大学物理第5章-光的偏振PPT

大学物理学大学物理学光的波动性光的干涉、衍射.光波是横波光的偏振.HHESE根据Maxwell电磁理论,光是一种电磁波,在光与物质相互作用时,主要是横向振动着的电场强度矢量(光矢量)起作用。光矢量的各种振动状态使光具有各种偏振状态。*光的偏振状态*线偏振光的获得与检验*反射和折射时光的偏振*双折射现象主要内容大学物理学1.横波和纵波的区别——偏振•纵波：振动方向与传播方向一致，不存在偏振问题；•横波：振动方向与传播方向垂直，存在偏振问题。定义：振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振性。说明：只有横波才具有偏振现象，偏振现象是横波区别于纵波的最明显的特征。机械横波与纵波的区别机械波穿过狭缝一、光的偏振性§5.1光的偏振状态(Polarizationoflight)大学物理学2.光的偏振性：光矢量的振动方向总是与光的传播方向垂直的，即光矢量的横向振动状态，相对于传播方向不具有对称性，这种光矢量的振动相对于传播方向的不对称性，称为光的偏振性。HHESE光的偏振性说明光波是横波大学物理学非偏振光(自然光)完全偏振光（线偏振光）部分偏振光根据偏振状态振动面在空间各个方向高速随机变化的，或者说由大量振幅相同、各种振动方向都有、彼此没有固定相位关系的光矢量的组合叫非偏振光或自然光。XYZuE没有优势方向特点：在垂直光线的平面内，光矢量沿各方向振动的概率均等.自然光的分解自然光可以用下图表示一束自然光可等效地分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的分振动。IIIyx21yxIII非相干叠加二、偏振态的分类非偏振光(自然光)大学物理学uE光矢量（）只在一个固定平面内沿单一方向振动的光叫线偏振光（也称平面偏振光）。E光振动方向与传播方向决定的平面称为振动面.·线偏振光表示法完全偏振光（线偏振光）大学物理学完全偏振光和自然光是两种极端情形，介于二者之间的一般情形是部分偏振光。部分偏振光可以看成自然光和线偏振光的混合。部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。部分偏振光表示法在纸面内的光振动较强垂直纸面的光振动较强部分偏振光大学物理学yyxz传播方向/2x某时刻右旋圆偏振光E随z的变化E0椭圆偏振光和圆偏振光大学物理学一、起偏和检偏起偏----从自然光获得偏振光叫“起偏”。偏振器（起偏器）----能将自然光变为偏振光的光学器件。检偏----检验一束光是否是偏振光叫“检偏”。检偏器--检偏的光学器件。●起偏的原理:利用某种形式的不对称性,如（1）物质的二向色性（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.（2）散射，（3）反射和折射，（4）双折射….§5.2线偏振光的获得与检验大学物理学●偏振片（Polaroid）1928年一位19岁的美国大学生（E.H.Land）发明的。例如：把硫酸碘奎宁的针状粉末有序地蒸镀在透明的基片上。起偏021I偏振化方向0I起偏器偏振片是由自然光获得线偏振光的平面片状器件。是利用晶体的二向色性起偏。（对某一方向的光振动有强烈吸收）,它只允许某一特定方向的光振动通过.大学物理学02I0II起偏器1P检偏器2P21//PP0I●偏振片既可“起偏”又可“检偏”。大学物理学检偏器检偏起偏器大学物理学设入射光可能是自然光、线偏振光或部分偏振光，如何用偏振片来区分它们？以光线为轴转动P:I不变—？I变，有消光—？I变，无消光—？自然光线偏振光部分偏振光I?P待检光讨论大学物理学问题0I0I21PP02I一般情况下I=？检偏器起偏器0IIE0ENM大学物理学马吕斯(EtienneLouisMalus1775-1812)•法国物理学家及军事工程师。出生于巴黎。•1808年发现反射光的偏振，确定了偏振光强度变化的规律；•1810年被选为巴黎科学院院士，曾获得过伦敦皇家学会奖章。•1811年，他发现折射光的偏振。二、马吕斯定律大学物理学强度为I0的偏振光，通过检偏器后，透射光的强度为：I=I0cos2α其中α为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方向之间的夹角。PI0IPE0E=E0cos,200EI20cosII0max0III，马吕斯定律（1809）2202cosEEIE=E0cos0232I，——消光为其它值时00II•推导过程★马吕斯定律大学物理学光强为I0的自然光相继通过偏振片P1、P2、P3后光强为I0/8，已知P1P3，问：P1、P2间夹角为何？解分析P1P2P3I0I3=I0/8P3P1P2I1I2201II212cosII222223sincosIII8sincos20220II045例题1大学物理学§5-3反射和折射时光的偏振自然光在两种各向同性介质的分界面上反射和折射时，不但光的传播方向要改变，而且光的偏振状态也要改变，空气i1ni玻璃2n入射面:入射光线和法线所成的平面.反射光---部分偏振光，垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动.折射光----部分偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动.理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关.大学物理学反射光的偏振化程度与入射角有关，若光从折射率为n1的介质射向折射率为n2的介质，当入射角满足2112nnntgib这实验规律可用电磁场理论的菲涅耳公式解释。时，反射光中就只有垂直于入射面的光振动，而没有平行于入射面的光振动，这时反射光为线偏振光，而折射光仍为部分偏振光。这就是Brewster定律。其中ib叫做起偏角或布儒斯特角。★布儒斯特定律布儒斯特角bir完全偏振光2n1n（式中n21为媒质2对媒质1的相对折射率）大学物理学布儒斯特角bibr完全偏振光090bbribbrninsinsin2112nntgib2n1n根据折射定律布儒斯特定律：•当入射角是布儒斯特角时，折射光与反射光垂直。相比较：cosib=sinγb故ib=900-γb说明大学物理学2112nnntgib当入射角等于布儒斯特角时，反射光与折射光互相垂直，反射光为线偏振光，其偏振面与入射面垂直；折射光为部分偏振光。例：若n1=1.00(空气)，n2=1.50(玻璃)，n3=1.33(水)1.5300.133.1tg3.5600.150.1tg11bbii水→空气玻璃→空气不同的介质，ib是不同的则：小结大学物理学讨论bibibiiiibi下列图中的反射光、折射光的偏振状态。(起偏角)大学物理学讨论一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角为布儒斯特角，问在下表面的反射光是什么光？bi1n1n2nbi平行玻璃板上表面反射光是线偏振光.12nntgib21nnitgb？注意：上表面的折射角等于下表面的入射角090bbiibi下表面的反射光是否也是线偏振光？！=090bbri21nnctgiitgbb大学物理学0i0i1n1空气玻璃2n2结论线偏振光入射角为布儒斯特角时，在下表面的反射光也是线偏振光bi•理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的7.4%，而约占85%的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。•要以反射获得较强的线偏振光，你有什么好主意？利用玻璃片堆产生线偏振光大学物理学玻璃片堆用以增加反射线偏振光的强度和折射光的偏振化程度。空气→玻璃°42’33ib’玻璃→空气b°18’56ii’bibibi’bi’b················ib··············玻璃片堆(接近线偏振光)大学物理学例题：已知某材料在空气中的布儒斯特角ib=580，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？解：设该材料的折射率为n，空气的折射率为16.1599.15810tgntgib放在水中，则对应有2.133.16.1'水nntgib0'3.50bi所以：该材料对水的相对折射率为1.2。偏振光的应用•测量介质的折射率•偏光镜大学物理学偏振光的理论意义和价值是证明了光是横波。同时，偏振光在很多技术领域得到了广泛的应用。☆偏振现象在摄影技术中的应用在摄影技术中，为了在不同自然条件下拍到理想的或具有艺术效果的照片，一般在照相机镜头前加不同的镜片。其中一种镜片是“偏光镜”。偏光镜的用途之一是为了更清楚的拍摄水中的物体和鱼类等。如在公园清澈的水塘中游荡着漂亮的金鱼，用相机拍照的最大问题是水表面反射的光线使人看不清水下的鱼。根据布儒斯特定律，自然光经水面反射后是部分偏振光，而在布儒斯特角时是平面偏振光，水的折射率为1.33，相应的布儒斯特角为i0=53°。如右图所示，在相机的镜头前加上偏光镜，摄影者在岸上将相机以53°左右（估计）对准水面，旋转镜头前的偏光镜，使其偏振化方向与反射光的偏振面垂直拍照（此时，在取景器中看到水中的物体最清楚），则可大大减小反射光的影响，拍到清晰的金鱼照片。大学物理学大学物理学大学物理学一、双折射现象§5-4双折射现象波动光学双折射现象波动光学方解石晶体nisinsin恒量i玻璃n折射定律一束自然光射向石英、方解石等各向异性介质时，其折射光有两束，这种现象称为双折射现象。大学物理学光通过双折射晶体大学物理学寻常光线（o光）(ordinaryrays)服从折射定律的光线对于晶体一切方向都具有相同的折射率，且在入射面内传播，简称它为o光(extraordinrayrays)非寻常光线（e光）不服从折射定律的光线它的折射率（即波速）随方向而变化，并且不一定在入射面内传播，简称为e光。大学物理学实验证明：O光和光均为线偏振光.eACBoeDeo注意：寻常、非常指光在折射时是否遵守折射定律，o光、e光也只在晶体内部才有意义。大学物理学◆光轴：某些晶体内存在确定的方向，在这个方向上，o光和e光的传播速度相同，这个方向称为晶体的光轴。光沿该方向传播时,不发生双折射.MM’N’N说明：•沿光轴方向入射的光束，通过晶体不分为两束光。光轴仅标志一个特征方向。并不限于某一条特殊的直线.光轴•具有一个光轴的晶体，称为单轴晶体。例如：方解石、石英等。•具有两个光轴的晶体，称为双轴晶体。例如：云母、硫黄等。二、光轴主截面主平面AB光轴例：天然方解石晶体是六棱体,两棱间夹角为78。或102。.从其钝角会合的顶点引一条直线,并使其与各邻边成等角,这一直线方向就是方解石晶体的光轴方向.102。78。大学物理学◆晶体的主截面由光轴和晶体表面的法线所组成的平面，称为晶体主截面。10278光O光e•当入射光的入射面与晶体的主截面重合时，o光和e光都在入射面内且振动方向互相垂直。•在一般情况下,o光和e光的振动方向并不完全垂直，而是有一个不大的夹角，且e光不在入射面内。大学物理学•在晶体中,某光线的传播方向和光轴方向所组成的平面，称为该光线的主平面◆光的主平面•o光和e光有各自的主平面。•o光和e光都是线偏振光，o光的振动方向垂直于自己的主平面，e光的振动方向平行于自己的主平面。e光光轴e光的主平面o光光轴o光的主平面···大学物理学总结•光的偏振性•偏振态的分类•偏振片起偏与检偏•马吕斯定律•反射光和折射光的偏振(布儒斯特定律)•双折射