第三章光的偏振 §1光的偏振状态 光的偏振证明了光的横波性 线偏振光 光矢量只在一个固定平面内沿个固定方向振动的光叫线偏振光(平面 偏振光) 方 向 传 E 迎着光的传播方向看 振动面 线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解。 EE =Ecosa 依赖于x,y E=Esin a 方向的选取 E ▲线偏振光的表示法 +++ 光振动垂直板面 光振动平行板面 自然光
1 第三章 光的偏振 §1 光的偏振状态 光的偏振证明了光的横波性。 一.线偏振光 光矢量只在一个固定平面内沿一个固定方向振动的光叫线偏振光（平面 偏振光）。 线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解。 = = sin cos E E E E y x ▲线偏振光的表示法： 二.自然光 · 迎着光的传播方向看 E Ey Ex y x ··· · · 光振动垂直板面 光振动平行板面 依赖于 x , y 方向的选取 E 传 播 方 向 振 动 面 t
普通光源各原子发光是独立的,每个波列的振幅、相位和振动方向都是 随机的,它们对其传播方向形成轴对称分布。这种大量的、平均振幅相同、 振动方向任意、彼此没有固定相位关系的光振动的组合叫自然光 没有优势方向 自然光的分解 自然光可分解为两个振动方向相互垂直、振幅相等、无固定相位差 的振动。即一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直、等振幅、不相干的 线偏振光 自然光沿x、y方向分解后,其Ex和E无固定关系,它们是彼 此独立的振动: 与x,y方向选择无关 总光强I=1,+I,一非相干叠加 2 ▲自然光的表示法: 三部分偏振光( partially polarized light) 彼此无固定相位关系、振动方向任意、不同方向上振幅不同的 大量光振动的组合称部分偏振光
2 普通光源各原子发光是独立的，每个波列的振幅、相位和振动方向都是 随机的，它们对其传播方向形成轴对称分布。这种大量的、平均振幅相同、 振动方向任意、彼此没有固定相位关系的光振动的组合叫自然光。 自然光可分解为两个振动方向相互垂直、振幅相等、无固定相位差 的振动。即一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直、等振幅、不相干的 线偏振光。 自然光沿 x、y 方向分解后，其 Ex 和 Ey 无固定关系，它们是彼 此独立的振动： Ex = Ey ─与 x，y 方向选择无关 总光强 x y I = I + I ─非相干叠加 2 I I I x = y = ▲自然光的表示法： 三.部分偏振光（partially polarized light） 彼此无固定相位关系、振动方向任意、不同方向上振幅不同的 大量光振动的组合称部分偏振光。 · · · 没有优势方向 自然光的分解
部分偏振光 部分偏振光的分解 部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直、不等幅、不相干 的线偏振光。 ▲部分偏振光的表示法 平行板面的光振动较强 垂直板面的光振动较强 四圆偏振光和郴圆倫光 光矢量按一定频率在垂直传播方向的平面内旋转(左旋或右 旋),其矢端轨迹是圆的称圆偏振光;其矢端轨迹是椭圆的称椭圆偏 振光。 右旋圆 右旋椭圆 偏振光 偏振光 规定:迎着光线看,若 光矢量顺时转,称右蒇圆(欄圆)偏振光
3 部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直、不等幅、不相干 的线偏振光。 ▲部分偏振光的表示法： 四.圆偏振光和椭圆偏振光 光矢量按一定频率在垂直传播方向的平面内旋转（左旋或右 旋），其矢端轨迹是圆的称圆偏振光；其矢端轨迹是椭圆的称椭圆偏 振光。 规定：迎着光线看，若 光矢量顺时针转，称右旋圆（椭圆）偏振光； · · ·· ·· ·· 平行板面的光振动较强 垂直板面的光振动较强 右旋圆 偏振光 右旋椭圆 偏振光 部分偏振光 部分偏振光的分解
光矢量时转,称左旋圆(欄圆)偏振光。 J 传播方向 x /2 某时刻右旋圆偏振光E随z的变化 模型圆和椭圆偏振光 线、圆和椭圆偏振光均称为完全偏振光。它们都可看成是两个频 率相同、传播方向一致、振动方向相互垂直、相位差为某个确定值的 线偏振光的合成。 自然光也称为非偏振光。部分偏振光可看作是自然光和完全偏振 光的叠加。 以上五种光的振动状态称为光的五种偏振态 §2偏振片的起偏和检偏,马吕斯定律 一起偏 ▲起偏:从自然光获得偏振光。 ▲起偏器:起偏的光学器件。 ▲起偏的原理:利用某种光学的不对称性,如:二向色性、反射和折 射、散射、双折射…产生偏振光 ▲偏振片:由自然光获得线偏振光的平面片状器件,用P表示
4 光矢量逆时针转，称左旋圆（椭圆）偏振光。 模型 圆和椭圆偏振光 线、圆和椭圆偏振光均称为完全偏振光。它们都可看成是两个频 率相同、传播方向一致、振动方向相互垂直、相位差为某个确定值的 线偏振光的合成。 自然光也称为非偏振光。部分偏振光可看作是自然光和完全偏振 光的叠加。 以上五种光的振动状态称为光的五种偏振态 §2 偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律 一.起偏 ▲起偏：从自然光获得偏振光。 ▲起偏器：起偏的光学器件。 ▲起偏的原理：利用某种光学的不对称性，如：二向色性、反射和折 射、散射、双折射…产生偏振光。 ▲偏振片：由自然光获得线偏振光的平面片状器件，用 P 表示。 0 y y x z 传播方向 / 2 x 某时刻右旋圆偏振光 E 随 z 的变化 E
微晶型:利用晶体的二向色性(对某一方向的光振动有强烈 吸收)起偏,如把硫酸碘奎宁的针状粉末定向排在透明的基片上。 分子型:利用导电线栅的原理起偏,如把富含自由电子的碘附在 拉伸的塑料薄膜上。 ▲偏振片的起偏:出射光强Ⅰ=10 马吕斯定律 线偏振光通过偏振片P前后的光强关系: E P +++72 E=Eocosa J∞E2,Ⅰ∝E2=E2cos2a I=l0c0s2a|马吕斯定律(1809 max 0 a=-,I=0—消光 2
5 ·微晶型：利用晶体的二向色性（对某一方向的光振动有强烈 吸收）起偏，如把硫酸碘奎宁的针状粉末定向排在透明的基片上。 ·分子型：利用导电线栅的原理起偏，如把富含自由电子的碘附在 拉伸的塑料薄膜上。 ▲偏振片的起偏： 出射光强 0 2 1 I = I 二.马吕斯定律 线偏振光通过偏振片P 前后的光强关系： 2 2 0 2 2 0 0 cos I E ，I E = E 2 0 I = I cos ──马吕斯定律（1809） 0 max 0 = ，I = I = I 0 2 = ，I = ──消光 I0 I P P E0 E=E0cosα
三检偏 检偏:用偏振器件分析、检验光的偏桭态。 偏振片既可“起偏”又可“检偏” 设入射光可能是自然光、线偏振光或由线偏振光与自然光混合而 成的部分偏振光,用偏振片来区分它们,如图示。 待检光 思考以光线为轴转动P 若Ⅰ不变一待检光是什么光? 若I变,有消光一待检光是什么光? 若变,无消光一待检光是什么光? §3反射和折射光的偏振 反射和折射时光的偏振 自然光在介质表面反射、折射时,偏振度要发生变化 线偏振光
6 三.检偏 检偏：用偏振器件分析、检验光的偏振态。 偏振片既可“起偏”又可“检偏”。 设入射光可能是自然光、线偏振光或由线偏振光与自然光混合而 成的部分偏振光，用偏振片来区分它们，如图示。 思考 以光线为轴转动 P, ·若 I 不变─待检光是什么光？ ·若 I 变，有消光─待检光是什么光？ ·若 I 变，无消光─待检光是什么光？ §3 反射和折射光的偏振 一.反射和折射时光的偏振 自然光在介质表面反射、折射时，偏振度要发生变化。 I ? P 待检光 · · 自然光反射和折射 · · · · · · · · n1 n2 i i r · · n1 ·S · · · · · · · n2 i0 i0 r0 线偏振光 · ·
反射光垂直入射面的分量(S分量)比例大, 折射光平行入射面的分量P分量)比例大, 入射角i变→反射、折射光的偏振度也变。 i=i0时,反射光只有S分量。 i0—布儒斯特角 或起偏角 此时 0+/0=900 由折射定律n1Sinl=n2Sin0 又 SIn o=cos lo 有gi= n21布儒斯特定律1812年 若m1=1.00(空气),m2=1.50(玻璃),则: 1.50 空气→玻璃i0=t 1.00=56°18 互余 玻璃→空气in=tg 1.00 =33°42 5 玻璃片堆起偏和检偏 1起偏 由光的电磁理论可知,当i=i时,反射光光强I与入射自然光光 强l之比为
7 反射光垂直入射面的分量(S 分量)比例大， 折射光平行入射面的分量(P 分量)比例大， 入射角 i 变反射、折射光的偏振度也变。 i = i0时，反射光只有 S 分量。 i 0 ─ 布儒斯特角 或 起偏角 此时 i0 +r0 = 90O ， 由折射定律 1 0 2 0 n sin i = n sin r 又 0 0 sin r = cosi 有 21 1 2 0 tg n n n i = = ─布儒斯特定律(1812年) 若 n1=1.00 (空气)，n2=1.50 (玻璃)，则： 互余 玻璃→空气 空气→玻璃 = = = = − − 33 42 1.50 1.00 tg 56 18 1.00 1.50 tg 1 0 1 0 i i 二.玻璃片堆起偏和检偏 1.起偏 由光的电磁理论可知，当 i = i0时，反射光光强 I 与入射自然光光 强 I0之比为
2 sin(io-ro) 自然光从空气→玻璃(m2=150),可算得≈7%。要提高反射 0 线偏振光的强度,可利用玻璃片堆的多次反射 线偏振光 么Ⅳ7/z 玻璃 片堆 接近线偏振光 2.检偏 让待检光以布儒則特角而入射到界面上,以入射线为轴旋转界面(侏持i= i不变) 若反射光光强不变→入射光是自然光; 若反射光光强变且有消光 入射光是线偏振光;
8 sin ( ) 2 1 0 0 2 0 i r I I = − 自然光从空气→玻璃(n2 =1.50)，可算得 7 % 0 I I 。要提高反射 线偏振光的强度，可利用玻璃片堆的多次反射。 2.检偏 让待检光以布儒斯特角i0入射到界面上，以入射线为轴旋转界面（保持i= i0不变）， ·若反射光光强不变 入射光是自然光； ·若反射光光强变且有消光 入射光是线偏振光； · · · · · · i0 ·· ·· ·· 接近线偏振光 ·· ·· ·· · · · · · · · · · · · · 玻璃 片堆 线偏振光
·若反射光光强变且无消光 →入射光是部分偏振光 §4光在晶体中的传播,双折射 晶体内原子按一定规律排列,使晶体在不同方向上结构不同、性 质不同。对光而言,即光在晶体中的传播表现出各向异性,从而产生 双折射现象 演示 双折射现象 +|→ 方解石 (CaCO3结晶) 以入射线为轴转方解石,光点o不动,ε绕o转。用偏振片检验, 二者都是偏振光,且振动方向互相垂直 投影片透过方解石看字成双像。 双折射的概念 1.双折射: 一束自然光入射到各向异性的媒质中分成两束线偏的射光的现象称为双 折射 自然光 n1 no (各向异
9 ·若反射光光强变且无消光 入射光是部分偏振光。 §4 光在晶体中的传播,双折射 晶体内原子按一定规律排列，使晶体在不同方向上结构不同、性 质不同。对光而言，即光在晶体中的传播表现出各向异性，从而产生 双折射现象。 演示 双折射现象 以入射线为轴转方解石，光点 o 不动，e 绕 o 转。用偏振片检验， 二者都是偏振光，且振动方向互相垂直。 投影片 透过方解石看字成双像。 一.双折射的概念 1.双折射： 一束自然光入射到各向异性的媒质中分成两束线偏振的折射光的现象称为双 折射。 ··· ··· 方解石 (CaCO3 结晶) o e • • o e n1 no i (各向异 re 性媒质) 自然光 e 光
2.寻常光(o光)和非寻常光(e光) ·寻常光:遵从折射定律 n1Smn4=n。SlnF 非寻常光:一般不遵 从折射定律,即 SInl ≠ const SIni e光折射线也不一定在入射面内。 3晶体的光轴( optical axis ofcrysta) 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射,该方向称为晶 体的光轴。 例如,天然方解石晶体(冰洲石)是平行六面体,每个晶面都是平行四 边形,锐角≈78°, 钝≈102 A 1102 顶角中有两 j隅一A,B 光轴 /吨隅处,三个面 均以钝角相交 B
10 2.寻常光（o 光）和非寻常光（e 光） ·寻常光：遵从折射定律 o o n sin i n sin r 1 = ·非寻常光：一般．．不遵 从折射定律，即 const. sin sin e r i e 光折射线也不一定 ．．．在入射面内。 3.晶体的光轴（optical axis of crystal) 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该方向称为晶 体的光轴。 例如，天然方解石晶体（冰洲石）是平行六面体，每个晶面都是平行四 边形，锐角78， 钝角 102。 八个顶角中有两 个钝隅 ─ A, B， 在钝隅处，三个面 均以钝角相交。 A B 光轴 102°