3-1 自然光和偏振光

合集下载

大学物理——光的偏振

光轴
B
方解石晶体的光轴
主平面：晶体中某条光线与晶体光轴构成的平面。
o光的主平面
····
e光的主平面
光轴 o光
光轴
e光
o光的振动方向垂直于o光的主平面。
e光的振动方向平行于e光的主平面。晶体主截面：晶面法线与晶体光轴构成的平面。
当入射光线在晶体主截面内时，o光和e光的主平
面与晶体主截面重合，这时o光和e光的振动方向
布儒斯特发现：当入射角等于某一特定值i0时，反射光是振动方向垂直于入射面的线偏振光。
且反射光传播方向与折射光传播方向垂直。
n1
sin i0
n2 tg i0
sinnr20 n1

n2 cos n21
i0

i0 r0 2
布儒斯特定律
自然光
i0 i0
线偏振光
n1
r0
n2 i0
部分偏振光
出射光为偏振光e光。
六. 波片椭圆偏振光和圆偏振光的获得
波片(波晶片)：光轴平行表面的晶体薄片。
C 光轴 P1
S. . . .

晶面
o 光轴 d e
d
y
光轴
x
P
Ae

λ

A
线偏振光
Ao
光轴 d
振幅关系
Ae Acos Ao Asin
通过厚为d的晶片，o光、e光产生光程差和相位差：
光矢量端点的运动轨迹是圆。
椭圆偏振光：光振动方向和幅度都随时间变化光矢量端点的运动轨迹是椭圆。
迎着光传播方向看，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为右旋偏振光。

15.1自然光和偏振光马吕斯定律

起偏
I0
起偏器
1 I0 2 偏振化方向
检偏
起偏器检偏器
讨论
如何检验一束光为自然光、线偏振光、部分偏振光？用一偏振片，旋转一圈，
观察光强变化。
旋转一圈，光强无变化。
旋转一圈，光强出现强、弱、全暗现象。
旋转一圈，光强出现强、弱变化，无全暗现象。
光的波动性
第一节自然光和偏振光
不同的光束, 光矢量 E 的振动状态不一定相同。把 E 的振动状态叫偏振态。
一、自然光偏振光
1、自然光 (1) 自然光：直接从普通光源发出的光。
v
E
(2) 偏振态：自然光在任意时刻，在垂直于传播方向的平面上，没有哪个方向的光振动比其它方向更占优势。自然光又称为非偏振光。
符号表示
二 . 偏振片起偏与检偏二向色性 : 某些晶体内存在某一特定的方向，当光射向晶体时，晶体能让这一方向的光振动通过 , 而吸收与这个方向相垂直的光振动, 这种性质称二向色性 . 偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片 .
偏振化方向：当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向 ,又称为透光轴.
(3) 表示：
自然光可分解为两个相互垂直、振幅相等、独立的光振动。
符号表示：
2、偏振光自然光经过反射、折射、吸收后，可能使一个方向的光振动全部或部分被消除，这种光称为偏振光。 (1) 线偏振光：只有单一方向的光振动。又称为平面偏振光。（完全偏振光）。 (2) 部分偏振光：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光。（由两个相互垂直的、振幅不相等的、独立的光振动组成。）符号表示

自然光与偏振光

1.0 tp 0.5 rp 0 -0.5 -1.0 0 30 60 90 rs ts
1.3.4 菲涅耳公式
1.0 |tp| 0.5 |ts| |rs| |rp| 0 0 30 60 90
i1/(o)
i1/(o)
图1.3-7 振幅反射比与振幅透射比曲线（n1=1，n2=1.5）
⑤ 线偏振光入射时，反射光和透射光仍为线偏振光，但振动面相对于原入射光有一定偏转。
1 光波、光线与光子 1.3.5 斯托克斯倒易关系
1.3 自然光与偏振光
定义：外反射：自然光以入射角i1由介质1进入介质2时的反射
内反射：自然光以入射角i2由介质2进入介质1时的反射取：振幅外反射比：rs、rp，振幅外透射比：ts、tp 振幅内反射比：rs'、rp'，振幅内透射比：ts'、tp'
时间分布的均匀性表明各个光矢量的初相位取0到2p之间的任意值
1 光波、光线与光子 1.3 自然光与偏振光
1.3.2 自然光(完全非偏振光)
自然光：偏振面具有各种不同取向且相位随机分布的平面偏振光之集合
说明：自然光实际上可分解成两个强度相等、振动方向正交但相位各自
随机变化的线偏振光注意：构成自然光的两个线偏振光分量的相位各自独立地随机变化，因
分量）的线偏振光，透射光变为椭圆偏振光。 ③ 线偏振光以布儒斯特角入射时，若其振动面与入射面垂直，则反射光
和透射光均为振动面垂直于入射面的线偏振光；若入射光振动面与入射面平行，则反射光强度为0，即全部透射。
1 光波、光线与光子 1.3 自然光与偏振光
玻片堆特点：可对入射光的偏振态及振幅进行调制。
右旋左旋
d=0
p/4
p/2
3p/4

大学物理课件-自然光和偏振光

作業練習十八、九
1
四、偏振光的應用
光的偏振在科學技術及工業生產中有著廣泛的應用。比如在機械工業中，利用偏振光的干涉來分析機件內部應力分佈情況，這就是光測彈性力學的課題。在化工廠裏，我們可以利用偏振光測量溶液的濃度。偏光干涉儀、偏光顯微鏡在生物學、醫學、地質學等方面有著重要的應用。在航海、航空方面則制出了偏光天文羅盤。
尼科耳棱鏡可用於起偏和檢偏
M
e光
N
e光
最明
00
M
N
最暗
900
1
i0
i0
i0
i
i
i
1
例1 一自然光自空氣射向一塊平板玻璃，入射角為布儒斯特角i0，問在介面1、2的反射光是什麼光？
n1 i0 i0
n2
玻璃
空氣 1 線偏振光 2
1
例2 一束自然光以某一入射角入射到玻璃上，這時反射光成為偏振光，折射角為320，求(1)入射角；(2)玻璃的折射率。
解：(1) (2)
結論：大量原子所發出的光的合振動的振動面是隨機的，且各個方向的幾率相同。
觀測光向量在各個方向的平均值,沒有哪一個方向佔優勢,也沒有在任何時間段內佔優勢,即這種光在時間上具有均勻性,在空間上具有對稱性.這1 就是自然光.
1 自然光：一般光源發出的光中，包含著各個方向的光向量
在所有可能的方向上的振幅都相等(軸對稱)這樣的光叫自然光。
光軸 1020 A
1020 1020
780
780
B 光軸
1
主截面：在晶體內，晶體光軸與晶面法線方向構成的平面。
o光的主平面：在晶體中o光與光軸所組成的平面叫做o光的主平面。
e光的主平面：在晶體中e光與光軸所組成的平面叫e光的主平面。實驗表明：o光的振動方向垂直於其主平面，e光的振動方向在其主平面內。

自然光与偏振光线偏振光与部分偏振光

物质的二向色性
二向色性：物质所具有的对相互垂直的两个光振动
的选择吸收作用。
有些能够产生双折射的单轴晶体，对o光和e光的吸收作用有很大不同，对其中的一个吸收作用很强，而对另一个很弱。
在高分子化合物中，使高分子长链沿某个方向有规则的排列，经特殊加工后，它会对相互垂直的两个光振动产生不同的吸收作用。
线偏振光
自然光与偏振光线偏振光与部分偏振光
v E
符号表示
3 部分偏振光及偏振度
部分偏振光：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振
部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。
部分偏振光
部分偏振光的分解
符号表示
自然光与偏振光线偏振光与部分偏振光
包含各个方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等 .
自然光与偏振没光有线偏优振势光方与部向分偏
振光
自然光的分解
• ※ 机理：原子自发辐射具有独立性、间歇性和随机性普通光源所发出的光, 波列之间是相互独立的，没有固定的关联（相位、振动方向、振幅、波列长短等），按统计原理，无论哪一方向的振动在各方向上的分布是对称的，振幅也可看成是完全相等的（统计平均）.
Ib In I p 自然光与偏振光线偏振光与部分偏振光
偏振度
P Imax Imin Imax Imin
IM — 在某一方向上的偏振光强度最大值
In — 与之垂直方向的偏振光强度最小值
平面偏振光
P=1
自然光 ( 非偏振光 )
P=0
部分偏振光
0<P<1
自然光与偏振光线偏振光与部分偏振光
图示：
自然光与偏振光线偏振光与部分偏振光

大学物理-14章：光的偏振

A (2n) s2
As1 sin
2n
i2
i0
A (2n) P2
AP1
. 在拍摄玻璃窗内的物体时，去掉反射光的干扰
未装偏振片
装偏振片
▪ 这张照片拍摄时没有加偏振滤镜，玻璃面上的反射光现象很明显。此照片拍摄时相机指向与玻璃大约成45度角。
▪ 这张照片是加上偏振滤镜后拍摄的。相机指向与玻璃仍然是45度角左右。可以看出，虽然偏振滤镜消去了大部分的反射光，但是仍然有一部分反射光存在。这是因为在45度角离布儒斯特角甚远，玻璃面上的反射光是部分偏振光，偏振滤镜无法把这样的反射光全部滤去。
反射光为振动方向垂直于入射面的线偏振光
n1 sin i10 n2 sin i2
n1 sin tg i10
i10
n2 n2 n1
sin( 900 i10) n2 cos i10
----布儒斯特定律
若 n1 =1.00 (空气)，n2 =1.50 (玻璃)，则：
三折射光的偏振态
As2 2sini2 cosi1 As1 sin(i1 i2 )
解：设P1、P2的 I1 P1 I1' P2 I1' ' E
偏振化方向夹
角为
I2
I2' I2''
入射线偏振光振动方向与P1的偏振化方
向夹角为
对自然光：
I1'
1 2
I1
I1''
1 2
I1
cos2
线偏振光：
I2' I2 cos2 I2 '' I2 cos2 cos2
因I1’’和I2’’是非相干光
(900 ) (900 i2 ) 180

1自然光和偏振光2起偏与检偏3光的双折射4椭圆偏振

二. 晶体的主折射率，正晶体、负晶体
ve
vo
负晶体
e
o
（方解石）
ne no
主折射率
ve
vo
no
c
o
正晶体
ne
c
e
e
o
ne no
（石英）
三、作图法确定光的传播方向（惠更斯作图法）
光轴
O光
e光
方解石
光轴 O光
e光
四、偏振棱镜格兰—汤姆逊棱镜
玻璃n =1.655
光轴
i
730
方解石
n0=1.658 ne=1.486
5618
玻璃→ 空气
i0
tg 1
1.00 1.50
3342
(接近线偏振光)
i0
激光器中的布儒斯特窗
思考题：求反射光与折射光的偏振状态
i0
n1
i
n1
n2
n2
i0
n1
n2
i
n1
n2
§3 光的双折射
一、双折射现象
寻常光----O光
——遵循折射定律
非常光----e光
—— 不遵循折射定律
寻常光、非常光均为线偏振光各向异性：各方向光的传播速度、折射率不同
§4椭圆偏振光、圆偏振光、波片
E
?
Ee
光轴
O光 e光
Eo
Ee=Ecos
Eo=Esin
O光、e光沿同一方向传播，但光 2 no ne d
速不同，从晶片出射时有相差
从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向
相互垂直、频率相等、相位差的线偏振光，
它们合成为一束椭圆偏振光。 2 no ne d

偏振光的概念

偏振光的概念偏振光是一种具有特定振动方向的光波。

普通的自然光是无偏振光，也就是光波中的电场矢量在所有方向上都随机分布。

而偏振光则是只在某一特定方向上振动的光波。

要理解偏振光，首先需要了解光是一种电磁波。

电磁波是由电场和磁场相互作用而传播的波动现象。

光波中的电场矢量垂直于传播方向，并在垂直于传播方向的平面内振动。

电场矢量的方向决定了光波的偏振方向。

根据电场矢量的振动方向，偏振光可以分为水平偏振、垂直偏振、斜线偏振和圆偏振等几种。

水平偏振光是指电场矢量在水平方向上振动，垂直偏振光是指电场矢量在垂直方向上振动，斜线偏振光是指电场矢量在斜线方向上振动，而圆偏振光则是指电场矢量在由圆周路径组成的方向上振动。

偏振光的产生可以通过多种方法实现。

其中一种常见的方法是通过偏振片来选择光的偏振方向。

偏振片是一种光学器件，可以选择特定方向的光进行传递，而将其他方向的光进行吸收。

通过透过偏振片的光就可以获得特定方向上的偏振光。

偏振光在许多领域中都有广泛的应用。

其中一项重要应用是在光学显微镜中。

普通的自然光在样品上反射和散射产生的图像往往模糊不清，而使用偏振光则可以去除表面反射的光，提高图像的清晰度和对比度，从而更好地观察样品的细节和结构。

另一个重要的应用是在液晶显示技术中。

液晶是一种具有镜面反射能力的材料，可以通过控制电场来改变其光学性质。

利用偏振光的传递特性，可以设计出特定的液晶显示器构造，使其只能透过特定方向上的偏振光。

当液晶分子排列方式改变时，来自背光源的偏振光的偏振方向也会改变，从而产生对应的图像。

此外，偏振光还在摄影、光通信、激光器等领域有着广泛的应用。

在摄影中，偏振滤镜可以通过选择特定的偏振方向来增强色彩鲜艳度和对比度。

在光通信中，使用偏振光可以增加信号传输的容量和距离。

在激光器中，偏振光可以通过改变激光器内部的光场的偏振状态来调节激光输出的强度和方向性。

总之，偏振光是具有特定振动方向的光波。

通过选择特定方向上的偏振光，可以在许多领域中实现不同的应用。

第五章_光的偏振

（2）若入射光为部分偏振光，则透射光强会发生变化，且出现两次最大和两次最小，但无消光位置；
（3）若入射光为自然光，转动检偏器透射的光强无变化。
39
例题5.2 P312
通过偏振片观察一束部分偏振光。当偏振片由对应透射光强最大的位置转过60º 时，其光强减为一半，试求这束部分偏振光中的自然光和线偏振光的强度之比以及光束的偏振度。解：部分偏振光相当于自然光和线偏振光的叠加。设自然光的强度为In，线偏振光的强度为Ip，则部分偏振光的强度为In＋Ip。当偏振片处于使透射光强最大的位置时，其中的线偏振光通过偏振片后的强度仍为Ip，而自然光透过的强度为In /2。则透过的总光强为：
向传播方
E
·
面振动面对光的传播方向看
2
光是横波,光的振动方向应始终与光的传播方向垂直.但是,在垂直于光的传播方向的平面内, 光矢量还可以有不同的振动状态，我们称在垂直于光传播方向的二维平面内，光矢量的振动状态叫做光波的偏振态.
光波按偏振态来划分，可分为五种：
（1）自然光；（2）部分偏振光；（3）线偏振光；（4）圆偏振光；（5）椭圆偏振光。也可以是以上几种偏振状态的组合。
16
rp
A' p1 Ap1
tg (i1 i2 ) , tg (i1 i2 )
A's1 sin( i1 i2 ) rs , As1 sin( i1 i2 )
A' p1 Ap1
tg (i1 i2 ) sin( i1 i2 ) cos(i1 i2 ) tg (i1 i2 ) sin( i1 i2 ) cos(i1 i2 )
A' p1 A's1

光的偏振与偏振光

光的偏振与偏振光光的偏振是指光波的振动方向。

光波是一种横波，振动方向垂直于波的传播方向。

偏振光则是指光波中仅具有特定方向振动的光。

1. 偏振光的产生光的自然光是无偏振状态的光，其中的光波振动方向呈无规律分布。

要产生偏振光，需要经过特定的装置来选择性地将振动方向进行约束。

2. 偏振器偏振器是一种能够选择性透过特定偏振方向的光的装置。

常见的偏振器包括偏振片和偏振镜。

偏振片是由有机或无机材料制成的，当光线垂直于偏振片的主轴方向传播时，光的强度最大；而光线平行于主轴方向传播时，光的强度最小。

偏振镜则是利用反射来实现偏振效果。

3. 偏振光的应用由于偏振光具有特定的振动方向，因此在许多领域中得到了广泛应用。

- 偏振光在光学显微镜中的应用：偏振光显微镜通过选择性地透过特定方向振动的光，可以增强对样品的细节观察，提高图像的对比度。

- 偏振光在液晶显示技术中的应用：液晶显示器利用偏振光与液晶分子的相互作用来控制光的传递和阻止，从而实现像素的控制和图像显示。

- 偏振光在光通信中的应用：光通信利用光作为信号的传输媒介，通过控制光的偏振状态来实现信息的编码和解码。

- 偏振光在光偏振显微成像中的应用：光偏振显微成像技术通过记录和分析物体对偏振光的旋转和偏振状态的变化，可以获得物体的不同性质和结构信息。

4. 光的偏振现象光的偏振现象具有许多有趣的性质和现象，其中包括：马吕斯定律、布儒斯特定律、偏振现象在天体观测中的应用等。

总结：光的偏振与偏振光是光学领域中重要的概念和现象。

通过适当的装置和技术，我们可以选择性地产生和操控偏振光，从而应用于多个领域，如显微镜观察、液晶显示、光通信和光偏振显微成像等。

光偏振的研究和应用不仅扩展了我们对光的认识，也推动了科学技术的发展。

第_九_章_物理光学3(偏振)

48
四、双折射现象
以下几种情况，均是以负晶体(如方解石)为例。
光轴平行于晶体表面并平行于入射面
o, e 光在方向上
虽没分开，但速
度上是分开的，仍是两束光。 ∴还是有双折射。
49
四、双折射现象
光轴平行于晶体表面和入射面
50
四、双折射现象
光轴平行于晶体表面但垂直于入射面
·
· · i ·
· ·
46
四、双折射现象
一些晶体在室温时的主折射率(＝589nm)
晶体材 o 光主折 e 光主折射双折射射率 ( no) 率 ( ne ) 率(ne- no) 料 0.0013 1．3091 1．3104 冰 0.0092 1．5442 1．5534 石英 1．4864 - 0.1720 方解石 1．6584 - 0.031 1．638 电气石 1．669

i0 r0 90
29 （证毕！）
Polarization of light by a stack of glass plates.
n1
n2
ii00
r0 i 0
problems问题： 1) The intensity of reflected light is low. 2) refracted light is still partial polarized light Solve: by using a stack of glass plates
38
四、双折射现象
双折射晶体内有特殊方向，光沿此方向传播时不发生双折射现象，该方向称为晶体的光轴。单轴晶体：方解石、石英、红宝石、冰。双轴晶体：云母、蓝宝石、橄榄石、硫磺。方解石晶体为平行六面体，其光轴是通过全由钝角102º 组成的两个顶点的体对角线的方向。

光的偏振性

y
Ey
E

x
Ex
E x E cos E y E sin
线偏振光的表示法：
····· 光振动垂直板面
光振动平行板面
部分偏振光：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光。
符号表示
二偏振片起偏与检偏
二向色性 : 某些物质能吸收某一方向的光振动 , 而只让与这个方向垂直的光振动通过, 这种性质称二向色性。
三马吕斯定律（1880 年）
N
I0
M EI
起偏器
E0
检偏器
N
M
E
E0
E E0 cos
I I0

E2 E02
马吕斯定律：强度为 I0的偏振
光通过检偏振器后, 出射光的强度为
I I0 cos2
马吕斯
法国物理学家及军事工程师。出生于巴黎，1796年毕业于巴黎工艺学院，曾在工程兵部队中任职。1808年起在巴黎工艺学院工作。1810年被选为巴黎科学院院士，曾获得过伦敦皇家学会奖章。
sin n1
tan i0

n2 n1

sin i0 cos i0
cosi0
sin

cos(π 2
)
i0

2
i0 i0 n1
n2
玻璃
i0
n1
玻璃

n2
2）根据光的可逆性，当入射光以角从质入射于界面时，此角即为布儒斯特角。
n2
介
tan
i0

n2 n1
cot i0
11-10 光的偏振性
一、自然光偏振光二、偏振片起偏和检偏三、马吕斯定律

偏振光与自然光的区别

偏振光与自然光的区别光是一种电磁波，电磁波是横波。

而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或线偏振光。

通常光源发出的光，它的振动面不只限于一个固定方向而是在各个方向上均匀分布的。

这种光叫做自然光。

光的偏振性是光的横波性的最直接，最有力的证据，光的偏振现象可以借助于实验装置进行观察，P1、P2是两块同样的偏振片。

通过一片偏振片p1直接观察自然光（如灯光或阳光），透过偏振片的光虽然变成了偏振光，但由于人的眼睛没有辨别偏振光的能力，故无法察觉。

如果我们把偏振片P1的方位固定，而把偏振片P2缓慢地转动，就可发现透射光的强度随着P2转动而出现周期性的变化，而且每转过90°就会重复出现发光强度从最大逐渐减弱到最暗；继续转动P2则光强又从接近于零逐渐增强到最大。

由此可知，通过P1的透射光与原来的入射光性质是有所不同的，这说明经P1的透射光的振动对传播方向不具有对称性。

自然光经过偏振片后，改变成为具有一定振动方向的光。

这是由于XP-800P偏振片中存在着某种特征性的方向，叫做偏振化方向，偏振片只允许平行于偏振化方向的振动通过，同时吸收垂直于该方向振动的光。

通过偏振片的透射光，它的振动限制在某一振动方向上,我们把第一个偏振片P1叫做“起偏器”，它的作用是把自然光变成偏振光，但是人的眼睛不能辨别偏振光。

必须依靠第二片偏振片P2去检查。

旋转P2，当它的偏振化方向与偏振光的偏振面平行时，偏振光可顺利通过，这时在P2的后面有较亮的光。

当P2的偏振方向与偏振光的偏振面垂直时，偏振光不能通过，在P2后面也变暗。

第二个XP-800P偏振片帮助我们辨别出偏振光，因此它也称为“检偏器”。

光波是横波，即光波矢量的振动方向垂直于光的传播方向。

通常，光源发出的光波，其光波矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则取向，但统计平均来说，在空间所有可能的方向上，光波矢量的分布可看作是机会均等的，它们的总和与光的传播方向是对称的，即光矢量具有轴对称性、均匀分布、各方向振动的振幅相同，这种光就称为自然光。

自然光的偏振

自然光的偏振
自然光指的是来自太阳、星星、火焰等天然物体的光线。

自然光包含各种波长、频率和方向的光线，我们通常称之为非偏振光。

然而，在某些情况下，光线的偏振（即光的振动方向）会受到影响，这就是自然光的偏振现象。

光的偏振可以是偏振光（只有某个方向的光）或部分偏振光（在某些方向上光线强度减弱）。

光的偏振通常是由物质对光的传播方式的影响造成的。

例如，反射光和折射光的偏振是由于光线与表面交互时，只有某个方向上的光线才会反射或折射。

光的偏振不仅在天文学和物理学中有重要的应用，还有在许多其他领域中也有重要的应用，例如通信、光学显微镜和太阳能电池。

在通信技术中，偏振光可以用来传输数据，因为光的偏振可以很容易地改变。

总体来说，自然光的偏振现象是一个有趣和重要的领域，不仅可以让我们更好地了解光的本质，还有助于我们开发更好的光学设备和技术。