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1、,光的偏振(polarization of light),偏振:光波的振动方向对于传播方向的不对称性,光的偏振性是判断光波是横波还是纵波的重要依据。,纵波的光矢量E在垂直于传播方向的平面A内的分布是均匀的。,横波的光矢量E在垂直于传播方向的平面A内的分布是不均匀的,称为光的偏振。,6.9 光的偏振性(The polarization of light),(1),6.9.1 自然光 线偏振光 部分偏振光(natural light,linearly polarized light and partial polarized light),光矢量E在垂直于传播方向的平面内可以取任何方向,且各个方向
2、具有相同的平均值,即分布是均匀的,这样的光称为自然光。,1.自然光(natural light),普通光源发出的光就是自然光。,(2),2.线偏振光(linearly polarized light)(又叫平面偏振光),如果光矢量E只沿一个确定的方向振动，这种光称为线偏振光，又称为平面偏振光。,振动平面:光矢量E与光传播方向所决定的平面。,(3),3.部分偏振光(partial polarized light),如果光矢量E在垂直于传播方向的平面上可以取任何方向，但在不同方向上，其振幅不同，在某一方向上的光振动较强，而在与之垂直方向上的光振动较弱，这种光称为部分偏振光。,(4),部分偏振光可以
3、看成是自然光和线偏振光的混合。,(5),4.椭圆和圆偏振光(elliptic and circular polarized light),光矢量E的大小和方向在垂直于传播方向的平面上有规律地变化,光矢量末端轨迹为椭圆称为椭圆偏振光;末端轨迹为圆称为圆偏振光。,迎着光传播方向看:光矢量逆时针旋转 左旋偏振光(lift-handed polarized light)光矢量顺时针旋转 右旋偏振光(right-handed polarized light),自然光,线偏振光,涂有金鸡纳霜或碧硒(电气石)等材料的薄膜,起偏 检偏 马吕斯定律(polarizing,analyzing and Malus
4、law),1.偏振片(polarizing plate),起偏,检偏,1)偏振片:只允许某一个方向的振动透过的光学元件,(6),2)偏振片的用途,(a)作起偏振器,I0,I0/2,(b)作检偏振器,偏振光,光强为零(消光),光强不变,I0,I0,(7),P1,2I0,P2,2.马吕斯定律(Malus Law),通过检偏器的光振动振幅:,马吕斯定律,(8),讨论:,透射光最强,无光透出(消光),例19:起偏器和检偏器,在它们的偏振化方向成1=30 时,观测一束单色自然光。又在 2=60 时,观测另一束单色自然光,设两次所得的透射光强度相等,求:两光束强度之比。,解:,(9),按题意 I1=I2,
5、于是,6.9.3 反射和折射起偏 布儒斯特定律(Polarizing of reflection and refraction,Brewsters law),1.反射起偏(Polarizing of reflection),入射平面:入射线与介质面法线组成的平面。,入射自然光:,垂直振动平行振动,反射光中:垂直振动多于平行振动。,折射光中:平行振动多于垂直振动。,(10),使之满足:,1)反射光为线偏振光,只有垂直振动;i0为起偏角(布儒斯特角),2)折射光为部分偏振光,全部的平行振动和部分的垂直振动;,(11),2.布儒斯特定律(Brewsters law),当入射角i=i0 时,3)反射光
6、线与折射光线互相垂直。,3.折射起偏的方法(method of polarizing of refraction),玻璃片堆,(12),双折射现象:一束光线通过折射后分为两束的现象,双折射起偏(polarizing of double refraction of light),1.双折射现象,o光,e光,双折射,方解石,(13),自然光,寻常光:折射光线遵守折射定律,折射率为常数,其折射光线总在入射面内,简称 o 光。非常光:折射光线不遵守折射定律,折射率不为常数,其折射线不一定在入射面内,简称 e 光。,3.光轴(optical axis)主截面(principal section),光轴:
7、当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生 双折射,该方向称为晶体的光轴。例如方解石 的光轴方向如图,单轴晶体:只有一个光轴的晶体(如方解石、石英等),双轴晶体:有两个光轴的晶体(如云母、硫磺等),(14),2.寻常光和非常光(ordinary and extraordinary light),主截面:晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面,实验表明:1)o光和e光都是线偏振光,但光矢量的振动方向不同,o光的振动方向垂直于自己的主截面,而e光的振动平行于自己的主截面。2)当光轴在入射面内时,o光与e光的主截面相重合,o光与e光的振动方向相互垂直。在一般情况下,o光与e光的振动方向并不完全垂直。3)
8、o光永远在入射面内,而e光不一定,只有光轴平行于入射面时,o光和e光都在入射面内。,(15),o光,e光,主截面,入射面,正晶体(vo ve),负晶体(vo ve),o光,e光,vot,vet,vet,vot,(16),4.光在单轴晶体中的波面,5.光在单轴晶体中的传播方向,以方解石为例,用作图法(惠更斯原理)确定o光和e光在晶体内的传播方向,1)光轴平行晶体表面,且在入射面内,自然光入射,光轴,(17),光轴,2)光轴与晶体表面斜交,且在入射面内,自然光入射,(18),3)光轴平行晶体表面,且垂直于入射面,自然光入射,(19),o光主折射率,e光主折射率,4)光轴垂直于晶体表面,且在入射面内
9、,自然光入射,(20),无双折射现象,1)尼科耳棱镜(Nicol prism),双折射的应用:1)获得线偏光,2)改变入射光的偏振态,6.9.5 偏振棱镜 波片(polarized prism and wave plat),1.偏振棱镜起偏,优点:对可见光透明度高,能得到较完善的线偏光,缺点:入射光束与出射光束不在一条线上,(21),2)渥拉斯顿棱镜(Wollaston prism),远离BD面的法线传播,同理e光从ABD进入BCD中将变为o光,靠近BD面的法线传播。,自然光垂直入射AB,在ABD中,o光e光重合,由于ABD中的光轴与BCD中的光轴相互垂直,o光从ABD进入BCD中将变为e光,
10、(22),(23),2.波片(wave plate),出波片C 时,o光和e光的振动:,偏振片P1,所以,则,合成为线偏振光,合成为正椭圆偏振光,合成为斜椭圆偏振光,合成为圆偏振光,(24),k=0,1,2,1)1/4波片,思考:(1)线偏光通过1/4波片后,出射光的偏振态和 光强如何?,(25),(正椭圆或圆偏光,光强不变),(2)自然光通过1/4波片后,出射光的偏振态和 光强如何?,(自然光,光强不变),(3)正椭圆或圆偏光通过1/4波片后,又如何?,能使从波片透射后的两束线偏振光(o光和e光)的相位差=(2k+1)/2，这样的波片称为1/4波片。,2)1/2波片(半波片),思考:右旋偏振
11、光通过半波片后,旋向是否变化?,(26),线偏振光垂直入射到半波片上,透射光仍为线偏振光,但其光矢量向着光轴的方向旋转2 角,如右图,能使从波片透射后的两束线偏振光(o光和e光)的相位差(2k+1)，这样的波片称为1/2波片。,3)全波片,注意:几分之几波片是对某一波长 而言的,例:某波片对为1/4波片,对/2则为1/2波片,(27),例20:如图,1)P与A处于消光,插入1/2波片,转动一周,问有几次消光,为什么?2)P与A处于消光,插入1/2波片(任意取向),转动A一周,问有几次消光,为什么?3)P与A处于消光,插入1/2波片,旋转波片至消光;顺时转动P(角),欲重新达到消光,需转动A(逆
12、时)多少?,解:1),四次消光,2)二次消光,(28),设为P与波片光轴方向间的夹角,当=0,/2,3/2 时,分别使P后的线偏光旋转2=0,2,3,3),波片后的振动方向,(29),波片光轴,A应逆时旋转,圆偏光,(30),例21:有两个圆偏振器,偏振片用P1和P2 表示,波片用N1和N2 表示,按N1-P1-P2-N2 顺序排列,P1和P2 偏振化方向间的夹角,以光强为I0 的自然光垂直入射到上述偏振系统,求透射光的偏振态和光强?,解:,由圆偏振器,可知P1与N1,P2与N2之间夹角为45,例22:用旋转的检偏镜对某一单色光进行检偏,在旋转一圈的过程中,发现从检偏镜出射的光强并无变化.先让
13、这一束光通过一块1/4波片,再通过旋转的检偏镜检偏,则测得最大出射光强是最小出射光强的2倍.求入射的是什么偏振态的光,其中自然光光强占总光强的百分之几?,解:,光强无变化,自然光,圆偏光,两者混合,光强无消光,非圆偏光;光强有变化,非自然光;结论:两者混合,(31),设入射总光强为1,其中自然光强为x,则圆偏光强为(1-x),(32),(33),光的偏振教学要求,1.熟练掌握光的五种形态(自然光、线偏振光、部分 偏振光、椭圆和圆偏振光)。2.理解光的起偏和检偏,掌握马吕斯定律及应 用。3.理解光在反射、折射时偏振态的变化,掌握布儒斯 特定律。4.理解单轴晶体的双折射,学会用惠更斯作图法确定 双折射方向;熟练掌握1/4波片和1/2波片的特性。,
