4.1_偏振光与自然光

In I p In 偏振片转过60°后，透射光的强度变为：I 2 I P cos 60 2 4 2
2 0
根据题意： I1 2I 2
I p In In I p 2( ) 2 4 2
In 1 整理后得： Ip
这说明入射的部分偏振光相当于强度相等的自然光和线偏振光的叠 加。 该束光的最大光强：
由二向色性产生偏振光
由双折射产生偏振光
（1）由反射与折射产生偏振光
自然光在两种各向同性介质的分界面上反射和折射时，不 但光的传播方向要改变，而且光的偏振状态也要改变，所 以反射光和折射光都是部分偏振光。 在一般情况下，反射光是以垂直于入射面的光振动为主 的部分偏振光；折射光是以平行于入射面的光振动为主 的部分偏振光。
是由于人的两只眼睛同时观察物体时，在视网膜上形成的
像并不完全相同，左眼看到物体的左侧面较多，右眼看到 物体的右侧面较多，这两个像经过大脑综合以后就能区分
物体的前后、远近，从而产生立体视觉。
胶片。在放映时，通过两个放映机， 把用两个摄影机拍下的两组胶片同步放映，使这略有差别的两 幅图像重叠在银幕上。 这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是模糊不清的， 要看到立体电影，就要在每架电影机前装一块偏振片，它的 作用相当于起偏器。从两架放映机射出的光，通过偏振片后，
向折射率为n2的介质，当入射角满足
n2 tgi 0 n1
时，反射光中就只有垂直于入射面的光振动，而没有平 行于入射面的光振动，这时反射光为线偏振光，而折射
光仍为部分偏振光。这就是Brewster定律。其中i0叫做
起偏角或布儒斯特角。
这实验规律可用电磁场理论的菲涅耳公式解释。
note：
i 0 — 称为布儒斯特角或起偏角 折射光仍为部分偏振光 入射角为i 0 ， 反射光线垂直折射光线
偏振光：透射光强度发生变化
• • • • • •
部分偏振光：偏振光 通过偏振片后，在转 动偏振片的过程中， 透射光强度发生变化。
5、马吕斯定律
马吕斯 ( Etienne Louis Malus 1775-1812 )
法国物理学家及军事工程师。出生于 巴黎 1808年发现反射光的偏振，确定了偏 振光强度变化的规律
x
x
右旋圆 偏振光
右旋椭圆 偏振光
规定：迎着光线看（对着光的传播方向）， 光矢量顺时针转的称右旋圆偏振光 （或椭圆偏振光）；
光矢量逆时针转的称左旋圆偏振光 （或椭圆偏振光）。
偏振度
Ip Ip P It I n I p
It —部分偏振光的总强度
In —部分偏振光中包含的自然光的强度
Ip —部分偏振光中包含的完全偏振光的强度
完全偏振光 (线、圆、椭圆 )
P =1
自然光 ( 非偏振光 )
部分偏振光 偏振度的另一种表示：
P = 0
0 < P < 1
I max I min P I max I min
例：通过偏振光观察一束部分偏振光。当偏振光由对应投射光强最 大的位置转过60°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，则不分偏振光的强度为In+IP。当偏振光 处于使透射光强度最大的位置时，通过偏振片的线偏振光的强度仍 为IP，而自然光的强度为In/2，即透过的总光强为IP+ In/2。
X
Y
自然光的表示法：用两个独立的(无确定相 位关系)、相互垂直的等幅振动来表示。图 中，圆点表示垂直于纸面的振动，短线表 示平行于纸面的振动。
特点： 在所有可能的方向上，光矢量的振幅都相等； 自然光可分解为振动方向相互垂直但取向任意的两个线 偏振光，它们振幅相等，没有确定的相位关系，各占总光 强的一半。 自然光的表示方法：圆点与短线等距离地交错、均匀地画出。
光矢量的振动方向总是与光的传播方向垂直的，即光
矢量的横向振动状态，相对于传播方向不具有对称性， 这种光矢量的振动相对于传播方向的不对称性，称为
光的偏振性。
横波和纵波的区别——偏振 • 纵波：振动方向与传播方向一致，不存在偏振问题；
• 横波：振动方向与传播方向垂直，存在偏振问题。
最常见的偏振光有五种:
I max
In In 3 I p In In 2 2 2
In In 1 In In 2 2 2
最小光强： I min I p
由此可以求出偏振度：
3 1 ( )In 1 2 2 P 3 1 ( )In 2 2 2
二、获得偏振光的方法
由反射与折射产生偏振光
非偏振光
· · ·
一些各向同性的介质在受到外界作用时也会产生各向异性， 并具有二向色性。利用该特性获取偏振光的器件叫做人造偏 振片。
H偏振片 聚乙烯醇薄膜 碘溶液 拉伸、烘干
偏振度高，透明度低，对各色可见光有选择吸收，可做得薄而大， 价廉，广泛应用 K偏振片 聚乙烯醇薄膜 氯化氢中加热脱水
极强的二向色性，光化学性稳定，强光照射不会褪色，但膜片略 变黑，透明度低
偏振光与自然光
立体电影和偏振
在观看立体电影时,观众要戴上一副特制的眼镜，这 副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片。这样，从银 幕上看到的景象才有立体感。如果不戴这副眼镜看，银幕 上的图像就模糊不清了。 这要从人眼看物体说起，人的两只眼睛同时观察物体，不 但能扩大视野，而且能判断物体的远近，产生立体感。这
部分偏振光两垂直方向光振动之间无固定的相位差。
垂直于纸面的光振动的平 均值大于平行于纸面的光 振动的平均值。
平行于纸面的光振动的平 均值大于垂直于纸面的光 振动的平均值。

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 的、不等幅的、不相干的线偏振光
（4）椭圆偏振光和圆偏振光
光矢量在垂直于光的传播方向的平面内，按一定频率旋转 (左旋或右旋)。如果光矢量的端点轨迹是一个椭圆，这种光叫 做椭圆偏振光。如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光叫做圆 偏振光，如图所示。这相当于两个相互垂直的有确定相位关系 的振动的合成。 y y
n1 n2
i0
r0
理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的 7.4%，而约占85%的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。
可以利用玻璃片来获得线偏振光，只用一片玻璃的缺点：
（1）以布儒斯特角入射时，反射光虽为线偏振光，但强度太小 （2）透射光的强度虽大，但偏振度太小 为解决这个矛盾，让光通过由多片玻璃叠合而成的倾斜的片 堆，并使入射角等于布儒斯特角，经过多次的反射和折射， 既能获得较高的偏振度，光的强度也比较大。
E y Ay cos( t )
x
···· ·
光振动垂直纸面
光振动平行纸面
（3）部分偏振光
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，它介于自然光 与线偏振光之间。 部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的 光矢量都有，但振幅不对称，在某一方向振动较强，而与 它垂直的方向上振动较弱。
1810年被选为巴黎科学院院士，曾获
得过伦敦皇家学会奖章 1811年，他发现折射光的偏振
马吕斯定律的内容
强度为I0的偏振光，通过检偏 器后，透射光的强度为： I0

I
I=I0 cos2α
其中α为检偏器的偏振化方 向与入射偏振光的偏振化方 向之间的夹角。
A
I0
I0/2
自然光
光电 接收 器
相对转动时，透射光强随两偏振片的透光轴的夹角而变化
a、反射光中垂直振动强于平行 的振动；
n1
n2
i
b、折射光中平行的振动强于垂 直振动； c、反射光折射光偏振化的程度 随入射角的不同而不同。
r
这里所说的“垂直”和“平行” 是对 入射面而言的。
布儒斯特定律
反射光的偏振化程度与入射角有关。 1812年，布儒斯特由实验证明：若光从折射率为n1的介质射
就成了偏振光。左右两架放映机前的偏振片的偏振化方向互
相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。这 两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振光方向不改 变。
观众用上述的偏振眼镜观看，每只眼睛只看到相应的 偏振光图象，即左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能 看到右机映出的画面，这样就会像直接观看那样产生立体 感觉。这就是立体电影的原理。 当然，实际放映立体电影是用一个镜头，两套图象 交替地印在同一电影胶片上，还需要一套复杂的装置。 这里就不涉及了。
称为完全偏振光。
定义：在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿某一个固定方
向振动，则称为线偏振光，又称为平面偏振光或完全偏振光。 线偏振光也可以用传播方向相同、相位相同或相差、振动相 互垂直的两列光波的叠加描述。 y
Ey E Ex
E x AX cos t
E y Ay cos t
E x AX cos t
自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振 光。
（1）自然光：
普通光源发出的光、阳光都是自然光。由于原子发光的间歇性和无规则性， 使得普通光源发出的光的光矢量在垂直于传播方向的平面内以极快的速度 取0～360°内的一切可能的方向，且没有哪一个方向占有优势。具有上述 特性的光，称为自然光。各个方向上光振动振幅相同的光，称为自然光。
偏振片既可用作起偏器，又可用作检偏器。 从自然光获得偏振光的过程——起偏 偏振片（利用晶体的二向色性）是一种常用的起偏器
偏振片
Io
自然光
1 I Io 2
线偏振光
3、起偏器
自然光通过偏振片后成为线偏振 光，线偏振光的振动方向与偏振 片的偏振化方向一致。