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1、第三章 光的偏振 第1页，本讲稿共38页一一.非偏振光非偏振光(自然光自然光)没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解自然光的表示法：自然光的表示法：1 1 光的偏振状态光的偏振状态在垂直于其传播方向的平面内在垂直于其传播方向的平面内每一个光矢量都每一个光矢量都可以分解为可以分解为x x、y y 方向分量方向分量注意：以上两相互垂直的分振动无固定相位关系注意：以上两相互垂直的分振动无固定相位关系第2页，本讲稿共38页1 1、线偏振光、线偏振光E播播传传方方向向振振动动面面线偏振光的表示法：线偏振光的表示法：光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面垂直光的传播方垂直光的传
2、播方向的平面内向的平面内二二.完全偏振光完全偏振光EEyEx yx 第3页，本讲稿共38页右旋圆右旋圆偏振光偏振光右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光2.2.圆偏振光圆偏振光,椭圆偏振光椭圆偏振光三三.部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光某某一一方方向向振振动动强于其他方向强于其他方向部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法：平行纸面的光振动较强平行纸面的光振动较强垂直纸面的光振动较强垂直纸面的光振动较强 部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光可看成是自然光和线部分偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合偏振光的混合第4页，本讲稿共38页2 2 线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验一一起偏起偏
3、起偏：起偏：从自然光获得偏振光从自然光获得偏振光 起偏器起偏器:起偏的光学器件起偏的光学器件自然光自然光I0线偏振光线偏振光 IP偏振化方向偏振化方向(透振方向透振方向)偏振片的起偏偏振片的起偏:第5页，本讲稿共38页形象说明偏振形象说明偏振片的原理片的原理通光方向通光方向腰横别扁担进不了城门腰横别扁担进不了城门第6页，本讲稿共38页二二.马吕斯定律马吕斯定律(线偏振光入射偏振片线偏振光入射偏振片)I0IPP E0 E=E0cos 马吕斯定律马吕斯定律（18091809）消光消光三三.检偏检偏用偏振器件用偏振器件分析、检验分析、检验光的偏振态光的偏振态旋转一周旋转一周2 2明明2 2暗暗自然光
4、自然光部分偏振光部分偏振光?第7页，本讲稿共38页例例1.三三个个偏偏振振片片 P1、P2与与P3 堆堆叠叠在在一一起起，P1 与与 P3 的的偏偏振振化化方方向向相相互互垂垂直直，P2 与与 P1 的的偏偏振振化化方方向向间间的的夹夹角角为为 3030 。强强度度为为 I0 的的自自然然光光垂垂直直入入射射到到偏偏振振片片 P1，并并依依次次透透过过偏偏振振片片 P1、P2 与与 P3，若若不不考考虑虑偏偏振振片片的的吸吸收收和和反反射射，则则通通过三个偏振片后的光强为：过三个偏振片后的光强为：（A）（B）（C）（D）C第8页，本讲稿共38页例例2.有三个偏振片堆叠在一起，第一块与第三块有三
5、个偏振片堆叠在一起，第一块与第三块的偏振片化方向相互垂直，第二块和第一块的偏的偏振片化方向相互垂直，第二块和第一块的偏振化方向相互平行，然后第二块偏振片以恒定的振化方向相互平行，然后第二块偏振片以恒定的角速度角速度 w w 绕光传播的方向顺时针旋转，如图所绕光传播的方向顺时针旋转，如图所示。设入射自然光的光强为示。设入射自然光的光强为I I。通过这一系统后，。通过这一系统后，出射光的光强为何？出射光的光强为何？第9页，本讲稿共38页第10页，本讲稿共38页例例3.一一束束光光是是自自然然光光和和线线偏偏振振光光的的混混合合光光，让让它它们们垂垂直直通通过过一一偏偏振振片片，若若以以此此入入射射
6、光光束束为为轴轴旋旋转转偏偏振振片片，测测得得透透射射光光强强度度最最大大值值是是最最小小值值的的 5 倍倍，那那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为：么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为：A (A)1/2;(B)1/5;(C)1/3;(D)2/3.第11页，本讲稿共38页3 3 反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振一一.反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振i0 0:起起偏偏角角或或布布儒斯角儒斯角i0+r0=90O 布儒斯特定律布儒斯特定律n1n2i ir自然光反射和折射自然光反射和折射后产生部分偏振光后产生部分偏振光n1n2i0i0r0线偏振光线偏振光起偏振角起偏振角第12页，
7、本讲稿共38页若若 n n1 1 =1.00(=1.00(空气空气)，n n2 2=1.50(=1.50(玻璃玻璃)，则：，则：二二.玻璃片堆起偏玻璃片堆起偏i0 玻璃片堆玻璃片堆(线偏振光线偏振光)(接近线偏振光接近线偏振光)互余互余第13页，本讲稿共38页例例.如如图图所示，一束自然光入射到平玻璃板上，所示，一束自然光入射到平玻璃板上，已知其上表面的反射光已知其上表面的反射光线线1为为完全偏振光。完全偏振光。设设玻玻璃板两璃板两侧侧都是空气，都是空气，标标明各反射、折射光明各反射、折射光线线的偏的偏振情况。振情况。nn0n012第14页，本讲稿共38页例例.请将下列各图中反射光及折射光的偏
8、振态画出请将下列各图中反射光及折射光的偏振态画出来。图中来。图中i i0 0=tg=tg-1 1 n n2 2n n1 1 ii ii0 0 第15页，本讲稿共38页 典典例例将将一一介介质质平平板板放放在在水水中中，板板面面与与水水平平面面的的夹夹角角为为如如图图所所示示，已已知知折折射射率率n n水水=1.3331.333，n n介介质质=1.6811.681，现欲使水面和介质面反射光均为线偏振光，求现欲使水面和介质面反射光均为线偏振光，求=?=?第16页，本讲稿共38页偏振片的应用偏振片的应用v眼镜眼镜、车灯、偏光镜头、车灯、偏光镜头、立体电影立体电影声波是否也有偏振现象？能否利用两片声
9、波偏振片制声波是否也有偏振现象？能否利用两片声波偏振片制作消音装置？为什么？作消音装置？为什么？第17页，本讲稿共38页例：立体电影例：立体电影第18页，本讲稿共38页(1)(1)如何测量不透明介质的折射率？如何测量不透明介质的折射率？思考：思考：(2)(2)在拍摄玻璃窗内的物体时，如在拍摄玻璃窗内的物体时，如何去掉反射光的干扰？何去掉反射光的干扰？拍摄橱窗时拍摄橱窗时 未加偏振片未加偏振片 拍摄橱窗时拍摄橱窗时 已加偏振片已加偏振片 第19页，本讲稿共38页 拍拍摄摄玻璃窗内的物体玻璃窗内的物体时时，用偏振片，用偏振片去掉反射光的干去掉反射光的干扰扰 第20页，本讲稿共38页1.自然光以自然
10、光以 60 的入射角照射到某一透明介的入射角照射到某一透明介质质表面表面时时，反射光反射光为线为线偏振光，偏振光，则则知：知：B （A）折射光）折射光为线为线偏振光偏振光 30 ；（B）折射光）折射光为为部分偏振光，折射角部分偏振光，折射角为为30 ；（C）折射光）折射光为线为线偏振光，折射角不能确定；偏振光，折射角不能确定；（D）折射光）折射光为为部分偏振光，折射角不能确定；部分偏振光，折射角不能确定；第21页，本讲稿共38页2.一束自然光自空气射向一一束自然光自空气射向一块块平板玻璃平板玻璃(如如图图)，设设入射角入射角等于布儒斯特角等于布儒斯特角i0 0，则则在界面在界面 2 的反射光的
11、反射光 B （A）光）光强强为为零；零；（B）是完全偏振光且光矢量的振）是完全偏振光且光矢量的振动动方向垂直于入方向垂直于入射面；射面；（C）是完全偏振光且光矢量的振）是完全偏振光且光矢量的振动动方向平行于入方向平行于入射面；射面；（D）是部分偏振光。）是部分偏振光。第22页，本讲稿共38页3.两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射其上其上时时没有光没有光线线透透过过。当其中一偏振片慢慢。当其中一偏振片慢慢转转动动180 时时透射光透射光强强度度发发生的生的变变化化为为:B （A）光）光强强单调单调增加；增加；（B）光）光强强先增加，后又减小至零；先增加，
12、后又减小至零；（C）光）光强强先增加，后减小，再增加；先增加，后减小，再增加；（D）光）光强强先增加，然后减小，再增加再减小至零。先增加，然后减小，再增加再减小至零。第23页，本讲稿共38页4.一束光一束光强强为为 I0 0 的自然光垂直穿的自然光垂直穿过过两个偏振片，两个偏振片，且此两偏振片的偏振化方向成且此两偏振片的偏振化方向成 45 角，若不考角，若不考虑虑偏振片的反射和吸收，偏振片的反射和吸收，则则穿穿过过两个偏振片后两个偏振片后的光的光强强为为：B （A）（B）（C）（D）第24页，本讲稿共38页5.使一光使一光强强为为I0 0的的线线偏振光先后通偏振光先后通过过两个偏振片两个偏振片
13、P1 1和和P2 2.P1 1和和P2 2的偏振化方向与原入射光光矢量振的偏振化方向与原入射光光矢量振动动方向的方向的夹夹角分角分别别是是a a 和和90 则则通通过这过这两个偏振两个偏振片后的光片后的光强强I是是:C (B)0.(A)(C)(D)(E)第25页，本讲稿共38页6.如图，如图，P1、P2为偏振化方向间夹角为为偏振化方向间夹角为a a的两个偏振片。的两个偏振片。光强为光强为I0的平行自然光垂直入射到的平行自然光垂直入射到P1表面上，则通过表面上，则通过P2的光强的光强I=。若在若在P1、P2之间插入第三个偏振片之间插入第三个偏振片P3，则通过，则通过P2的光强的光强发生了变化。实
14、验发现，以光线为轴旋转发生了变化。实验发现，以光线为轴旋转P2，使其偏振，使其偏振化方向旋转一角度化方向旋转一角度q q后，发生消光现象，从而可以推算后，发生消光现象，从而可以推算出的出的P3偏振化方向与偏振化方向与P1的偏振化方向之间的夹角的偏振化方向之间的夹角a a=。（假设题中所涉及的角均为锐角，且设。（假设题中所涉及的角均为锐角，且设a a a a）II0P1P3P2第26页，本讲稿共38页7.自然光以布儒斯特角由空气入射到一玻璃表面上，自然光以布儒斯特角由空气入射到一玻璃表面上，反射光是反射光是（A）在入射面内振）在入射面内振动动的完全偏振光。的完全偏振光。（B）平行于入射面的振）平
15、行于入射面的振动动占占优势优势的部分偏振光。的部分偏振光。（C）垂直于入射面振）垂直于入射面振动动的完全偏振光。的完全偏振光。（D）垂直于入射面的振）垂直于入射面的振动动占占优势优势的部分偏振光的部分偏振光.C 第27页，本讲稿共38页8.有三个偏振片堆叠在一起，第一有三个偏振片堆叠在一起，第一块块与第三与第三块块的偏振片化方向相互垂直，第二的偏振片化方向相互垂直，第二块块和第一和第一块块的偏振化方向相互平行，然后第二的偏振化方向相互平行，然后第二块块偏振偏振片以恒定的角速度片以恒定的角速度 w 绕绕光光传传播的方向旋播的方向旋转转，如如图图所示。所示。设设入射自然光的光入射自然光的光强强为为
16、。试证试证明：明：此自然光通此自然光通过这过这一系一系统统后，出射光的光后，出射光的光强强为为第28页，本讲稿共38页外腔式激光管外腔式激光管加装加装布儒斯特窗，布儒斯特窗，可使可使 出射光出射光为线为线偏振光偏振光 外腔式激光器的布儒斯特窗外腔式激光器的布儒斯特窗 i0i0激光输出激光输出布儒斯特窗布儒斯特窗M1M2i0i0第29页，本讲稿共38页象象折射折射现现双双折射折射现现方解石晶体方解石晶体CaCO3纸面纸面 双折射现象双折射现象第30页，本讲稿共38页4 4 光在晶体中的双折射（光在晶体中的双折射（了解了解）方解石方解石oee o一一.双折射的概念双折射的概念1.1.双折射双折射n
17、1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光2.2.寻常光和非寻常光寻常光和非寻常光o o光光:遵从折射定律遵从折射定律e e光光:一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律e e光折射线一般不在入射面内。光折射线一般不在入射面内。o o光和光和e e光光都是线偏振光都是线偏振光双折射的本质是双折射的本质是o光和光和e光的折射率不同，传播速度不同光的折射率不同，传播速度不同o o光在入光在入射面内射面内第31页，本讲稿共38页光光光光双双折折射射纸面纸面令方解石晶体绕光线旋转令方解石晶体绕光线旋转第32页，本讲稿共38页光光光光双双折折射射纸面纸面第33页，本讲稿共38页光光
18、光光双双折折射射纸面纸面第34页，本讲稿共38页光光光光双双折折射射纸面纸面第35页，本讲稿共38页3.3.晶体的光轴晶体的光轴当当光光在在晶晶体体内内沿沿某某个个特特殊殊方方向向传传播播时时不不发发生生双双折折射，射，该方向称为晶体的该方向称为晶体的光轴。光轴。例如，方解石晶体例如，方解石晶体(冰洲石冰洲石)AB光轴光轴102 光光轴轴是是一一特特殊殊的的方方向向,凡凡平平行行于此方向的直线均为光轴于此方向的直线均为光轴。单轴晶体：只有一个光轴的晶体单轴晶体：只有一个光轴的晶体双轴晶体：有两个光轴的晶体双轴晶体：有两个光轴的晶体单轴晶体单轴晶体方解石，石英，红宝石方解石，石英，红宝石云母，硫
19、磺，蓝宝石云母，硫磺，蓝宝石第36页，本讲稿共38页vo t光轴光轴光轴光轴ve tvo to光光:e光光:n00，ne称为晶体的主折射率称为晶体的主折射率 根据根据n00，ne的关系可分为正、负晶体的关系可分为正、负晶体4.4.光在单轴晶体内的波面光在单轴晶体内的波面 正晶体正晶体:ne no，如石英如石英负晶体负晶体:ne no，如方解石如方解石第37页，本讲稿共38页5.5.单轴晶体的主平面单轴晶体的主平面主平面主平面：单轴晶体中光的传播方向与晶体光：单轴晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。轴构成的平面。e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面o光光光轴光轴o光的光的主平面主平面振动方向振动方向主平面主平面振动方向振动方向主平面主平面只有光轴在入射面内时，只有光轴在入射面内时，o o、e e光的主平面以及入射光的主平面以及入射面重合在一起面重合在一起第38页，本讲稿共38页