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1、第十五章第十五章 光的偏振光的偏振Polarization of Light迪士尼的立体电影迪士尼的立体电影 对横波而言，波的振动方向对传播方向不具有对对横波而言，波的振动方向对传播方向不具有对称性。这种不对称性称之为称性。这种不对称性称之为偏振偏振。15.1 15.1 光的偏振光的偏振 马吕斯定律马吕斯定律Polarization of Light Malus law 一、偏振光、自然光、部分偏振光一、偏振光、自然光、部分偏振光1.偏振光偏振光电矢量电矢量E只限于垂直于传播方向的某只限于垂直于传播方向的某一确定平面内的光。（线偏振光）一确定平面内的光。（线偏振光）ZXYZXY表示：表示：或或
2、表示：表示：平行于板面振动平行于板面振动垂直于板面振动垂直于板面振动振动面振动面-电矢量所构成的平面称为偏振光的振动面。电矢量所构成的平面称为偏振光的振动面。XY表示：表示：在垂直于传播方向的两正交方向上，光矢在垂直于传播方向的两正交方向上，光矢量的平均值相等。量的平均值相等。结论：自然光的横波性被发光结论：自然光的横波性被发光 的随机性所破坏或掩盖。的随机性所破坏或掩盖。2.2.自然光自然光普通光源发光的特点：普通光源发光的特点：1）一个原子发出的某个波列的光是平面偏振光；一个原子发出的某个波列的光是平面偏振光；2）大量原子所发出的光的振动面是随机的，）大量原子所发出的光的振动面是随机的，且
3、各个方向的几率相同。且各个方向的几率相同。表示：表示：3.部分偏振光部分偏振光光矢量的平均值在某一方向上强，与之垂直光矢量的平均值在某一方向上强，与之垂直的另一方向上相对较弱。的另一方向上相对较弱。平行于板面的光振动强平行于板面的光振动强垂直于板面的光振动弱。垂直于板面的光振动弱。垂直于板面的光振动强垂直于板面的光振动强平行于板面的光振动弱。平行于板面的光振动弱。偏振度（了解）偏振度（了解）若一偏振光，光强最强的方向的光强的平均值若一偏振光，光强最强的方向的光强的平均值为为Imax，与之垂直方向的光强平均值为与之垂直方向的光强平均值为Imin，则：则：偏振度：偏振度：讨论：讨论：完全偏振光完全
4、偏振光部分偏振光部分偏振光自然光自然光XY二、二、偏振片的起偏与检偏偏振片的起偏与检偏1.1.偏振片偏振片透明玻璃片透明玻璃片硫酸金鸡纳硷或电气石硫酸金鸡纳硷或电气石等材料的簿膜等材料的簿膜自然光自然光偏振光偏振光偏振化方向偏振化方向具有竖直偏振方向具有竖直偏振方向的偏振膜。吸收了的偏振膜。吸收了水平方向的光振动水平方向的光振动2.2.偏振片的用途偏振片的用途A）起偏振器起偏振器I0I0/2B）检偏振器检偏振器偏振光偏振光变暗变暗自然光自然光不变暗不变暗I0I0/2I0/2I0自然光自然光I0/2I0/2起偏起偏-从自然光获得偏振光从自然光获得偏振光检偏检偏-检查某束光是否是偏振光；检查某束光
5、是否是偏振光；三、马吕斯定律三、马吕斯定律P1 若若P1 P2的偏振化方向间的夹角不是的偏振化方向间的夹角不是0，也不，也不是是90度，则出射的光强为多少？度，则出射的光强为多少？垂直方向的分量被偏振片吸收，故出射的光强垂直方向的分量被偏振片吸收，故出射的光强：或：或：自然光自然光I0I0变暗变暗E E/P2马吕斯定律：强度为马吕斯定律：强度为I0的偏振光透过检偏振片后的偏振光透过检偏振片后 强度变为强度变为I=I0cos2。（为入射的偏振光的振动方向与偏振片偏振化方为入射的偏振光的振动方向与偏振片偏振化方向间的夹角。）向间的夹角。）E E/I=I0cos2 I0P1P2例：例：一束自然光，光
6、强度为一束自然光，光强度为I0，让其出射两个偏振让其出射两个偏振 片，两个偏片，两个偏振片之间的夹角为振片之间的夹角为450，求从第二，求从第二 个偏振片出射的偏振光强度。个偏振片出射的偏振光强度。解：解：I0自然光自然光I0/215.2 15.2 反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振 布儒斯特定律布儒斯特定律一、反射和折射光中的偏振现象一、反射和折射光中的偏振现象1.反射光中垂直入射面反射光中垂直入射面 的振动强；的振动强；2.折射光中平行于入射折射光中平行于入射 面的振动强；面的振动强；3.反射光、折射光偏振反射光、折射光偏振 化的程度随入射角化的程度随入射角 的不同而不同。的不同而不同。
7、n2n1 Polarization of reflection and refraction.Brewsters law二、布儒斯特定律（二、布儒斯特定律（18151815年）年）当入射角当入射角 等于一特定角等于一特定角 时，时，反射光只有反射光只有垂直于入射面的振动，无平行于入射面的振动。垂直于入射面的振动，无平行于入射面的振动。反射光为全偏振光反射光为全偏振光折射光为部分偏振光；折射光为部分偏振光；反射光与折射光反射光与折射光 互相垂直。互相垂直。n2n1 为布儒斯特角；为布儒斯特角；解决办法：多次反射解决办法：多次反射 和折射。和折射。玻璃堆：玻璃堆：问题：问题：1）反射光强一般）反射
8、光强一般 较小；较小；2）折射光仍为部）折射光仍为部 分偏振光。分偏振光。n2n1通过反射与折射获得偏振光通过反射与折射获得偏振光n1n2n1n2入射角为布儒斯特角时：入射角为布儒斯特角时：由布儒斯特定律：由布儒斯特定律：即：即：当光从折射率为当光从折射率为n2的介质入射到折射率为的介质入射到折射率为n1的介质时，反射光仍为偏振光。的介质时，反射光仍为偏振光。15.3 15.3 双折射双折射 Birefringence一、双折射现象一、双折射现象自然光自然光O光光e光光双折射双折射双折射双折射双折射双折射方解石方解石双折射现象双折射现象-同一束光线通过折射后同一束光线通过折射后 分为两束的现象
9、分为两束的现象二、寻常光和非寻常光（二、寻常光和非寻常光（16871687年惠更斯研究）年惠更斯研究）1）两束光均是偏振光，一束叫寻常光（）两束光均是偏振光，一束叫寻常光（O光）光）一束叫非常光（一束叫非常光（e光）光）2）O光遵守折射定律，光遵守折射定律，而而e光不遵守所知的折射定律。光不遵守所知的折射定律。O光光e光光（与入射角有关与入射角有关 且不为定值）且不为定值）对对O光：光：对对e光：光：（与入射角无关与入射角无关 且为定值）且为定值）e光在晶体中传播光在晶体中传播光速是一变化值。光速是一变化值。为什么？为什么？自然光自然光方解石方解石caco3三、晶体的光轴、主截面、主平面三、晶
10、体的光轴、主截面、主平面101.9101.9101.91.光轴光轴-当光在晶体中传播时，不发生双折射当光在晶体中传播时，不发生双折射 的方向。的方向。光轴光轴对方解石而言：光轴是从对方解石而言：光轴是从101.9 纯角引直线，使之和它各边纯角引直线，使之和它各边 成等角的直线（成等角的直线（OO）注意：注意：光轴仅代表一个方向，光轴仅代表一个方向，与与OO平行的线都是光轴。平行的线都是光轴。有两个光轴的晶体称双晶体（云母、硫磺等）有两个光轴的晶体称双晶体（云母、硫磺等）仅有一个光轴的晶体称单晶体仅有一个光轴的晶体称单晶体（如方解石（如方解石(caco3)、石英）石英）78.1078.10101
11、.90光轴光轴2.2.主截面主截面-晶面法线与光轴组成的平面晶面法线与光轴组成的平面3.主平面主平面-光轴和晶体内光轴和晶体内 任一条光线组成的平面。任一条光线组成的平面。O光与光与e光都有各自的主平面。光都有各自的主平面。注意：注意：101.978.1101.9且且o光：是振动面垂直于主平面的偏振光；光：是振动面垂直于主平面的偏振光；e光：是振动面平行于主平面的偏振光；光：是振动面平行于主平面的偏振光；在晶体内一个点波在晶体内一个点波源发光的波阵面：源发光的波阵面：光轴光轴正晶体正晶体(石英）石英）负晶体负晶体(方解石）方解石）o光光e光光光轴光轴4.4.正晶体与负晶体正晶体与负晶体AABC
12、C四、偏振棱镜四、偏振棱镜自然光自然光光轴光轴6871尼科尔棱镜（尼科尔棱镜（WNicol 1928年）年）no=1.658ne=1.486o光光e光光n阿拉伯阿拉伯=1.550O光以光以76入射到阿拉伯树胶，产生入射到阿拉伯树胶，产生全反射。全反射。76e光出射成为偏振光光出射成为偏振光AC方解石方解石ADCB五、偏振光的应用五、偏振光的应用汽车车灯与窗玻璃用同一偏振化方向的透明膜汽车车灯与窗玻璃用同一偏振化方向的透明膜1、防止对面来的灯光耀眼、防止对面来的灯光耀眼2、放立体电影、放立体电影原理：利用人眼的双眼效应原理：利用人眼的双眼效应双眼睁开双眼睁开一只眼睁开，一只眼睁开，一只眼关闭一只
13、眼关闭拍摄：拍摄：立体电影原理：立体电影原理：3.偏振光的干涉偏振光的干涉-通过干涉条纹了解应力分布通过干涉条纹了解应力分布 -光弹性力学光弹性力学4.克尔效应克尔效应-透明的非晶体在外电场的作透明的非晶体在外电场的作 用下，分子定向排列，变成各向异性，从用下，分子定向排列，变成各向异性，从 而产生双折射现象。而产生双折射现象。可作继电器，广泛用于高速摄影、激光通讯等可作继电器，广泛用于高速摄影、激光通讯等5.旋光效应旋光效应用惠更斯原理解释双折射现象用惠更斯原理解释双折射现象先明确一个概念：在各向同性的介质中，先明确一个概念：在各向同性的介质中，波面法线与光线的方向一致，即光线与波面垂直波面
14、法线与光线的方向一致，即光线与波面垂直光线是能量传播的方向。光线是能量传播的方向。但在各向异性介质中，但在各向异性介质中，光线只是能量传播的方向。波面法线并不一定是光线只是能量传播的方向。波面法线并不一定是光传播的方向了。如晶体中光传播的方向了。如晶体中e光传播的方向就不光传播的方向就不一定与波阵面垂直，光传播的方向要看能量传播一定与波阵面垂直，光传播的方向要看能量传播的方向。的方向。o光光e光光晶体晶体光轴光轴光轴光轴（负晶体）（负晶体）1）入射面与主截面平行的情况）入射面与主截面平行的情况A）光轴与晶体表面有一夹角（斜入射）光轴与晶体表面有一夹角（斜入射）（负晶体）（负晶体）1）入射面与主
15、截面平行的情况）入射面与主截面平行的情况B）光轴与晶体表面有一夹角（正入射）光轴与晶体表面有一夹角（正入射）自然光自然光光轴光轴（负晶体）（负晶体）C）光轴与晶体表面平行（正入射）光轴与晶体表面平行（正入射）自自然然光光o光光e光光光轴光轴O e二光通过厚度二光通过厚度d的光程差：的光程差：四分之一波片四分之一波片二分之一波片（半波片）二分之一波片（半波片）结论：结论：有双折射。有双折射。自自然然光光o光光e光光光轴光轴（负晶体）（负晶体）D）光轴与晶体表面垂直（正入射）光轴与晶体表面垂直（正入射）A A）光轴与晶体表面平行（斜入射）光轴与晶体表面平行（斜入射）（负晶体）（负晶体）2 2）入射面与主截面垂直的情况）入射面与主截面垂直的情况o光光e光光光轴光轴自然光自然光负晶体负晶体o光光e光光光轴光轴朝左看朝左看看到了！看到了！光轴光轴A）光轴与晶体表面平行（斜入射）光轴与晶体表面平行（斜入射）（负晶体）（负晶体）2）入射面与主截面垂直的情况）入射面与主截面垂直的情况光光轴轴光轴光轴o光光e光光O光光e光光2）渥氏棱镜（）渥氏棱镜（Wouaston）光轴光轴o光光e光光O光、光、e光是相对主截面而言的光是相对主截面而言的O光垂直主截面，光垂直主截面，e光平行主截面光平行主截面O、e二光通过晶体二光通过晶体后被分得很开，从后被分得很开，从而获得偏振光。而获得偏振光。