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1、第十二章光的偏振第1页，本讲稿共41页F电磁波中起光作用的是电场矢量电磁波中起光作用的是电场矢量(光矢量光矢量)F偏振：偏振：光矢量在平面内振动光矢量在平面内振动F五种偏振态：五种偏振态：自然光，线偏振光，部分偏自然光，线偏振光，部分偏振光，椭圆偏振光，圆偏振光振光，椭圆偏振光，圆偏振光偏振是横波区别于纵波的标志偏振是横波区别于纵波的标志光的振动面光的振动面第2页，本讲稿共41页一、偏振光和自然光一、偏振光和自然光1.线线偏振光偏振光F光光矢矢量量只只沿沿一一个个固固定定方方向向振振动动的的光光(又又称称平面偏振光平面偏振光)振动面振动面光矢量第3页，本讲稿共41页2.2.自然光自然光F在垂直
2、于光传播方向的平面内，沿各个方在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向都有光振动，且各个方向光矢量的振幅向都有光振动，且各个方向光矢量的振幅相等的光相等的光第4页，本讲稿共41页3.部分偏振光部分偏振光F在垂直于光传播方向的平面内，各方向在垂直于光传播方向的平面内，各方向都有光振动，但振幅不等的光都有光振动，但振幅不等的光第5页，本讲稿共41页 F在在垂垂直直于于光光的的传传播播方方向向的的平平面面内内，光光矢矢量以一定的频率旋转。量以一定的频率旋转。4.圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光F F椭圆偏振光：椭圆偏振光：矢量端点轨迹为椭圆矢量端点轨迹为椭圆F圆偏振光：圆偏振光：矢量端点轨迹为
3、圆矢量端点轨迹为圆第6页，本讲稿共41页偏振片 二、起偏与检偏二、起偏与检偏F偏振片：偏振片：吸收某方向光振动，而与其垂吸收某方向光振动，而与其垂直方向的光振动能通过的装置直方向的光振动能通过的装置偏振化偏振化方向方向F偏振化方向：偏振化方向：能通过光振动的方向能通过光振动的方向第7页，本讲稿共41页F检偏：检偏：用偏振片检验光线的偏振化程度用偏振片检验光线的偏振化程度F F起偏：起偏：自然光通过偏振片后变为线偏振自然光通过偏振片后变为线偏振光光起偏起偏检偏检偏第8页，本讲稿共41页偏振化方向偏振化方向(透光方向透光方向)I?P待检光思考思考：自然光自然光 I不变不变线偏振光线偏振光 I变，有
4、消光变，有消光部分偏振光部分偏振光 I变，无消光变，无消光当偏振片旋转时当偏振片旋转时.第9页，本讲稿共41页三、马吕斯定律三、马吕斯定律-马吕斯定律马吕斯定律第10页，本讲稿共41页(1)a a=0或或a a=1800时时,I2=I1光强最强光强最强讨论：讨论：(2)a a=900或或a a=2700时时,I=0光强最弱光强最弱问题：问题：之间插入另一偏振片，之间插入另一偏振片，情况如何？情况如何？第11页，本讲稿共41页 例例:两平行放置的偏振片两平行放置的偏振片,偏振化方偏振化方向成向成450角角,自然光垂直入射后自然光垂直入射后,透射光与透射光与入射光的强度之比为多少入射光的强度之比为
5、多少?(分别讨论分别讨论偏振偏振化方向化方向无吸收和有无吸收和有10%吸收的情况。吸收的情况。)第12页，本讲稿共41页解：解：偏振化方向偏振化方向无吸收时无吸收时,根据马吕斯定律根据马吕斯定律第13页，本讲稿共41页偏振化方向偏振化方向有有10%吸收时，吸收时，第14页，本讲稿共41页 例例:自然光和线偏振光的混合光束，自然光和线偏振光的混合光束，通过一偏振片时，随着以光线方向为轴转通过一偏振片时，随着以光线方向为轴转动一周，透射光的强度跟着改变。如果最动一周，透射光的强度跟着改变。如果最强和最弱的光强之比为强和最弱的光强之比为 6:1,求入射光中求入射光中自然光和线偏振光的强度比。自然光和
6、线偏振光的强度比。第15页，本讲稿共41页 解：解：设自然光和线设自然光和线偏振光的强度分别为偏振光的强度分别为I1 和和 I2,透射光的强透射光的强度分别为度分别为I1 和和 I2,对自然光，无论偏振片如何转动，对自然光，无论偏振片如何转动，有有对线偏振光对线偏振光第16页，本讲稿共41页最大强度最大强度 ，最小强度最小强度 所以混合光束最大强度为所以混合光束最大强度为 最小强度为最小强度为 得自然光和线偏振光的强度比得自然光和线偏振光的强度比第17页，本讲稿共41页 1 1、部分偏振现象、部分偏振现象F自然光在两各向同性媒自然光在两各向同性媒介分界面上反射和折射介分界面上反射和折射时，反、
7、折射光均成为时，反、折射光均成为部分偏振光部分偏振光F F特点：特点：反射光垂直入射面的振动较强，折反射光垂直入射面的振动较强，折射光反之射光反之四、四、布儒斯特定律布儒斯特定律第18页，本讲稿共41页F1812年年布儒斯特发现：布儒斯特发现：布儒斯特角布儒斯特角此时有此时有由折射定律由折射定律-布儒斯特定律布儒斯特定律某特定入射角时，某特定入射角时，反反射光射光为振动方向垂直于为振动方向垂直于入射面的线偏振光入射面的线偏振光2 2、布儒斯特定律布儒斯特定律第19页，本讲稿共41页例例 证明当自然光入射到证明当自然光入射到 平面玻璃板平面玻璃板上时，若在上表面的光为线偏振光，上时，若在上表面的
8、光为线偏振光，则经折射后在下表面的反射光也是则经折射后在下表面的反射光也是线偏振光。线偏振光。n n1 1n n2 2第20页，本讲稿共41页说明：说明：(1)i=i0时，反射光为线偏时，反射光为线偏振光，而振光，而折射光仍然是折射光仍然是部分偏振光部分偏振光，但此时偏，但此时偏振化程度最高振化程度最高(2)反射光光强较弱，折反射光光强较弱，折射光较强射光较强(3)让让自自然然光光通通过过玻玻璃璃片片堆堆，可可使使折折射射光光的的偏偏振振化化程程度度增增加加。玻玻璃璃片片足足够够多多时时，可使折射光为完全偏振光可使折射光为完全偏振光第21页，本讲稿共41页 例例:将一介质平板放在水中将一介质平
9、板放在水中,板面与水平板面与水平面的夹角为面的夹角为，如图。已知折射率，如图。已知折射率n水水=1.333，n介质介质=1.681，要使水面和介质面反射光均，要使水面和介质面反射光均为线偏振光为线偏振光,求求 第22页，本讲稿共41页根据布儒斯特定根据布儒斯特定律律解：解：如图所示如图所示第23页，本讲稿共41页 例例：如图，线偏振光入射到两介质分：如图，线偏振光入射到两介质分界面，界面，i0 为起偏振角。分别画出反射光为起偏振角。分别画出反射光和入光射的振动情况。和入光射的振动情况。第24页，本讲稿共41页解解：反射光强度为零反射光强度为零第25页，本讲稿共41页 1.双折射现象双折射现象双
10、折 射双 折双 折方解石晶体方解石晶体o光光e光光五、五、光的光的双折射双折射第26页，本讲稿共41页寻常光线（o光）(ordinary rays)(extraordinray rays)非常光线（e光）服从折射定律的光线不服从折射定律的光线.eo.oeACDB第27页，本讲稿共41页不服从折射定律指的是：不服从折射定律指的是：1.折射光线一般不在入射面内；折射光线一般不在入射面内；2.入射角的正弦与折射角正弦之比不是入射角的正弦与折射角正弦之比不是常量，即折射率和入射光线的方向有关。常量，即折射率和入射光线的方向有关。第28页，本讲稿共41页 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o 光不
11、动，光不动，e 光光围绕围绕 o 光旋转。光旋转。各向异性透明介质，都会发生双折各向异性透明介质，都会发生双折射现象。射现象。第29页，本讲稿共41页 光轴：光轴：光线在晶体中光线在晶体中沿某一方向传播时沿某一方向传播时不发生双折射现象，不发生双折射现象，这一方向称为晶体这一方向称为晶体的光轴的光轴单轴晶体：单轴晶体：只有一个光轴只有一个光轴(方解石、石英方解石、石英)双轴晶体：双轴晶体：有两个光轴有两个光轴(云母、硫磺云母、硫磺)2.描述晶体光学特性描述晶体光学特性的物理量的物理量102 0102078078010201020光轴第30页，本讲稿共41页 主主截截面面：光光轴轴和和晶晶体体表
12、表面面法法线线组组成成的的 平面平面主平面：主平面：某一光线某一光线(o光或光或e光光)与光轴组成与光轴组成的平面的平面.光光光光面面面面主主主主光光光光面面面面主主主主平平平平平平平平光轴方向eo光光光光e光光光光oF一般情况下，一般情况下，e光不一定在入射面内，光不一定在入射面内，o光和光和e光的主平面并不重合光的主平面并不重合第31页，本讲稿共41页(1)o光和光和e光均为线偏振光光均为线偏振光3.双折射光的特点双折射光的特点(2)o光的振动方向垂直于它自己的主平面，光的振动方向垂直于它自己的主平面，e光的振动方向平行于它自己的主平面光的振动方向平行于它自己的主平面.光光光光面面面面主主
13、主主光光光光面面面面主主主主平平平平平平平平光轴方向eo光光光光e光光光光o第32页，本讲稿共41页 (3)(3)当当入入射射面面是是晶晶体体的的主主截截面面时时,o光光和和e光光的的主主平平面面重重合合(都都在在入入射射面面内内），此时此时o光与光与e光的振动方向相互垂直。光的振动方向相互垂直。光轴oe第33页，本讲稿共41页4.双折射现象的解释双折射现象的解释F原因：原因：o光在晶体内的速度各向同性，光在晶体内的速度各向同性，e光光却是各向异性却是各向异性o光：光：子波波面为球形面子波波面为球形面e光：光：子波波面为椭球面子波波面为椭球面正晶体正晶体负晶体负晶体第34页，本讲稿共41页光轴
14、光轴F 惠更斯原理对双折射的解释惠更斯原理对双折射的解释（设光轴在入射面内）（设光轴在入射面内）F第35页，本讲稿共41页光轴光轴 两光不分开，但两光不分开，但速度不同，光的传速度不同，光的传播方向与光轴垂直播方向与光轴垂直.两光不分开，且速两光不分开，且速度相同，光的传播方度相同，光的传播方向为光轴方向向为光轴方向.第36页，本讲稿共41页5.尼科尔棱镜尼科尔棱镜加拿大树胶加拿大树胶方解石方解石晶体晶体第37页，本讲稿共41页光轴光轴n加=1.55n=e1.516n=1.6584on=e1.48641.6584o光发生全反射non加=770临界角，且n加ne因为e光不会发生全反射所以第38页
15、，本讲稿共41页六、偏振光的应用六、偏振光的应用1.光弹性效应光弹性效应F F在机械力作用下产生的双折射现象在机械力作用下产生的双折射现象实验表明：实验表明：k：比例系数，：比例系数，p：压强：压强检偏器起偏器第39页，本讲稿共41页2.克尔效应克尔效应F F在强电场作用下产生的双折射现象在强电场作用下产生的双折射现象实验表明：实验表明：k：克尔系数，：克尔系数，E：电强强度：电强强度检偏器检偏器起偏器起偏器克尔盒克尔盒可制作为可制作为“光开关光开关”电压变化电压变化透过透过P2的光强变化的光强变化第40页，本讲稿共41页3.旋光旋光旋光现象：旋光现象：线偏振光通过某些透明物质时，其线偏振光通过某些透明物质时，其振动面以光传播方向为轴旋转一定的角度振动面以光传播方向为轴旋转一定的角度制糖：糖量计是根据糖溶液的旋光性而设计制糖：糖量计是根据糖溶液的旋光性而设计的一种测定糖溶液浓度的仪器的一种测定糖溶液浓度的仪器振动面的旋转角振动面的旋转角d:旋光物质的厚度旋光物质的厚度a:旋光率旋光率c:旋光物质的浓度旋光物质的浓度第41页，本讲稿共41页