光在界面反射和折射时的偏振态变化），熟悉其应用；了解双折射现象、偏振光的干涉、旋光效应.第20章光的偏振要点“光波是横波”：!有关概念的说明!只有在真空中传播的电磁波（光波）才严格地是横波！［电磁波（光波）在介质中传播时，也可能有纵向分量］光波（电磁波）在各向异性或有自由电荷的介质中传播时，就可能有纵向分量.[本章仅涉及理想介质中光的传播，故光都看成横波。]3100,,cos(),0iijjjDDEEEkrtkE如不能保证“光的偏振态”：是指光在[真空中]传播过程中，在垂直于传播方向的平面上光矢量的振动方向和振幅的分布状态。!有关概念的说明!英文：Polarization（“极化”）“偏振”：有的教材中说“光波中光矢量的振动方向总是和光的传播方向垂直，光波的这一基本特性称为光的偏振”，这一说法不恰当！光的偏振指的是光矢量的振动方向［只］在某一特定方向取向，因此[在垂直于光的传播方向的平面内]不具有各向同性（光矢量分量的振幅不同）.一、横波的偏振性光的偏振现象是光的波动性的又一表现。光的偏振，说明[在真空中传播的]光是横波。光的偏振状态(§20.1)偏振面：通过波的传播方向且包含振动矢量的平面。偏振:波的振动方向相对传播方向的不对称性。光的偏振态:光矢量在与光的传播方向垂直的平面内的振动[幅度分布]状态。单个原子(分子)某一次发出的光只在某方向振动。如大量原子发出的光的振动方向完全随机，则从统计平均上看，整个光源发出的光波中包含了所有方向的光振动，没有哪一个方向的光振动比其它方向更占优势，因此沿各[垂直于传播方向上]所有光矢量的振幅都相同。我们把具有这种特性的光称为自然光。普通光源(包括太阳)所发出的光都是自然光。[注：太阳发出的光是自然光，并不保证我们看到的阳光都是自然光]1.自然光二、光的几种偏振态光矢量在与光的传播方向垂直的平面内的振幅分布各向同性（所有方向都有，且振幅相同）。为了研究问题方便，我们通常把自然光中的各个方向的光振动都分解为两个相互垂直的分振动。这样，就可以把自然光等价地看作是两个振动方向相互垂直的、振幅相等的、无固定相位的二独立光振动的叠加，其中每一个光振动的光强都等与自然光光强的一半。表示自然光时，用圆点和短线分别代表垂直纸面和平行纸面的两个独立光振动。点和线均匀分布，数目相同，表示这两个分量在自然光中各占一半。由于普通光源发光的随机性，这两个相互垂直的光振动没有确定的相位关系，因此它们是不相干的。自然光的表示法在垂直于传播方向的平面内，如果光矢量只沿一个固定的方向振动，这种光称为线偏振光(或称完全偏振光)。线偏振光的光矢量方向和光的传播方向构成的平面叫做振动面。因为线偏振光沿传播方向各处的光矢量都在同一个振动面上，因此线偏振光也称为平面偏振光（有时也有人不准确地简称偏振光）。2.线偏振光线偏振光(平面偏振光)的表示法：光振动平行于板面光振动垂直板面3.部分偏振光部分偏振光的表示法：······平行板面的光振动较强垂直板面的光振动较强··部分偏振光是介于自然光和线偏振光之间的一种偏振光如果在垂直于光传播方向的平面内各方向都有光振动，但是各方向的振幅大小不同，存在一个占优势的振动方向，我们把这种光称为部分偏振光。部分偏振光可以看成是自然光和线偏振光的混合。以上介绍光的三类基本偏振状态时，并没考虑光在传播过程中偏振光矢量方向或振幅分布可能改变。如果光的光矢量，在传播时绕传播方向[均匀地]转动，且大小也[按某规律]变化会如何？4.椭圆和圆偏振光如果光矢量的大小保持不变，则光矢量的端点在传播方向上的投影是一个圆，则称为圆偏振光。如果光矢量的［振幅］大小也在不断变化,光矢量的端点在传播方向上的投影描绘出一个椭圆，则称此类光为椭圆偏振光。0yyxz传播方向/2x某时刻左旋圆偏振光E随z的变化E规定迎着光线看光矢量顺时针旋转─右旋光；光矢量逆时针旋转─左旋光；右旋圆偏振光左旋椭圆偏振光一线偏振光可等效地看成是由一对振动矢量大小相同的左、右旋圆偏振光复合叠加而成。一［椭］圆偏振光可看成是由一［振动矢量大小按一定规律变化的］线偏振光在行进中旋转而形成。注意：自然光与圆偏振光，部分偏振光与椭圆偏振光的区分，不能简单地用偏振片来判断。起偏与检偏Malus定律(§20.2)一、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。检偏：检测入射光的偏振状态。（某方向振动的线偏光成分有多少）起偏器和检偏器都是偏振片，没有本质区别！起偏/检偏功能源于偏振片的工作物质（如电气石，一种硅酸硼化物，它是属于珠宝类的次等宝石；紫苏辉石，一种铁磁性的硅酸盐晶体）的二向色性，对某一特定方向振动光几乎无吸收，而对其它方向振动光吸收强烈。［另有物质具圆二向色性，对左旋和右旋的圆偏振光的吸收不同，可制成圆偏振片（如半波片，1/4波片）.自然光通过检偏器线偏振光通过检偏器部分偏振光通过检偏器圆偏振光通过检偏器椭圆偏振光通过检偏器0I02II起偏器1P检偏器2P12//PP02I0/2I0I21PP0I一般情况下I=？偏振化方向：当自然光照射在偏振片上时让某一特定方向的光通过，这个方向称为此偏振片的偏振化方向。检偏器起偏器0IIE0ENM二、Malus定律(1880)Malus：损耗系；IM：旋转P，观察到的最大光强。I=I0cos2=IMcos2如考虑检偏器损耗NME0Ecos0EE2200IIEE20cosIIMalus定律强度为的偏振光通过检偏振器后,出射光的强度为0I偏振片的应用很广泛，如汽车夜间行车时为了避免对方汽车大灯晃眼，可以在所有汽车的车窗玻璃上和大灯前安装光轴与水平方向成逆时针45˚角的偏振片。偏振片也可以制成太阳镜（减光约50％），或照相机的滤光镜。观测日食时，用两块偏振片，可以随意减光，调整最佳观测效果。偏振片的应用宝石偏光镜①观察透明宝石的消光情况，判断它们是均质体、非均质体或晶质集合体，②鉴定均质宝石的异常双折射现象，③检查宝石的多色性，④与石英楔子配合可测定宝石的光性符号等。叠放的两块相同偏振片，吸收率为10％，光轴间夹角60˚，输入自然光强度I0。求输出光强。解：例题1：1N2N1A2A自然光通过第一偏振片后振幅为A1，振动方向沿N1由马吕斯定律101290%II再经过第二偏振片时，振动方向平行于N2的分量可以通过。221cos60(110%)II输出光强为20110.90.924II00.101I两偏振片透光方向垂直，若在其间插入第三块，输入自然光I0，不考虑吸收，求输出光强。解：例题2：1N3N1A3A自然光通过第一偏振片后振幅为A1，振动方向沿N1由马吕斯定律1012II再经过第三偏振片时，振动方向平行于N3的分量可以通过，223101coscos2III输出光强为20221cossi2nII2N2A201sin28I由自然光和线偏振光混合成部分偏振光。随着检偏器的转动发现Imax=6Imin，求部分偏振光中这两种成份的光强比。解：例题3：设自然光光强为I0，线偏振光光强为I。当检偏器的透光轴与线偏振光的振动方向--max012III0011622IIImin012II平行垂直依题意025II一、实验现象（Malus,1808)1n2ni自然光部分偏振光反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化部分偏振光§20.3反射和折射时光的偏振二、Brewster定律1812年，圣安德鲁斯大学的物理学教授、万花筒的发明人布儒斯特仔细地研究了折、反射过程中的偏振化现象，发现反射光的偏振化程度和入射角有关。精密的实验检测表明，当入射角等于某一特定值i0时，反射光是完全偏振的。1n2n0i0这时反射光的振动方向垂直于入射面，而且反射方向与折射方向相互垂直。结合折射定律，12sinsinBBnin2sin(90)Bni2cosBni21tanBnin─布儒斯特定律根据布儒斯特定律可测不透明介质的折射率。布儒斯特定律还提供了一个方便的方法来确定未标明方向的起偏器的透光轴，只需要一片玻璃或者一个水池就行了。iB─布儒斯特角2BBi1n2n0i0电磁波在界面处的反射与折射时电场场强分量关系（Fresnel反射折射公式）1n2ni1E1E2E112112coscossin()coscossin()垂直EniniEnini正方向定义（半波损失的由来）121121coscostan()coscostan()平行EniniEniin212cossinsin()垂直EiEi212cossinsin()sin()平行EiEii1/20平行，Ei反射光无平行于入射面的场强分量（完全偏振）Brewster定律的由来•玻璃n2=1.5，56.3Bi•水n2=1.33，53.1Bi注意：1）当入射角为布儒斯特角时，反射光为振动方向垂直入射面的线偏振光，而折射光仍为振动方向平行于入射面的成分占优势的部分偏振光。这时由于反射光线很弱，光强达不到自然光(入射光)的一半。若n1=121tanBnin2）要注意布儒斯特角与全反射角的区别：两者条件不同。全反射时对n1、n2有要求；而布儒斯特角无此要求；入射角大于全反射角时都会发生全反射，但只有入射角为布儒斯特角时反射光才是完全线偏振光。当光从光密n1到光疏n2时，会发生全反射现象；发生全反射时的入射角叫[全反射]临界角,ic。,sin12nnici1n2n21tanBnin如果n1n2，tansinBcii利用玻璃片堆可产生较强的反射偏振光。理论与实验表明：[由Brewster定律]反射法所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的7.5%(玻璃)，而约占85%的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。为了获得强度较大的线偏振光，可采用玻璃片堆的办法(阿喇果，1812)，将一束自然光以起偏角56.30入射到十几层以上的平板玻璃上。在玻璃片下表面处的反射，其入射33.70也正是光从玻璃射向空气的起偏振角，所以反射光仍是垂直于入射面振动的偏振光。如下图：0i外腔式激光管加装布儒斯特窗，可使出射光为全偏振光，并减少反射损失。·········i0i0·激光输出外腔式激光器谐振腔布儒斯特窗M1M2i0i0激光器布儒斯特窗橱窗玻璃上的反射光、水面上的反射光常常影响我们对窗内展品、水下景致的鉴赏。由于反射光具有偏振性，戴上偏振镜，或在照相机镜头前加装偏振滤光镜，就可以消除这种反射光，从而清晰地浏览橱窗内的展品以及水下的各种景物，并清晰地将它们拍摄下来。偏振滤光镜的妙用具有复眼的昆虫（如蜜蜂）能辨识光的偏振方向。生物学家发现由此，配合体内的生物钟，就能确定归巢方向。据说某些人的眼睛也具有这种功能。传说古代北欧地区的有些海盗，就是利用蓝天的偏振方向辨认海上航行方向的─在北极圈内的高纬度地区，罗盘将失去作用，太阳有时又在地平线下，这是若用偏振片检验天空散射光的偏振方向，就可以确定太阳的位置，再根据当地的时间，就可以确定航向了。例：已知某材料在空气中的布儒斯特角，求它的折射率；若将它放在水中（水的折射率为1.33）,求：布儒斯特角？该材料对水的相对折射率是多少？0058i解：设该材料的折射率为n，空气的折射率为1，0tantan581.5991.61Bni放在水中，则对应有：1.6tan1.21.33Bnin水050.3Bi所以：该材料对水的相对折射率为1.20i0i1n1空气例：一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角为布儒斯特角，问在界面2的反射光是什么光？Bi玻璃2n2A）光强为零；B）是完全偏振光且光矢量的振动方向垂直于入