153光的偏振-中国农业大学大学物理

大学物理B光学第十一章光学•光的偏振状态光是TEM波，偏振是横波的固有属性。光的偏振描述的是其电场矢量（或称为光矢量）的振动状态。通常可将其分成五种偏振状态。§11.3光的偏振光的波动性光的干涉、衍射.光波是横波光的偏振.大学物理B光学第十一章光学①线偏振光取光传播的方向为方向，其光矢量在平面沿固定的直线方向振动的光称为线偏振光。zyxv0HE0E0xE0yExy大学物理B光学第十一章光学任意线偏振光可以分解成两个互相垂直的（例如方向和方向）、同相位的线偏振光之和其中可分解成：其中)cos(0tEEr20)cos()cos(00tEEtEEyyxxsin,cos0000EEEEyxxy0E0xE0yExy大学物理B光学第十一章光学②圆偏振光光矢量在平面作固定的圆振动的光称为圆偏振光。迎着光的传播方向看，光矢量逆时针旋转的称为左旋，反之为右旋。yx0E0xE0yExy左旋右旋大学物理B光学第十一章光学任意圆偏振光可以分解成两个互相垂直的（例如方向和方向）、相位差为、同振幅的线偏振光之和左旋圆偏振：或：右旋圆偏振：或：xy2/)2cos()cos(00tEEtEEyx)sin()cos(00tEEtEEyx)2cos()cos(00tEEtEEyx)sin()cos(00tEEtEEyx大学物理B光学第十一章光学③椭圆偏振光光矢量在平面作固定的椭圆振动的光称为椭圆偏振光。迎着光的传播方向看，光矢量逆时针旋转的称为左旋，反之为右旋。yx0E0xE0yExy左旋右旋大学物理B光学第十一章光学任意椭圆偏振光可以分解成两个互相垂直的（例如方向和方向）、相位差为的线偏振光之和椭圆偏振：xy)cos()cos(00tEEtEEyyxx2/0E0xE0yExy左旋大学物理B光学第十一章光学任意椭圆偏振光可以分解成两个分别为左旋和右旋的圆偏振光之和0RE0LE0Exy左旋右旋左旋大学物理B光学第十一章光学例如，左旋椭圆偏振：)sin()22()cos()22()sin()22()cos()22()sin()cos(0000000000tEEEtEEEtEEEtEEEtEEtEEyxyyxxyxyyxxyyxx右旋圆：左旋圆：大学物理B光学第十一章光学实际上圆偏振光和线偏振光都是椭圆偏振光的特例，描述椭圆偏振光的重要参数是其椭圆度（椭圆短长轴之比）：MmEE00tanxy左旋线偏振光分解成左右旋圆偏振光大学物理B光学第十一章光学④自然光光矢量在平面等概率地作各种方向、各种振动状态的随机振动的光称为自然光。自然光可以分解成两个互相垂直的（例如方向和方向）、同振幅、但没有固定相位关系的线偏振光之和。一般光源发出的光都是自然光。yxxy大学物理B光学第十一章光学⑤部分偏振光光矢量在平面作各种方向、各种振动状态的随机振动、但某方向（例如方向）振幅小的光称为部分偏振光。部分偏振光可以按其振幅最小和最大的两个互相垂直的方向（例如方向和方向）分解成两个没有固定相位关系的线偏振光之和。常用偏振度来描述部分偏振光的偏振程度。其定义为：yxxxymMmMIIIIP大学物理B光学第十一章光学光的五种偏振状态可用上图形象地表示讨论：偏振状态分类五种偏振状态大学物理B光学第十一章光学•马吕斯定律①偏振片a.二向色性有些结构具有二向性的物质，对光的吸收也呈现出二向性。例如天然的电气石晶体为长六角形片状，当自然光通过时，光矢量在长对角线方向（方向）被吸收得少、透过较多，而垂直方向吸收得多、透过得少。y大学物理B光学第十一章光学自然光经此类物质后，透射光变成了部分偏振光。介质对光的这种方向性选择吸收一般还与波长有关，称为（线）二向色性。某些有机晶体，如碘化硫奎宁，有强烈的二向色性，把它们沉淀在聚氯乙烯膜或其他塑料膜中。当这膜经过一定方向拉伸后，二向色性多晶体便会按拉伸的方向排列整齐，能在薄膜的垂直方向上表现出和单晶一样的二向色性大学物理B光学第十一章光学b.偏振片利用二向色性可做成选择某一方向光矢量通过的光学元件，称为偏振片，能透过光矢量的方向称为它的偏振化方向或透光轴。自然光通过理想偏振片后变成了透光轴方向的线偏振光，称为起偏。但实际上通过偏振片的透射光的偏振度不可能为1。偏振片的好坏可用消光比来描述，其定义为：理想偏振片的消光比为0。MmIIe大学物理B光学第十一章光学c.偏振片应用偏振片是最常用的起偏和检偏元件，工艺简单，成本低，广泛地用于各种光电产品之中。例如偏光镜头、偏光眼镜、偏光显微镜和光驱等大学物理B光学第十一章光学自然光通过理想偏振片后变成了透光轴方向的线偏振光，称为起偏大学物理B光学第十一章光学②马吕斯定律设入射到理想偏振片上的线偏振光的光矢量与偏振片透光轴方向夹角为，将其光振幅分解到透光轴方向和垂直透光轴方向得：全部透过，全被吸收。则得透射光强与入射光强的关系为：称为马吕斯定律cos0//EE//EE20cosII大学物理B光学第十一章光学根据马吕斯定律，可以用理想偏振片确定入射线偏振光的偏振方向，称为检偏大学物理B光学第十一章光学例11.12强度为的自然光通过偏振片，求透射光强。解：0I002021dcos1III例11.13强度为的自然光通过两块平行放置的偏振片，无出射光强，若在两块偏振片间再插入另一偏振片，求可能出射的最大光强，插入偏振片的光轴应如何取向？0I大学物理B光学第十一章光学解：得：0121II212cosII22sinII2sin81sincos2120220III081IIM4大学物理B光学第十一章光学•反射光和折射光的偏振①布儒斯特定律a.各向同性介质中反射光和折射光的偏振自然光经各向同性介质分界面反射和折射后，一般为部分偏振光。通常把入射光线与界面法线所构成的平面称为入射面，将光矢量分解为：垂直入射面分量（图中用─●─表示）平行入射面分量（图中用─+─表示）E//E大学物理B光学第十一章光学则：反射光一般为的部分偏振光，折射光一般为的部分偏振光//EE//EE大学物理B光学第十一章光学b.布儒斯特定律1812年，布儒斯特发现，当入射角与折射角满足时，反射光为只有垂直入射面分量的线偏振光。根据折射定律可得此时的入射角与介质折射率的关系为：称为布儒斯特定律，叫做布儒斯特角2/isinsin21nin12tannnibbi大学物理B光学第十一章光学需注意的是，即使以布儒斯特角入射，反射光虽是线偏振光，但只占入射光中该方向偏振的一小部分，而折射光是偏振度很小的部分偏振光。菲涅耳根据光的电磁波理论解释了布儒斯特定律，并给出了相应的反射率：)(sin2120bbiIIR大学物理B光学第十一章光学例11.14自然光以布儒斯特角从空气入射到玻璃表面（）。求（1）布儒斯特角，（2）反射率，（3）反射光和折射光的偏振度。解：（1）（2）（3）50.1n3.56983.05.1tan1radib7.333.5690%4.7)7.333.56(sin21)(sin21220bbiIIR1RP080.0426.05.0426.05.00000IIIIPT大学物理B光学第十一章光学②双折射a.光的双折射现象一束光通过某些晶体（如常见的方解石晶体）时会出现两束折射光，称为光的双折射。其中一束光的折射方向遵从通常的折射定律，称为寻常光或称o光。另一束光不满足折射定律，称为非寻常光或称e光。实验还发现o光、e光是具有不同偏振方向的线偏振光。大学物理B光学第十一章光学双折射纸面方解石晶体当方解石晶体旋转时，o光不动，e光围绕o光旋转光光光光光光光光光光光光光光光光光光大学物理B光学第十一章光学b.晶体的光学性质固体绝缘材料一般分为玻璃（非晶体）、陶瓷（多晶体）和晶体。非晶体的光学性质一般是各向同性的，如玻璃、石英玻璃、液体（除液晶外）和气体等。多晶体没有良好的光学性质，一般不用作光学材料。晶体根据其光学性质可作如下分类：、蓝宝石光）：例如云母、硫磺双轴晶体（都是（红宝石）（方解石）、负晶体：例如冰）石英）、正晶体：例如光）光和分单轴晶体各向异性（盐）光）：例如各向同性（都是晶体eCrOAlCaCOO(H(SiOeo(NaClo32322大学物理B光学第十一章光学各向同性晶体双轴晶体单轴负晶体单轴正晶体晶体的子波波前图：o光以各向同性的速率传播，波前为一球面，而e光的波前为一椭球面。o光和e光波前相交的方向称为晶体的光轴方向，沿光轴方向传播的o光和e光不会分开，没有双折射现象。大学物理B光学第十一章光学大学物理B光学第十一章光学单轴晶体的光学性质：在垂直光轴方向，o光和e光的传播速率相差最大，常用表示e光在垂直光轴方向的传播速率，相应的折射率称为主折射率。光线与光轴组成的平面称为主平面。even实验表明o光为光矢量垂直主平面的线偏振光，e光为光矢量在主平面内的线偏振光负晶体vovenone大学物理B光学第十一章光学晶体nonene－no方解石1.65841.4864－0.1720电气石1.6691.638－0.031白云石1.68111.500－0.181菱铁矿1.8751.635－0.240石英1.54431.55340.0089冰1.3091.3130.004几种单轴晶体的no、ne（对589.3nm的钠光）大学物理B光学第十一章光学c.晶体的惠更斯作图法当一束光入射到晶体上时，可用惠更斯作图法解释其双折射现象。晶体表面法线与晶体光轴组成的平面称为主截面。实际上只有当入射面与主截面重合时，才能在同一平面内完成惠更斯作图法，此时o光和e光的主平面也都与入射面重合，因而o光和e光的光矢量互相垂直。大学物理B光学第十一章光学i.双折射：如图所示，o光和e光分开形成双折射。e光显然不满足折射定律，并注意其波前与波线不垂直。讨论：偏振大学物理B光学第十一章光学ii.波片原理图：当光轴与晶体表面平行时，虽然o光和e光分不开，但当光束经过厚度为的晶体后会产生光程差：对应相位差为：ddnnLeo)(dnneooe)(2大学物理B光学第十一章光学适当选取晶体的厚度，可做成使光矢量的两个垂直分量相位差改变任意的光学元件，称为波片。最常用的波片是1/4波片和1/2波片。大学物理B光学第十一章光学③波片及应用a.1/4波片和1/2波片：1/4波片的作用是使光矢量的两个垂直分量相位差改变，因而波片的厚度为：例如光线通过厚度为、用负晶体做成的1/4波片后，沿光轴振动的光矢量分量（e光）与垂直光轴振动的光矢量分量（o光）的相位差将增加。2/nnkd4/2/n4/2/大学物理B光学第十一章光学1/2波片的作用是使光矢量的两个垂直分量相位差改变，因而波片的厚度为：要注意的是，波片的厚度与波长成正比。例如用于波长的1/4波片当用于波长时却是1/2波片。nnkd2//nm400nm200大学物理B光学第十一章光学b.椭圆偏振光的产生与检验：利用1/4波片可以完成线偏振光与椭圆（圆）偏振光之间的互相转换。大学物理B光学第十一章光学线偏振光通过1/4波片后一般为椭圆偏振光。取负晶体的光轴方向为方向，则线偏振光一般可表示为：其中经过1/4波片后：为椭圆偏振光y)cos()cos(00tEEtEEyyxxsincos0000EEEEyx)2cos()cos(00tEEtEEyyxx大学物理B光学第十一章光学当时，分别为右、左旋圆偏振光。反之，若取椭圆偏振光的长轴或短轴与