光的偏振状态概述

§12-12 光的偏振状态 光矢量：光波的 E 矢量。
一、线偏振光（平面偏振光或完全偏振光）
在垂直于光波传播方向的平面内，光矢量可能有
不同的振动方向 ——偏振状态 线偏振光（平面偏振光）：光矢量在传播中始终
保持在一个特定的平面上振动。
由光的传播方向和光矢量的振动方向所决定的平面称
为“振动面” 垂直
折射时，反射光和折射光一般都是部分偏振光（正
入射除外）。 当自然光以布儒斯特角 iB 入射时，其反射光为
线偏振光，光振动垂直于入射面， 折射光仍为部分
偏振光。
i
iB
r
iB r 90
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实验证明， i = iB时，反射光 线与折射光线垂直：
光强 较弱
iB
iB r 90o
r
tan iB
是获得和检验线偏振光的最简单装置。
偏振化方向(P)：允许通过 的光振动方向。
检偏：旋转P2一周， 出射光强有两明两暗 的变化。
起偏
检偏
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光强不变——自然光 一束光通过一 旋转的偏振片 光强变化且有消光——线偏振光
光强变化但无消光——部分偏振光
检偏器
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二、马吕斯（Malus）定律
光强为 I1 的线偏振光，透过偏振片后，透射强度为
若旋转晶体， o光不动，e光 随晶体转动。
寻常光（o光） ：恒遵守折射定律的光线。 非常光（e光） ：不遵守折射定律的光线。 o光与e光都是线偏振光，但光振动的方向不相同。
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二、光轴 主平面 在晶体中存在一个特殊的方向，沿该方向不会
产生双折射现象，这一方向称为晶体的光轴。
单轴晶体：只有一个光轴的晶体。如：
负晶体（如方解石）
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四、惠更斯原理在双折射现象中的应用 负晶体为例
(1)
(2)
没有双折 射发生
有双折 射发生
o、e 光在方向上虽没分 开，但速度是不同的。
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(3)
(4)
B
i
A
C
oe
B
i
A
C
e o
sin i sin re

ne
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五、晶体的二向色性和偏振片 某些晶体对相互垂直的两个电矢量具有选
o光的光矢量总与光轴垂直， e光的光矢量可与光轴有不同的夹角。
光轴方向
e o
光轴方向
e光主平面
e光 o光
o光主平面
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三、单轴晶体的子波波阵面
各向异性晶体
e 与方向有关 v 1 e
晶体内光的传播速度与光的传播方向有关 光在晶体内传播速度的大小和光矢量与光轴间的 相对取向密切相关。
o光振动方向垂直于主平面（垂直于光轴）， 沿各方向传播速度相同: vo
y
平行
z
斜交
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二、自然光
每个原子发射的光波列为线偏振光。
自然光：大量原子随机发射的光波列
的集合，每个光波列的频率、相位、
振动方向、波列长度均不同。从统计
上来讲，可认为振动在各方向上呈对
称分布，振幅也完全相等。
一束自然光可分解为两束振动方向相互
垂直、同频率、等幅、不相干的线偏振
光。
I Iy Iz,
Iy

Iz

1 2
I
自然光的图示：
z y
z y
Iy=Iz
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三、部分偏振光 部分偏振光：光矢量在各振动方向 的光强不具有轴对称分布，而是在 某一方向占优势。
部分偏振光的图示：
线偏振光——完全偏振光
部分偏振光
完全偏振光+自然光
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§12-13 起偏和检偏 马吕斯定律 一、起偏和检偏
偏振片：能吸收某一方向的光振动，而只让与之垂直 方向上的光振动通过(二向色性)的一种透明薄片。
2. 当： 0 , π I2 I1 I
当：

π 2
,
3π 2

I2

0
0
π 2
π
3π 2π
2
3.自然光依次通过两个偏
消光 消光
振片后的光强：
I2

I1 cos2

1 2
I
0
cos2

4.部分偏振光通过偏振片后光强的变化规律取决于
其中自然光与线偏振光的比例
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§12-14 反射和折射时光的偏振 实验表明， 自然光在两种介质分界面上反射和
I2 I1 cos2 （不考虑偏振片的吸收）
证明： A2 A1 cos

I2 I1

A22 A12
cos2
I2 I1 cos2
马吕斯定律
I1 A12
,
P2
I2 A22
I2
I1
线偏振
线偏振
光
光
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I2 I1 cos2
讨论：1. 适用条件：线偏振光入射于理想偏振片
互余
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• 由折射获得偏振光——玻璃片堆法 从玻璃片堆透射出来的折射光几乎为线偏振光，
其振动面平行于入射面。 玻璃片堆
iB
r
n1 n2
tan iB

n2 n1
tan r n1 n2
n1
在任一面上的入射角均为
n2
布儒斯特角。
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§12-15 光的双折射 一、寻常光和非常光
一束光经各向异性晶体（如方解石、 石英等） 折射后可分成两束光线的现象称为双折射。

sin iB cos iB

sin iB cos(90 r )

sin iB sin r

n2 n1
布儒斯特角 (起偏角)
iB

arctan
n2 n1
称布儒斯特定律。
n1 =1.00 (空气)， n2 =1.50 (玻璃)，
空气 → 玻璃 玻璃 → 空气
iB 5618 iB 3342
e光振动方向平行于主平面（与光轴有一定 夹角），沿各方向传播速度不同: [vo,ve]
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晶体内的子波波阵面（正晶体） vo
vo
ve
光轴
光轴
o光的波阵面 球面 e光的波阵面
定义：主折射率
no
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
c vo
ne

c ve
旋转椭球面
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no ne vo ve
正晶体（如石英）
no ne vo ve
择吸收的性能，称为晶体的二向色性。 可制成偏振片——获得线偏振光。
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§12-16 偏振光的干涉 人为双折射 一、偏振光的干涉
P1
C
P2
自然光经P1后为线偏光，经晶片C后分为o、e光：
Ao A1sin
Ae A1cos
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再经P2后为两束相位不同的线偏光，振幅为
A2o Ao cos A1 sin cos A2e Ae sin A1 sin cos A2o
方解石、石英等。
方解石晶体
双轴晶体：有两个光轴的晶
A
体。如：云母等。 还有多轴晶体、无轴晶体。
78° 78° 102°
以下讨论单轴晶体。
光轴
D
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光线的主平面： 光线与光轴所组成的平面。
一般，o光与e光的主平面不一定重合。
实验证明：o光的光振动方向垂直于它的主平面， e光的光振动方向平行于它的主平面。