大学物理光的偏振

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1、 光 的 偏 振所 谓 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 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 。E对 确 定 的 传 播 方 向 ， 光 矢 量 可 能的 方 向 并 不 唯 一 。 光 矢 量 传 播 方 向 光 矢 量振 动 方 向 光 的 偏 振 本 章 主 要 内 容光 的 偏 振 状 态 线 偏 振 光 的 获 得 与 检 验反 射 和 折 射 时 光 的 偏 振 光 矢 量 的 振 动 状 态 。 （ 振 动

2、方 向 及 其 角 分 布 ） 非 偏 振 光 光 矢 量 角 分 布 均 匀 在 垂 直 于 传 播 方 向 的 平 面 上 ， 沿 各 方 向 振 动 光 矢 量 都有 ， 分 布 均 匀 ， 具 有 轴 对 称 性 ， 而 且 振 幅 相 等 、 没 有 固 定 的 相 位 关 系 。 非 偏 振 光完 全 偏 振 光部 分 偏 振 光通 常 光 有 三 类 不 同 的 偏 振 态 ： 2021/6/16 各 原 子 发 出 的 波 列 是 随 机 的 (振 动 方 向 、 初 相 、 频 率 )，由 于 我 们 的 观 察 时 间 一 般 比 原 子 每 次 的 发 光 时 间 （ 1

3、0-8） 长得 多 。 因 此 在 观 测 时 间 内 ， 实 际 接 收 到 的 是 大 量 的 波 列 ， 各方 向 都 有 ， 呈 轴 对 称 性 。普 通 光 源 发 出 的 光 都 是 非 偏 振 光 。光 矢 量 角 分 布 均 匀 自 然 光 示 意 图所 有 光 矢 量 的 强 度 在 任 意 两 个 垂 直 的 方 向上 的 分 量 之 和 相 等 。 即 ， 自 然 光 可 用 两 个 垂 直的 振 幅 相 等 的 光 振 动 （ 无 相 位关 系 ） 来 表 示 。 光 矢 量 投 影)21( 自 然 光III yx 2021/6/16 完 全 偏 振 光 光 矢 量 有

4、 单一 的 振 动 方 向 线 偏 振 光 示 意 图偏 振 面 在 垂 直 于 传 播 方 向 的 平 面 上 ， 光 矢量 E 只 沿 一 个 固 定 的 方 向 振 动 ,这 种光 叫 线 偏 振 光 . 2021/6/16 和 yz xyzEO光 矢 量 均 匀 转 动（ 以 光 的 频 率 ） 轨 迹 为 椭 圆 或 圆 实 际 为 相 差 为 /2 两 垂直 方 向 线 偏 振 光 的 合 成.分椭 圆 偏 振 光 : 光 矢 量 E 在 沿 着 光 的传 播 方 向 前 进 的 同 时 ,还 绕 着 传 播 方向 均 匀 转 动 .如 果 光 矢 量 的 大 小 不 断改 变 (

5、不 变 ), 使 其 端 点 描 绘 出 一 个椭 圆 (圆 ).2021/6/16 partial polarized light 光 矢 量 振 动 方向 的 角 分 布 不 均 匀 部 分 偏 振 光 示 意 图光 矢 量 投 影自 然 光 经 反 射 或 折 射 后 得 到 的 光 多 为 部 分 偏 振 光 。 见 24-3部 分 偏 振 光 可 视为 自 然 光 与 线 偏 振 光的 叠 加 。= +2021/6/16 1. 线 偏 振 光 的 获 得 与 检 验光 矢 量 能 够 通 过 的 那 个 振 动 方 向 称 为 或 。 线 偏 振 光 的 获 得自 然 光 通 过 偏

6、 振 片 可 以 获 得 线 偏 振 光 。 偏 振 片 用 于 获 得 线 偏 振 光 时 称 为 。 二 向 色 性 的 有 机 晶 体 ， 如 硫 酸 碘 奎 宁 、 电 气 石 或 聚 乙 烯 醇 薄 膜 在碘 溶 液 中 浸 泡 后 ， 在 高 温 下 拉 伸 、 烘 干 ， 然 后 粘 在 两 个 玻 璃 片 之 间 就形 成 了 偏 振 片 。 自 然 光 I0线 偏 振 光 I=I0/2自 然 光 I0 线 偏 振 光I=I0/2 线 偏 振 光I I能 够 吸 收 一 个 方 向 的 光 矢 量 而 让 另 一 个 与 其 垂 直 的 光 矢 量 通 过 ， 从 而 获 得

7、线 偏 振 光 的 器 件 。2021/6/16 偏 振 片 用 于 检 验 偏 振 状 态 时 称 为 。 线 偏 振 光 的 检 验转 动 用 于 检 验 的 偏 振 片 观 察 透 射 光 。 当 其 与入 射 的 线 偏 振 光 振 动 方 向 垂 直 时 ， 透 射 光 强 为 零 ， 即 出 现现 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 自 然 光 或 者 部 分 偏 振 光 ， 转 动检 偏 器 一 周 ， 透 射 光 又 如 何 ？1P 2P P2 旋 转 一

8、周 ,光 强出 现 两 次 最 强 ,两次 消 光 .2021/6/16 2. 马 吕 斯 定 律 0A A 2P1P 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 ？ cos0AA设 入 射 偏 振 光 (I0)光 矢 量 的 振 幅为 ， 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 1809年 实 验20 cosII 相 应 的 光 强 关 系 为1P 2P0I ?I自 然 光I2021/6/16 例

9、 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 P2的 光 强 。解 ： 透 过 第 一 块 偏 振 片 的 光 强 为2 01 II 透 过 第 三 块 偏 振 片 的 光 强 为 20212 cos2cos III 透 过 第 二 块 偏 振 片 的 光 强 为 2sin8cossin22cos 20220223 IIII P1 P3 P2 自

10、然 光 可 以 用 两 个 相 互 垂直 的 振 幅 相 等 的 光 振 动(线 偏 振 光 )来 表 示 .2021/6/16 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 ：r00 ii 1n2nii r一 般 情 况 下 ， 反 射 光 和 折 射 光 都 是 部 分 偏 振 光 。 （ 湖 光 ）当 为 特 定 角 时 ， 反 射 光 为 线 偏 振 光 ， 且 光 矢 量 垂 直于 入 射 面 （ 折 射 光 仍 为 部 分 偏 振 光 ） ， 该

11、特 定 角 满 足 0 ii 0i120tan nni 1812年 实 验 中 得 到 ， 称 为 。 120 tan nni r00 ii 1n2n 的 等 价 条 件 为 ：120tan nni ， 即 。20 ri rinniii sinsincossintan 012000 2 sincos 00 riri光 的 电 磁 理 论 建 立 后 ， 布 儒 斯 特 定 律 可 以 从 该 理 论 推 导 出 来 ： 设 垂 直 于 入 射 面 的 光 矢 量 称 为 s 光 ； 平 行 于 入 射 面的 光 矢 量 称 为 p 光 。 理 论 上 导 出 s 光 和 p 光 的 能 量 分

12、别 为 )(tan )(tan , )(sin )(sin 2222 ri riRri riR ps )(tan )(tan , )(sin )(sin 2222 ri riRri riR ps 当 时 ， ， 即 反 射 光 的 p 光 强 度为 零 ， 反 射 光 只 有 s 光 ， 为 线 偏 振 光 。 折 射 光 中 也 包 含 s 光（ 因 Rs 1） ， 故 折 射 光 为 部 分 偏 振 光 。2ri 0 , 0 sp RR %4%15%100 5.10.121 nn sR pR 90 8156 0 （ 空 气 ）（ 玻 璃 ）r00 ii 0.11 n 5.12 n s %1

13、5 ps %100 %85 由 一 块 玻 璃 片 得 到的 线 偏 振 光 是 很 微 弱 的 ， 为了 获 得 足 够 强 的 线 偏 振 光 ，应 用 玻 璃 片 堆 。 玻 璃 片 堆反 射 光 和 折 射 光 的 偏 振 性 的 应 用 ： 海 面 上 的 强 烈 反 射 光 是 部 分 偏 振 光 （ 垂 直 入 射 面 的 振动 较 强 ） 或 者 线 偏 振 光 （ 振 动 方 向 垂 直 于 入 射 面 ） ， 这 使 得照 相 机 所 拍 摄 的 景 物 不 清 楚 ， 在 镜 头 上 加 一 个 偏 光 镜 （ 偏 振片 ） 来 消 除 它 。 2021/6/16 （ C

14、）用 偏 光 镜 消 除反 射 偏 振 光 ，使 玻 璃 门 内 的人 物 清 晰 可 见（ A）玻 璃 门 表 面 的反 光 很 强 （ B）用 偏 光 镜 减 弱反 射 偏 振 光2021/6/16 例 1： 一 束 自 然 光 从 空 气 射 向 一 块 平 板 玻 璃 ， 设 入 射 角 等 于 布儒 斯 特 角 ， 则 在 界 面 2的 反 射 光 为 （ ）A)自 然 光B) 线 偏 振 光 且 光 矢 量 的 振 动 方 向 垂 直 于 入 射 面C)线 偏 振 光 且 光 矢 量 的 振 动 方 向 平 行 于 入 射 面D) 部 分 偏 振 光 B 12 2021/6/16 若 有 不 当 之 处 ， 请 指 正 ， 谢 谢 ！