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1、光学第五章第1页，本讲稿共23页光的偏振状态光的偏振状态n波的振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振；n横波才有偏振现象,光波中起作用的是电矢量E,光是电磁波。光的偏振态光的偏振态1.自然光：电矢量E在光传播方向上轴对称分布，且各个方向电矢量的振幅相等的光第2页，本讲稿共23页 2.2.2.2.线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光光矢量只沿一个固定方向振动的光光矢量只沿一个固定方向振动的光光矢量只沿一个固定方向振动的光光矢量只沿一个固定方向振动的光(又称平面偏振光又称平面偏振光又称平面偏振光又称平面偏振光)振动面振动面光矢量光矢量第3页，本讲稿共23页3.3.3.3.部分偏振光部分偏振光部分偏振光
2、部分偏振光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，但振幅不等的光第4页，本讲稿共23页 4 4 4 4.圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光可以证明，椭圆偏振光是由两个同频率而振动方向互相垂可以证明，椭圆偏振光是由两个同频率而振动方向互相垂直的线偏振光所合成的。直的线偏振光所合成的。在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量以一定的频率旋转。矢在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量以一定的频率旋转。矢量端点轨迹为椭
3、圆时称其为椭圆偏振光，轨迹为圆时称其为圆偏振光量端点轨迹为椭圆时称其为椭圆偏振光，轨迹为圆时称其为圆偏振光第5页，本讲稿共23页圆偏振光是由圆偏振光是由振幅相等振幅相等、频率相同、振动方向互相垂直的线偏、频率相同、振动方向互相垂直的线偏振光在其振光在其相位差相位差为为/2/2时所合成的。时所合成的。第6页，本讲稿共23页 起偏与检偏起偏与检偏 马吕斯定律马吕斯定律偏振片：偏振片：偏振片：偏振片：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吸收某方向光振动，而与其垂直方向的光振动能通过
4、的装置透振方向：透振方向：透振方向：透振方向：偏振片上偏振片上偏振片上偏振片上能通过光振动（电矢量振动）的方向能通过光振动（电矢量振动）的方向能通过光振动（电矢量振动）的方向能通过光振动（电矢量振动）的方向第7页，本讲稿共23页自然光通过偏振片后变为线偏振光，称为起偏自然光通过偏振片后变为线偏振光，称为起偏自然光通过偏振片后变为线偏振光，称为起偏自然光通过偏振片后变为线偏振光，称为起偏 利用偏振片检验光线的偏振化程度，称为检偏利用偏振片检验光线的偏振化程度，称为检偏利用偏振片检验光线的偏振化程度，称为检偏利用偏振片检验光线的偏振化程度，称为检偏起偏起偏检偏检偏 强度为强度为强度为强度为 的偏振
5、光，透过检偏器后，透射光的强的偏振光，透过检偏器后，透射光的强的偏振光，透过检偏器后，透射光的强的偏振光，透过检偏器后，透射光的强度为（不考虑吸收）度为（不考虑吸收）度为（不考虑吸收）度为（不考虑吸收）式中式中 是起偏器和检偏器两个偏振化方向间的夹角。是起偏器和检偏器两个偏振化方向间的夹角。马吕斯定律马吕斯定律第8页，本讲稿共23页布儒斯特定律布儒斯特定律布儒斯特定律布儒斯特定律实验表明，当自然光入射到折射率分别为实验表明，当自然光入射到折射率分别为n n1 1和和n n2 2的两种介质（如空的两种介质（如空气和玻璃）的分解面上时，反射光和折射光都是部分偏振光。（见气和玻璃）的分解面上时，反射
6、光和折射光都是部分偏振光。（见下图）下图）以布儒斯特角入射时，反射以布儒斯特角入射时，反射光为线偏振光，折射光为部分光为线偏振光，折射光为部分偏振光。并且：偏振光。并且：布儒斯特定律第9页，本讲稿共23页双折射：同一束入射光经各向异性介质折射后分成两束的现象。遵循折射定律的为寻常光，即o光；违背折射定律的为非常光，即e光。光轴：光轴：光轴：光轴：光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双折射光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双折射光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双折射光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双折射 现象，这现象，这现象，这现象，这一方向称为晶体的光轴一方向称为晶体的光轴一方向称为晶体的光
7、轴一方向称为晶体的光轴单轴晶体双轴晶体主主主主截截截截面面面面：晶晶晶晶体体体体光光光光轴轴轴轴和和和和一一一一条条条条给给给给定定定定光光光光线线线线（o o光光光光或或或或e e光光光光）组组组组成成成成 的的的的平面称为与该光线相对应的晶体的主截面平面称为与该光线相对应的晶体的主截面平面称为与该光线相对应的晶体的主截面平面称为与该光线相对应的晶体的主截面第10页，本讲稿共23页o o光在晶体内的速度是各向同性的光在晶体内的速度是各向同性的光在晶体内的速度是各向同性的光在晶体内的速度是各向同性的,而而而而e e光却是各向异性的光却是各向异性的光却是各向异性的光却是各向异性的o o光：子波波
8、面为球形面光：子波波面为球形面光：子波波面为球形面光：子波波面为球形面.e e光：子波波面为椭球面光：子波波面为椭球面光：子波波面为椭球面光：子波波面为椭球面正晶体正晶体负晶体负晶体 o o光的振动方向垂直其主截面，光的振动方向垂直其主截面，e e光的振动方向在其主截面内。光的振动方向在其主截面内。一般来说，一般来说，O光主截面和光主截面和 e e光主截面并不重合，仅当光轴位于入射光主截面并不重合，仅当光轴位于入射面内时，这两个主截面才严格重合。此时两光的振动方向互相垂直。面内时，这两个主截面才严格重合。此时两光的振动方向互相垂直。第11页，本讲稿共23页偏振器件偏振器件：利用双折射现象，我们
9、可以把晶体制成双折射棱镜，光通过棱镜后，o光和e光分开，从而可以获得线偏振光。可以获得线偏振光。渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜：给出两个振动面相互垂直的偏振光，给出两个振动面相互垂直的偏振光，尼科耳棱镜：尼科耳棱镜：给出一个振动面的偏振光给出一个振动面的偏振光第12页，本讲稿共23页波片波片n波片：光轴平行于晶体表面的晶体薄片，o光和e光沿同一方向传播。n波片n半波片n全波片第13页，本讲稿共23页 偏振光的检验偏振光的检验第一步：让光通过检偏器第一步：让光通过检偏器第一步：让光通过检偏器第一步：让光通过检偏器,并让检偏器绕传播方向旋转一周，则并让检偏器绕传播方向旋转一周，则并让检偏器绕传播方向旋转
10、一周，则并让检偏器绕传播方向旋转一周，则线偏振光线偏振光:两次光强最大两次光强最大,两次为零两次为零部分偏振光和椭圆偏振光部分偏振光和椭圆偏振光：两次光强最大：两次光强最大,两次最小两次最小,但不为零但不为零自然光和圆偏振光自然光和圆偏振光自然光和圆偏振光自然光和圆偏振光：光强始终不变：光强始终不变：光强始终不变：光强始终不变第二步第二步第二步第二步：区别自然光与圆偏振光，区别自然光与圆偏振光，区别自然光与圆偏振光，区别自然光与圆偏振光，部分偏振光与椭圆偏振光部分偏振光与椭圆偏振光部分偏振光与椭圆偏振光部分偏振光与椭圆偏振光第14页，本讲稿共23页经经经经l/4l/4l/4l/4波片波片波片波
11、片后圆偏振光成为线偏振光，转动检偏器，有最大光后圆偏振光成为线偏振光，转动检偏器，有最大光后圆偏振光成为线偏振光，转动检偏器，有最大光后圆偏振光成为线偏振光，转动检偏器，有最大光强和消光的为圆偏振光，没有变化的则为自然光强和消光的为圆偏振光，没有变化的则为自然光强和消光的为圆偏振光，没有变化的则为自然光强和消光的为圆偏振光，没有变化的则为自然光基本方法：在检偏器前加一块基本方法：在检偏器前加一块基本方法：在检偏器前加一块基本方法：在检偏器前加一块l/4l/4l/4l/4波片波片波片波片区别自然光和圆偏振光区别自然光和圆偏振光区别自然光和圆偏振光区别自然光和圆偏振光:检偏器检偏器第15页，本讲稿
12、共23页 区别部分偏振光和椭圆偏振光区别部分偏振光和椭圆偏振光区别部分偏振光和椭圆偏振光区别部分偏振光和椭圆偏振光:将偏振片停留在透射光强最大的位置，在偏振片之前插入将偏振片停留在透射光强最大的位置，在偏振片之前插入l/4l/4波片，波片，波片的光轴方向平行于偏振片的透射方向波片的光轴方向平行于偏振片的透射方向,经经l/4l/4波片后椭圆偏振光变波片后椭圆偏振光变为线偏振光，有最大光强和消光的为椭圆偏振光，没有变化的则为线偏振光，有最大光强和消光的为椭圆偏振光，没有变化的则为部分偏振光为部分偏振光第16页，本讲稿共23页偏振光的干涉偏振光的干涉入射自然光偏振光干涉第17页，本讲稿共23页干涉极
13、大，视场最亮干涉极大，视场最亮干涉极小，视场最暗干涉极小，视场最暗第18页，本讲稿共23页线偏振光来入射，反线偏振光来入射，反射折射态不变。射折射态不变。若以起偏角入射，反若以起偏角入射，反射线射线折射线，平行折射线，平行振动全透射。振动全透射。1 1 在如图所示的各种情况中，以非偏振光和偏振光入射于两种介质的分界面，在如图所示的各种情况中，以非偏振光和偏振光入射于两种介质的分界面，图中图中i i0 0为起偏振角为起偏振角，i i i i0 0 ，试画出折射光线和反射光线并用点和短线表示，试画出折射光线和反射光线并用点和短线表示出它们的偏振状态。出它们的偏振状态。in1n2in1n2i0n1n
14、2i0n1n2i0n1n2解解：反射光线与折射光线如图反射光线与折射光线如图所示。所示。irir无反射光线无反射光线r0i0 r0i0r0第19页，本讲稿共23页 2 2，两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂射其上时没有光线通过两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂射其上时没有光线通过 。当其中一。当其中一偏振片慢慢转动偏振片慢慢转动1801800 0时透射光强度发生的变化为：时透射光强度发生的变化为：（A A）光强单调增加；）光强单调增加；（B B）光强先增加，后又减小至零；）光强先增加，后又减小至零；（C C）光强先增加，后减小，再增加；）光强先增加，后减小，再增加；（D D）光强先增加，然后减小，
15、再增加，再减小至零。）光强先增加，然后减小，再增加，再减小至零。B 分析：分析：无光线通过时，两偏振片透振方向垂直。无光线通过时，两偏振片透振方向垂直。在其一转动在其一转动1800过程中，二过程中，二透振方向由垂直透振方向由垂直先转到平行，又先转到平行，又转到垂直。转到垂直。I0 P1I0/2P2无无光线光线通过通过光强先增加，后又减小至零。光强先增加，后又减小至零。第20页，本讲稿共23页 3 3，一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。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若以此入射光束为轴旋转偏
16、振片，测得透射光强度最大值是最小值的 5 5 倍，那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为倍，那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为 ：（A A）1/2;1/2;（B B）1/5;1/5;（C C）1/3;1/3;（D D）2/3 2/3。A 分析分析：则则设自然光和线偏振光的强度分别为设自然光和线偏振光的强度分别为I10和和I20，I10 I1=I10/2P I2min=0I20 I2max=I20由已知由已知即即解得解得第21页，本讲稿共23页4 4 一束自然光自空气射向一块平板玻璃，设入射角等于和布儒斯特角一束自然光自空气射向一块平板玻璃，设入射角等于和布儒斯特角i i0 0，则在
17、界面则在界面2 2的反射光的反射光 （A A）是自然光；）是自然光；（B B）是完全偏振光且光矢量振动方向垂直于入射面；）是完全偏振光且光矢量振动方向垂直于入射面；（C C）是完全偏振光且光矢量振动方向平行于入射面；）是完全偏振光且光矢量振动方向平行于入射面；（D D）是部分偏振光。）是部分偏振光。r0为界面为界面2的布儒斯特角。的布儒斯特角。分析分析：对界面对界面 1对界面对界面2，入射角为，入射角为r0，折，折射角为射角为i0，则：，则：r0i0r0i0n1n2i0r012n1sini0=n2sinr0即即n1cos r0=n2sin r0所以所以 B 第22页，本讲稿共23页男孩于是决心打出他最后一张牌，他想了想，问女孩下面这个问题：“如果你有个哥哥的话，你觉得他会喜欢吃土豆煎饼吗？”初次约会 一个男孩即将去赴他的人生第一次约会，非常紧张，不知道到时候应该说些什么，于是向他的老爸讨教。老爸说：“我的儿子，有三个话题适用于此类场合：食物、家庭和哲学。”男孩去赴约会了，他们来到一家冰品店，一人要了一杯冰激淋。很长一段时间两人谁都没讲话，男孩觉得越来越紧张。最后他想起了老爸的忠告。他问女孩：“你喜欢吃土豆煎饼吗？”她回答：“不！”然后是一阵沉默。数分钟后，男孩尝试了第二个话题：“你有哥哥吗？”女孩回答：“没有。”又是一阵沉默。第23页，本讲稿共23页