清华大学-大学物理(普通物理)_-3_光的偏振

1波动光学光的偏振2005年秋季学期第5章陈信义编2§5.1光的偏振状态一、完全偏振光E播传方向振动面线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：EEyExyx1、线偏振光（linearlypolarizedlight）sinEEycosEEx线偏振光表示法：·····光振动垂直板面光振动平行板面·面对光的传播方向看光矢量E光矢量垂直于传播方向32、圆偏振光（circularlypolarizedlight）线、圆和椭圆偏振光完全偏振光椭圆偏振光（ellipticallypolarizedlight）右旋椭圆偏振光右旋圆偏振光观测0yyxz/2x某时刻右旋圆偏振光E随z的变化E4为某个确定值的线偏振光的合成。右旋圆偏振光的合成。圆和椭圆偏振光可看成是两束频率相同、传播方向一致、振动方向相互垂直、相位差线偏振光则可以看成是两束频率相同、相位相同、振幅相同、传播方向也相同的左、相位差/2或3/2xyyx·x，y振幅相同，相位差不等于0，和2/2，，3/25二、完全非偏振光自然光（naturallight）垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。yxEExyxIIII2自然光的表示法：没有优势方向自然光的分解一束自然光可分解为两束振动方向相互···不相干6三、部分偏振光表示法：自然光和完全偏振光的混合，就构成了部分部分偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合，偏振光。分解不相干平行板面的光振动较强········垂直板面的光振动较强就是这种部分偏振光，天空中的散射光和水面的反射光它可以分解如下：7四、偏振度（degreeofpolarization）Ip—部分偏振光中包含的完全偏振光的强度It—部分偏振光的总强度In—部分偏振光中包含的自然光的强度完全偏振光（线、圆、椭圆）P=1自然光（非偏振光）P=0部分偏振光0P1偏振度：8§5.2线偏振光的获得与检验一、起偏起偏的原理：利用某种光学的不对称性偏振片（Polaroid）P（获得线偏振光）分子型：线栅起偏器入射电磁波起偏器（polarizer）：起偏的光学器件微晶型：·非偏振光线偏振光光轴电气石晶片··：从自然光获得偏振光（常用）9非偏振光I0线偏振光IP偏振化方向（通光方向）021II二、马吕斯定律（Maluslaw）I0IPPE0E=E0cos,200EI，，0max0III02I，线偏振光的起偏马吕斯定律（1809）—消光2202cosEEI···10三、线偏振光的检偏检偏：用偏振器件检验光的偏振态I?P待检光若I不变，是什么光？若I变，有消光，是什么光？若I变，无消光，是什么光？然光混合而成的部分偏振光设入射光可能是自然光线偏振光或由线偏振光与自或旋转【演示】线偏振光的起偏和检偏11四、偏振片的应用偏振片的应用很多，例如：作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必要的反射光。制成偏光眼镜，可观看立体电影。若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与作为许多光学仪器中的起偏和检偏装置。可以避免汽车会车时灯光的晃眼。地面成45角、且向同一方向倾斜的偏振片，12§5.3反射和折射光的偏振*散射光的偏振一、反射和折射时光的偏振自然光反射和折射后成为部分偏振光·······n1n2iir··S分量P分量反射光垂直入射面的分量（S）比例大，折射光平行入射面的分量（P）比例大，入射角i变反射、折射光的偏振度也变。13i=i0时，反射光只有S分量：i0—布儒斯特角（Brewsterangle）或起偏角i0+r0=90由020201cossinsininrnin得布儒斯特（Brewster）定律（1812年）·····n1n2i0i0r0线偏振光··S··14互余空气→玻璃玻璃→空气423350.100.1tg185600.150.1tg1010ii【思考】如何测量不透明介质的折射率？例：外腔式激光管加布儒斯特窗减少反射损失则：若n1=1.00（空气），n2=1.50（玻璃），i0·········i0i0·激光输出布儒斯特窗M1M2i0垂直分量损耗大，不能形成激光，但平行分量能形成激光。15有反射光干扰的橱窗在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰16对布儒斯特定律的定性解释：折射光波在第二种介质中激起电子做受迫振动，振动方向沿光矢量方向。振动的原子可看做是电偶极子辐射次波，这些次波传回第一种介质相干叠加形成反射波。·····n1n2i0i0r0线偏振光··S··P当以布儒斯特角入射时，反射光垂直于折射光。在入射点处，P分量的振动方向正好沿着反射光线的方向，因电磁波是横波，所以反射光只有S分量。17二、玻璃片堆起偏和检偏1、起偏：当时反射光是线偏振的，可用来起偏。0ii但单次反射的反射光强太低（只占15％），而且方向发生变化，使用不方便。因此更多利用时的折射光起偏，并采用玻璃片堆增大透射光的偏振度。0ii【演示】玻璃片堆起偏················i0接近是线偏振光··············玻璃片堆线偏振光18若反射光光强不变入射光是自然光；若反射光光强变且有消光入射光是线偏振光；若反射光光强变且无消光入射光是部分偏振光。让待检验的光以布儒斯特角i0入射到界面上，保持i=i0不变，以入射线为轴旋转界面：2、检偏（不包括圆和椭圆偏振光）19*三、散射光的偏振1、瑞利散射光的散射与介质颗粒的线度有关。颗粒线度小于十分之一波长的散射－瑞利散射。光波电场－分子范围内交变的均匀场振荡电偶极子电磁辐射强度的角分布I()p在入射光的激励下，颗粒－电偶极子，辐射电磁波。瑞利定律（1899）：散射光强与成反比。4【演示】白光的散射202、散射光的偏振zxPy入射自然光B散射光为部分偏振光，随角而变。散射光为线偏振光散射光为自然光例如：天空大气散射的日光就是部分偏振光。颜色偏兰。振荡电偶极子电磁辐射强度的角分布I()p4)(I21蜜蜂和某些鸟可辨别出大气散射光的偏振，从而用来确定方向。多次散射可以把个别散射方向的不对称抵消，从而可消除偏振。【演示】光不能透过两个互相垂直的偏振片，但在其间夹一蜡纸（形成多次散射），光又能透过了。22i一、双折射的概念1、双折射：n1n2rore(各向异性介质)自然光o光e光2、寻常（o）光和非寻常（e）光o光：遵从折射定律o21sinsinrnine光：一般不遵从折射定律.constsinsinerie光折射线也不一定在入射面内。射到各向异性介质时，§5.4双折射（birefringence）现象一束光入折射光分成两束的现象。23双折射会映射出双像24···方解石oeeo···以入射方向为轴旋转方解石方解石偏振片双折射的两束光振动方向相互垂直【演示】方解石的双折射25当方解石晶体旋转时，e光的像围绕o光的像旋转。o光的像不动，光光双折射纸面方解石晶体o光的像e光的像26光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体：27光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体：28光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体：29光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体：303、晶体的光轴（opticalaxisofcrystal）当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发例如，方解石晶体（冰洲石）的光轴：由钝顶角引出的与三个棱边成等角的方向就是光轴。光轴是一个特殊的方向，单轴晶体：只有一个光轴的晶体，如方解石。双轴晶体：有两个光轴的晶体，如云毋。该方向称为晶体的光轴。生双折射，直线均为光轴。凡平行于此方向的31方解石的光轴324、主平面（principalplane）晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面o光光轴o光的主平面····e光光轴e光的主平面叫该束光的主平面。33晶体的各向异性：介电常数为x,yx=yz,11vCaCO3CaOCz光轴光矢量垂直于光轴时，光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同，介电常数就不同，光的传播速度也就不同。二、晶体的主折射率，正晶体、负晶体介电常数为z光矢量平行于光轴时，E34o光：oovcnno，ne称为晶体的主折射率正晶体：neno负晶体：nenovotvet光轴点波源点波源votvet光轴eeevcnve光：oonv(vevo)(vevo)如：石英、冰如：方解石、红宝石························vot光轴光轴vetvot35ee三、单轴晶体中光传播的惠更斯作图法1、光轴平行晶体表面，自然光垂直入射··光轴晶体··o、e方向上虽没分开，下面以负晶体(vevo)为例，介绍该方法：oo但速度上是分开的，这仍是双折射。····以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法，是研究光在晶体中传播的重要方法。36oe2、光轴平行晶体表面，且垂直入射面，····晶体光轴rei········voΔtveΔtoecΔtooosinsinnvcieeesinsinnvci自然光斜入射在这种特殊的情况下，对e光也可以用折射定律。r0373、光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射····e方解石光轴··o此时e光的波面不再与其波射线垂直了。为什么？ooee······晶体光轴····这正是前面演示的情形。38§5.5椭圆偏振光和圆偏振光一、晶体起偏器件1、晶体的二向色性、晶体偏振器某些晶体对o光和e光的吸收有很大差异，例如，电气石对o光有强烈吸收，····光轴e光电气石光轴对e光吸收很弱，用它就可以产生线偏振光。这叫晶体的二向色性（dichroism）。392、偏振棱镜偏光棱镜：光轴的取向使e光对应的恰是ne。no（1.6584）＞n（1.55）＞ne（1.4864）i临界角，o光全反射了，e光可通过。偏振棱镜可由自然光获得高质量的线偏振光，可由自然光获得原方向的线偏振光············光轴光轴方解石方解石加拿大树胶(n=1.55)oe吸收涂层i格兰—汤姆孙棱镜它又可分为偏光棱镜和偏光分束棱镜。40偏光分束棱镜：可由自然光获得分开的两束线偏振光e·····12方解石方解石····oe光轴光轴沃拉斯顿棱镜o光进入到第1块方解石后，o光和e光在方向上没有分开。由于方解石2和方解石1二者光轴垂直，当光进入到方解石2时，o光变成e光（none）：光密光疏；而e光变成o光：光疏光密于是两光束在界面处发生折射而分开。41二、晶体相移器件圆和椭圆偏振光的起偏晶片：光轴平行于表面的晶体薄片。ydxAAoAe线偏振光光轴AAoAe光轴PsinAAocosAAe椭圆(圆、线)偏振光d光轴晶片从晶片出射的两束光由于出现相位差，而合成为一束椭圆、圆或线偏振光。ee····oo····42在入射点，o、e光的相位差为零或，在出射点晶片对o、e光产生的附加相位差：π2dnnoe，出射光为椭圆(圆)偏振光2π3,2π当ydxAAoAe线偏振光光轴椭圆（圆、线）偏振光d光轴晶片，出射光仍为线偏振光π,3π,当431、四分之一波(晶)片（quarter-waveplate）:4π线偏振光→圆偏振光:2π,0线偏振光→线偏振光可从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）厚度满足4dnnoe2π:2π4π0，，线偏振光→椭圆偏振光ydxAAoAe线偏振光光轴AAoAe光轴P椭圆(圆、线)偏振光d光轴晶片442、二分之一波片π2dnnoe可使线偏振光振动面转过2角度3、全波片π2dnnoe【演示】四分之一波片二分之一波片注意：波片是对某个确定波长而言的A入A出光轴AoAe45三、椭圆与圆偏振光的检偏【思考】如何用四分之一波片和偏振片区分部分偏振光和椭圆偏振光自然光和圆偏振光46四分之一波片圆偏振光自然光自然光线偏振光偏振片（转动）线偏振光I不变线偏振光I变，有消光以入射光方向为轴四分之一波片椭圆偏振光部分偏振