1、第 10 章光 的 偏 振,本章主要内容,10-1 光的偏振状态10-2 线偏振光的获得与检验10-3 反射和折射时光的偏振10-4 双折射现象,第10章 光的偏振,所谓偏振是指：光矢量总是与光的传播方向垂直的特性。事实上就是电磁波的横波性,光矢量总是处于振动态 振动方向,光实质上是电磁波，电磁波都是横波。通常把光波中的电场强度 称为光矢量。,对确定的传播方向，光矢量可能的方向并不唯一。,10-1 光的偏振状态,偏振态光矢量的振动状态。（振动方向及其角分布）, 非偏振光自然光 non-polarized /natural light,普通光源发出的光都是非偏振光。, 完全偏振光, 线偏振光 l
2、inearly polarized light, 椭圆偏振光和圆偏振光,实际为相差为 /2 两垂直方向线偏振光的合成, 部分偏振光 partial polarized light,自然光经反射或折射后得到的光多为部分偏振光。,部分偏振光可视为自然光与线偏振光的叠加。,10-2 线偏振光的获得与检验, 偏振片能够吸收一个方向的光矢量而让其垂直方向的光矢量通过，并获得线偏振光的器件。,1. 起偏器和检偏器, 线偏振光的获得,自然光通过偏振片可以获得线偏振光。偏振片用于获得线偏振光时称为起偏器。,偏振片用于检验偏振状态时称为检偏器。, 线偏振光的检验,转动用于检验的偏振片观察透射光。当通光方向与入射
3、的线偏振光振动方向垂直时，透射光强为零，即出现消光现象。如果有消光，则表明入射光为线偏振光；否则，不是线偏振光。,如果入射检偏器的光是部分偏振光，透射光如何？,Malus定律1809年实验,2. Malus定律,入射的线偏振光振动方向与检偏器 P2 的通光方向成任意角 时，出射光的强度为多大？,设入射线偏振光光矢量的振幅为 A0，通过 P2 的光矢量振幅为 A。因检偏器只允许P2 方向的光矢量振动分量通过，故有,相应的光强关系为,例 光强为 I0 的自然光通过通光方向相互垂直的两块偏振片。现将第三块偏振片插入此两偏振片之间，并令其通光方向与第一块偏振片的通光方向成 角，求透过第二块偏振片的光强
4、。,解：透过第一块偏振片的光强为,透过第三块偏振片的光强为,透过第二块偏振片的光强为,例题 若要使线偏振光的光振动方向旋转90，最少需要几块偏振片？这些偏振片怎样放置才能使透射光的光强最大。,解：如图所示，至少需要两块偏振片才能使线偏振光的光振动 方向旋转90，,例题 在两个偏振化方向正交的偏振片之间插入第三个偏振片。1) 当最后透过的光强为入射自然光强的1/8时，求插入第三个偏振片偏振化的方向；2) 若最后透射光强为零，则第三个偏振片怎样放置？,其中：为插入的偏振片与第一个偏振片之间的夹角；自然光通过偏振片后光强减半。,解：1）光经过三个偏振片后的光强为：,2）同理,例题 将三个偏振片叠在一
5、起，第二个与第三个的偏振化方向分别与第一个的偏振化方向成45和90度。强度为I0的自然光垂直入射到这一堆偏振片上，试求经每一个偏振片后的光强。如果将第二个偏振片抽走，情况又如何？,10-3 反射和折射时光的偏振,实验表明：当自然光在两种各向同性的介质分界面上反射和折射时，反射光和折射光的偏振态将发生变化：,一般情况下，反射光和折射光都是部分偏振光。,1812年实验中得到，称为Brewster定律。,1）反射光和折射光互相垂直 .,2）根据光的可逆性，当入射光以 角从 介质入射于界面时，此 角即为布儒斯特角 .,讨论下列光线的反射和折射（起偏角 ）.,例 一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角为
6、布儒斯特角 ，问 在界面 2 的反射光是什么光？,注意：一次起偏垂直入射面的振动仅很小部分被反射（约15%）所以反射偏振光很弱 。一般应用玻璃片堆产生偏振光,例题 将一介质平板放在水中，板面与水平面的夹角为 。已知：n水=1.333，n介质=1.681，现欲使水面和介质面反射光均为线偏振光， = ?,在三角形OAB中，,解：,即：使板面与水面的夹角为14.70，光线以53.120入射，两束反射光均为线偏振光。,例题 如图所示，自然光入射到水面上，入射角为 i 时反射光成为完全偏振光，今有一块玻璃浸于水中，若光由玻璃面反射也成为完全偏振光，求水面与玻璃面之间的夹角（玻璃的折射率n3=1.5，水的
7、折射率n2=1.33）。,解：由于i是起偏振角，所以,由图中几何关系容易看,式中a即为所求的角。由折射定律 可得,所以,因为i2也是起偏振角，同理,所以,总结前述：从普通光源中获得线偏振光的方法利用各向异性物质的二向色性 (偏振片) 物质对振动方向显现出吸收系数的不同2.利用自然光在两个各向同性介质表面的反射 (布儒斯特仪) 物质对振动方向显现出反射系数的不同3.利用各向异性晶体的双折射(晶体偏振器) 物质对振动方向显现出传播速度的不同,10-4 双折射现象,双折射的两条光线：一条服从折射定律，称为寻常光或o光；另一条不服从，称为非常光或e光。, 双折射现象 寻常光与非常光,ordinary
8、light, extraordinary light,一般透明介质（晶体或非晶体）中的光速是各向同性的，光在这类介质的分界面上发生的折射服从折射定律：,然而，有许多晶体（如方解石、石英、云母、电气石、冰等）中的光速具各向异性。当自然光从空气入射到这类晶体的表面时，会产生两条折射光线。 这种现象称为双折射现象。,以方解石（CaCO3）为例：, 双折射晶体的各向异性特征,注：光轴代表的是某个方向，不是某一条直线。,研究表明：晶体中光速的各向异性可以用折射率椭球来表示子波的波面为旋转椭球面, 寻常光和非常光的偏振态,o光的振动面垂直于主平面；e光的振动面平行于主平面。, 偏振棱镜, Nicol棱镜,
9、主截面通过光轴并垂直于晶体任一解理面（晶面）的平面。,方解石：, Rochon棱镜, Glan-Thompson棱镜, Wollaston棱镜, 晶体的二向色性,例题 一束光具有自然光和偏振光的混合光，让它垂直通过一偏振片，若以此入射光束为轴，旋转偏振片时，测得透射光强强度的最大值是最小值的5倍，求入射光束中，自然光与线偏振光的光强比值。,又因,所以,解：设入射光束中自然光强为I0，线偏振光的光强为I1，则,返回,本章结束,理解光的横波性，光的偏振态；掌握偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律及其应用，反射和折射时光的偏振性，布儒斯特定律；了解双折射晶体双折射现象，寻常光和反常光，折射率椭球、主折射率
10、和主平面概念，惠更斯原理在双折射中的应用，偏振光的应用介绍。,大纲要求,1. 使一光强为I0的平面偏振光先后通过两个偏振片P1和P2P1和P2的偏振化方向与原入射光光矢量振动方向的夹角分别是a 和90，则通过这两个偏振片后的光强 I 是 。,2. 一束光是自然光和线偏振光的混合光，让它垂直通过一偏振片若以此入射光束为轴旋转偏振片，测得透射光强度最大值是最小值的5倍，那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为 。,4. 一束自然光自空气入射到折射率为1.40的液体表面上，若反射光是线偏振的，则折射光的折射角为_。,3. 光在某两种介质界面上的临界角（指全反射）是45，它在界面同一侧的起偏振角是多
11、少?,4. 一束自然光自空气投射到玻璃表面上，当折射角为30度时，反射光是完全偏振光，则此玻璃板的折射率等于_。,5. 两个偏振片P1、P2 叠在一起，由强度相同的自然光和线偏振光混合而成的光束垂直入射在偏振片上已知穿过P1 后的透射光强为入射光强的1 / 2；连续穿过P1、P2 后的透射光强为入射光强的1 / 4。求 ：若不考虑P1、P2 对可透射分量的反射和吸收，入射光中线偏振光的光矢量振动方向与P1的偏振化方向夹角 为多大？P1、P2 的偏振化方向间的夹角a 为多大？,6. 如图安排的三种透光媒质、，其折射率分别为n11.33，n21.50，n31。两个交界面相互平行。一束自然光自媒质中入射 到与的交界面上。 若反射光为线偏振光，（1）求入射角i（2）媒质、界面上的反射光是不是线偏振光？为什么？,
