高三物理 光的偏振 (2)

Z 电气石
1mm厚的电气石可将 o 光吸收净，e 光却有剩 余——可制成偏振片。
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例题
用方解石切割成正三角形截面的棱镜，自然光以i 角入射，定性画出 o光、e光的振动方向，传播方向。
解：方解石——负晶体——垂直 光轴
方向v e>vo
o光、e光只在晶 对体吗内？部才有意义！

e光
e光
I1

1 2
I1 cos 2
30
I 2

1 2
I2 cos 2
60
但按题意
I1 I2 即 I1 cos 2 30 I2 cos 2 60
所以
I1
cos2 60
1 4
1
I2
cos2 30
3 4
3
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14
P1 P2
I 0
？
P1
P3
P2
你能说明为什么吗？
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§14.12 反射和折射光的偏振
•
••
n1 • •i1 ••
n2
•
•
布儒斯特角
偏振光
n1
ib
n2
i2
反射光—— 垂直
部
入射面振动的成分 分
多。
偏 振
折射光——？
光
ib i2 900
n1 sinib n2 sini2
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tgib

n2 n1
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布儒斯特定律
布儒斯特窗
··
i0 激光输出
M2
假如封闭管子两端的玻璃窗口是垂直于管轴线 的玻璃片，那么自然光每经过一个窗口表面就 有大约4%的反射损失(96%透入)。光在M1 M2 之间每个单程要4次穿过窗口表面。这样，光来 回反射时，反射损耗太大就不能形成激光。
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例题
光强为 I0 的自然光相继通过偏振片P1、P2、P3后光强为I0 /8，已知 P1 P3，问：P1、P2间夹角为何？
解 : 令I1和I2分别为两光源照到起偏器上的光强。透过起偏器后， 光的强度分别为I1/2和I2 /2。按照马吕斯定律，透过检偏器后光的强 度为
I1

1 2
I1 cos 2
30
I 2

1 2
I2
cos 2
60
但按题意
所以
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I1 I2 即 I1 cos 2 30 I2 cos 2 60
i

o光
光轴
o光
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P
I0

I
E0
P

E=E0cos
I0

E
2 0
,IE2源自E2 0cos
2
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I I0 cos2
马吕斯定律（1809）
0，I Imax I0
，I 0 ——消光
2
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例题17-13 用两偏振片平行放置作为起偏器和检偏器。在它们的偏振化 方向成300角时，观测一光源，又在成600角时，观察同一位置处的另一光源 ，两次所得的强度相等。求两光源照到起偏器上光强之比。
要提高反射线偏振光的强度， i0 i0
可利用玻璃片堆的多次反射。
i’0
空气 → 玻璃 玻璃 → 空气
i 0 56°18’
i’ 0

33
°42’
i’0 i’0
······i0 ························
玻璃
片堆
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应用： ① 测量不透明介质的折射率？
② 制成偏光眼镜，可观看立体电影。
注意：光在两块方解石 中都是
垂直光轴传播。
折射角小于入射角 Z
前 e光 n 后
一
一
半
o光 n
半
o光
e光
Z
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折射角大于入射角
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请你练习
Z
e光
o光
o光 e光 Z
画出自然光垂直通过洛匈 棱镜（方解石磨制） o光、 e光的传播方向，振动方向！
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3、二向色性晶体
对o 光和e 光的吸收有很大差异。
— 主截面
由晶体的光轴与表面法线决定。
— 主平面
由光轴与光线决定。
o o 光振动 垂直于 光的主平面。
Z
e光振动 平行于 e光的主平面。
o
e
o e 当入射面和主截面重合时 光、 光的主
平面、主截面三者重合。
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三、主速度、主折射率
Z
正
晶 体
ve
沿光轴方向e、o
Z
光速度相同
v0 ve
负 晶 vo 体
vo、ve 称晶体的主速度，相应的折
射率no、ne 称晶体的主折射率.
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四 、利用双折射获得线偏振光
1. 尼可尔棱镜
A
M
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68
C
A
· · ·· 90 e 48 68
C
o ··
N M
e
N
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2、沃拉斯顿棱镜（偏光分束镜 ）
方解石 no > ne
双 折o
e
射
现
象
n1 sini1 n2 sini2
遵守— 寻常光（o）— no
n 不遵守—非常光（e）—
注意：寻常、非常指光在折射时 是否遵守折射定律，o光、
e光也只在晶体内部才有意义。
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二、光轴 主平面 主截面
光轴 — 晶体中的方向，沿此
方向o、e光速度相同— 无双折射。
单光轴晶体：石英、方解石 双光轴晶体：云母、黄玉…
入射 电磁波
线栅起偏器
用偏振片起偏, 在忽略偏振片的吸收的情况下
y x
z z
出射光强
I

1 2
I0
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二、检偏
用偏振器件分析、检验光束的偏振状态称“检偏”。 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 或部分偏振光，如何用偏振片来区分它们？
自然光 线偏振光 部分偏振光
解 分析
I0
P1
I1
P2
P3
I2
I3=I0/8
P1
P2

P3
I1

I0 2
I2 I1 cos 2
I3

I 2 cos 2
2

I2 sin2
I 0 cos2 sin2 I 0
2
8
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45 0 23
§14.13 光的双折射
一、双折射现象 各向同性媒质：在其中传播的光，沿各个 方向速度相同。 各向异性媒质：在其中传播的光，沿不同方向 速度不同。 石英、方解石、水晶、玉石……
I1
cos2 60
1 4
1
I2
cos2 30
3 4
3
13
例题17-13 用两偏振片平行放置作为起偏器和检偏器。在它们的偏振化 方向成300角时，观测一光源，又在成600角时，观察同一位置处的另一光源 ，两次所得的强度相等。求两光源照到起偏器上光强之比。
解 : 令I1和I2分别为两光源照到起偏器上的光强。透过起偏器后， 光的强度分别为I1/2和I2 /2。按照马吕斯定律，透过检偏器后光的强 度为
③若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与
地面成45角、且向同一方向倾斜的偏振片， 可以避免汽车会车时灯光的晃眼。
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④ 在拍摄玻璃窗内的物体时，
去掉反射光的干扰
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未装偏振片
装偏振片
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⑤外腔式激光管加装布儒斯特窗 减少反射损失。
i0 ·· i·0 ·····i0
M1
n1 ib n2 n1 ib
注意：上表面的折射角等于下表 面的入射角
n1 sin ib n2 sin ib ib ib 900
n1 cos i b n2 sin ib
通常玻璃的反射率只有7.5%左右，要以反射获得较强的偏 振光，你有什么好主意？
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玻璃片堆
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1
§14.1 0 线偏振光 自然
1、光自然光
特点
（1）在垂直光线的平面内，光矢量沿各方 向振动的概率均等.
X
E 没有优势方向
自然光可以用下图表示
••••
••••
Y
Z

u
这种大量振幅相同、各种振动方向都有、彼此没有固 定相位关系的光矢量的组合叫非偏振光或自然光。
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1
Ix Iy 2 I
2
（2）自然光可以分解为两束等振幅的、 振动方向互相垂直的、不相干的线偏振光。
Ey
Ex
Ex 和 E y无固定关系: 它们是彼此独立的振动,
自然光的分解
总光强 I Ix I y 2Ix 2I y
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1
Ix

Iy

I 2
——非相干叠加
3
2、线偏振光
·
E
u
光振动方向与传播方向
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偏振片（Polaroid）
是由自然光获得线偏振光的平面片状器件， 通常用P表示。
1928年一位19岁的美国大学生 （nd） 发明的。
偏振片是利用晶体的二向色性起偏。 （对某一方向的光振动有强烈吸收）
例如，把硫酸碘奎宁的针状粉末有序地 蒸镀在透明的基片上。
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起偏原理 类似于导电线栅的作用。 (如把富含自由电子的碘附在拉伸的塑料薄膜上）
部分偏振光及其表示法
部分偏振光可以看成自然光和线偏振光的混合。
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§14.11 偏振片的起偏和检偏 一、起偏
从自然光获得偏振光叫“起偏”，相应的 光学器件叫“起偏器”。
起偏的原理: 利用某种形式的不对称性,如
（1）物质的二向色性， （2）散射， （3）反射和折射， （4）双折射….
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线偏振光可以看成两个相互垂直的同频率的 简谐振动的合成，它们的相位差是
y x 0,
光的偏振性说明了: 光是横波。
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3.部分线偏振光
完全偏振光和自然光是两种极端情形，介于二者之 间的一般情形是部分偏振光。
x z 在纸面内的光振动较强 y
垂直纸面的光振动较强
tgib

n2 n1
空气 → 玻璃 玻璃 → 空气
ii00ttaann111111..50..0500003536°°4128’’互余
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平行玻璃板上表面反射光 是偏振光.
下表面的反射光是否也是 偏振光？
tgib

n2 n1
tgib ？ ！ = nn12

决定的平面称为振动面.
光矢量（ E）只在一个固定
平面内沿单一方向振动的光 线偏振光表示法
叫线偏振光 （也称平面偏振光）。
••••
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4
线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解:
Ex E cos
Ey

E sin

Ex , E y的大小 依赖于x, y方向的选取。
y
Ey
E

x
Ex
P
待检光
I
?
以光线为轴转动P:
I 不变—？ I 变，有消光—？ I 变，无消光—？
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10
2I0
I0
I I0
P 起偏器 1
P 检偏器 2
2I0
I0
I 0
P1// P2 P1 P2
一般情况下 I =？
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三、 马吕斯定律
线偏振光经过偏振片前后的光强关系