第5章 光的偏振 光学基础 课件 (第四版,姚启钧)
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►⒈ 反射光的偏振态
► 当一束自然光在两种介质界面上反 射和折射时，反射光和折射光的传播方 向由反射定律和折射定律决定，而其偏 振态则由电磁场的边界条件决定（菲涅 尔公式）：
Q
A p1
=
tan(i 1
-i ) 2
=
sin( i 1
+i ) 2
A p1
tan(i1 + i2 )
cos( i1 + i2 )
Ax = Axi Ay = Ayi
由统计平均有： Ax = Ay
由: I = A2 , I = A2
x
x
y
y
得：: I = A2 + A2 = I + I ,
0
x
y
x
y
I x
=
I y
=
I0 2
.
6
线偏振光：光在传播过程中电矢量 的振动 只限于某一确定平面内（投影 为直线）。也叫平面偏振光。
振动面：电矢量和光的传播方向 所构成的平面。
第5章 光的偏振
Chap.5 Polarization of Light
1
► 电磁波是横波 ，电磁波是偏振 的。
► 光波是电磁波，光波也是横波， 光波是偏振的。观察到光波的偏振， 就说明光波的横波性。
► 光的五种偏振态 ：自然光、部 分偏振光、线偏振光、圆偏振光、 椭圆偏振光。
4
5.1.2、自然光与偏振光
I + I max
min
► ① if：I max = I min , then : p = 0 ,
反射光是自然光. — 非偏振光
► ② if ：I min = 0 , then : p = 1,
反射光是线偏振光. — 偏振度最大的光，即
全偏振光
16
► ⒋布儒斯特定律：
Q A p1 =tan ( i1 - i2) A p1 tan ( i1 + i2 )
自然光：具有在轴对称的各个方向上电矢 量的时间平均值是相等的这种特点的光称为自 然光。
它是由轴对称分布、无固定相位关系的大 量线偏振光集合而成的。即：它可以看作是两 个振幅相同、振动相互垂直的非相干的线偏振 光的叠加。
一般光源所发出的光，按统计理论，满足 上述要求，即一般光源所发出的光为自然光 。
5
cos(i1 + i2) < cos(i1 - i2 )
且：Q Ap1 = As1 , \ Ap1 < As1
即：反射光中电矢量的平行分量Ap1的值总 是小于垂直分量As1的值。 反射光为部分偏振光光
15
► ⒉部分偏振 光的图示：
► ⒊偏振度P：P = Imax - Imin 偏振程度的量度.
► 讨论：
8
►透振方向：偏振片上能透过电矢量振动的方向。 ►起偏器：能以某种方式选择自然光中的一束线偏
振光，而摈弃另一束线偏振光的光学器件。用来 产生平面偏振光的器件。 ►自然光经过起偏器后可以转变成线偏振光。 ►检偏器：能够将偏振光以特殊的光强形式显现。 用来检验平面偏振光的器件 ►偏振片既可以用作起偏器，也可以用作检偏器
P1
A P2
q Aq
► 光继续传播，通过与P1的透振方向成 角的偏振片P2时，只有过与偏振片P2的透 振方向平行的、振幅为 Aq的平面偏振光才 能透过。有：Aq =Acoqs
► 线偏振光通过检偏器后透射光强随q
角变化的规律：Iq = I cos 2 q 其中 I = A 2
12
5.2.2、反射光的偏振态
9
线偏振光的电矢量：
E=E x+E y =（A x±A y）co（s wt -kz）
x
y
0x
0y
10
►马吕斯定律：
► 偏振片的特点是只允许电振动沿透振 方向的光通过；自然光通过无吸收的理想 偏振片后其强度应减为原来的一半。
Q Ix = Iy =
I0 2
.
I0= Ix+ Iy
11
► 如图：自然光通过偏振片 P1 后为振幅为A，方向平行于 P1的透 振方向的平面偏振光
cos( i 1
-
i) 2
=
cos( i 1
+
i) 2
sin( i1 + i2 ) cos( i1 - i2 )
sin( i + i )
1
2
sin( i1 - i2 )
13
而：As1
=
-
sin(
i 1
-
i 2
)Baidu Nhomakorabea
A sin( i + i )
若不考虑其方向 ( 即“+、- ”号).
s1
1
2
\ Ap1 = As1 cos( i1 +i2 ) Ap1 As1 cos( i1 -i2 )
当i1
+
i2
=
90o时，有
Ap1 A
=
0
，即Ap1
=
0.
p1
即：此时电矢量的平行分量完全不能反射，反射
光中只剩下垂直于入射面的分量，即反射光是
线偏振光。这个特殊的入射角称为全-偏振角布
儒斯特角，用
i
10
表示，
\
tan
i
10
=
n2 n1
(Qnn21
=ssiinnii210
= sinsi(9n0i1o-0i10)
=
sin i 10 cosi 10
= tani10)
即：全偏振角的正切等于相 对折射率 n2 n1 - 布儒
斯特定律
17
5.2.3、透射光的偏振态
► 自然光以任意入射角入射时，折射后 从介质透射出来的光总是部分偏振光。
► 只是在以布儒斯特角入射时，电矢量 的平行分量是100%透过，这时透射光的偏 振度最高。
7
5.2 线偏振光与部分偏振光
5.2.1 、由二向色性产生的线偏振光
►二向色性： 是指有些晶体对不同方向振动的电矢量，
具有选择吸收的性质。如：电气石（晶体）、 聚乙烯醇片、硫酸碘奎宁晶体等。 ►偏振片：
只允许某一方向的电矢量的光通过，该方 向为偏振片的透振方向。
含有平行地排列起来的长链聚合物分子的 薄膜就是一偏振片。
►讨论： ►① 在 i1
=
0 及 i1
=
90
o
时，有：A
p
1
A p1
=
A s1
A s1
又Q Ap1 = As1 (自然光的轴对称性）
\ A = A
p1
s1
即：反射光中电矢量的平行分量A 的值与 p1
垂直分量的值A 相等。反射光为自然光。
s1
14
② 当自然光以其它任何角度（除0°、90°
外）入射时，有
►利用菲涅耳公式给予，解释
Ap1,，As1
A(1) p2
,
A(1) s2
A(2) p2
,
A(2) s2
18
由： A(1) p2
=
2sini2coi1s
，将
Ap1 sini1(+i2)cois1(-i2)
代入，得：
A(1) p2
=Ap1tani2
i1 =i10,i2 =π2-i10
同理：A p ( 2 2 )= A p ( 1 2 ) ti a 2 = A p n 1 ti a 2 ti a 1 n = 0 A n p 1 c i 1 t o 0 i a 1 = t 0 A n p 1
► 当一束自然光在两种介质界面上反 射和折射时，反射光和折射光的传播方 向由反射定律和折射定律决定，而其偏 振态则由电磁场的边界条件决定（菲涅 尔公式）：
Q
A p1
=
tan(i 1
-i ) 2
=
sin( i 1
+i ) 2
A p1
tan(i1 + i2 )
cos( i1 + i2 )
Ax = Axi Ay = Ayi
由统计平均有： Ax = Ay
由: I = A2 , I = A2
x
x
y
y
得：: I = A2 + A2 = I + I ,
0
x
y
x
y
I x
=
I y
=
I0 2
.
6
线偏振光：光在传播过程中电矢量 的振动 只限于某一确定平面内（投影 为直线）。也叫平面偏振光。
振动面：电矢量和光的传播方向 所构成的平面。
第5章 光的偏振
Chap.5 Polarization of Light
1
► 电磁波是横波 ，电磁波是偏振 的。
► 光波是电磁波，光波也是横波， 光波是偏振的。观察到光波的偏振， 就说明光波的横波性。
► 光的五种偏振态 ：自然光、部 分偏振光、线偏振光、圆偏振光、 椭圆偏振光。
4
5.1.2、自然光与偏振光
I + I max
min
► ① if：I max = I min , then : p = 0 ,
反射光是自然光. — 非偏振光
► ② if ：I min = 0 , then : p = 1,
反射光是线偏振光. — 偏振度最大的光，即
全偏振光
16
► ⒋布儒斯特定律：
Q A p1 =tan ( i1 - i2) A p1 tan ( i1 + i2 )
自然光：具有在轴对称的各个方向上电矢 量的时间平均值是相等的这种特点的光称为自 然光。
它是由轴对称分布、无固定相位关系的大 量线偏振光集合而成的。即：它可以看作是两 个振幅相同、振动相互垂直的非相干的线偏振 光的叠加。
一般光源所发出的光，按统计理论，满足 上述要求，即一般光源所发出的光为自然光 。
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cos(i1 + i2) < cos(i1 - i2 )
且：Q Ap1 = As1 , \ Ap1 < As1
即：反射光中电矢量的平行分量Ap1的值总 是小于垂直分量As1的值。 反射光为部分偏振光光
15
► ⒉部分偏振 光的图示：
► ⒊偏振度P：P = Imax - Imin 偏振程度的量度.
► 讨论：
8
►透振方向：偏振片上能透过电矢量振动的方向。 ►起偏器：能以某种方式选择自然光中的一束线偏
振光，而摈弃另一束线偏振光的光学器件。用来 产生平面偏振光的器件。 ►自然光经过起偏器后可以转变成线偏振光。 ►检偏器：能够将偏振光以特殊的光强形式显现。 用来检验平面偏振光的器件 ►偏振片既可以用作起偏器，也可以用作检偏器
P1
A P2
q Aq
► 光继续传播，通过与P1的透振方向成 角的偏振片P2时，只有过与偏振片P2的透 振方向平行的、振幅为 Aq的平面偏振光才 能透过。有：Aq =Acoqs
► 线偏振光通过检偏器后透射光强随q
角变化的规律：Iq = I cos 2 q 其中 I = A 2
12
5.2.2、反射光的偏振态
9
线偏振光的电矢量：
E=E x+E y =（A x±A y）co（s wt -kz）
x
y
0x
0y
10
►马吕斯定律：
► 偏振片的特点是只允许电振动沿透振 方向的光通过；自然光通过无吸收的理想 偏振片后其强度应减为原来的一半。
Q Ix = Iy =
I0 2
.
I0= Ix+ Iy
11
► 如图：自然光通过偏振片 P1 后为振幅为A，方向平行于 P1的透 振方向的平面偏振光
cos( i 1
-
i) 2
=
cos( i 1
+
i) 2
sin( i1 + i2 ) cos( i1 - i2 )
sin( i + i )
1
2
sin( i1 - i2 )
13
而：As1
=
-
sin(
i 1
-
i 2
)Baidu Nhomakorabea
A sin( i + i )
若不考虑其方向 ( 即“+、- ”号).
s1
1
2
\ Ap1 = As1 cos( i1 +i2 ) Ap1 As1 cos( i1 -i2 )
当i1
+
i2
=
90o时，有
Ap1 A
=
0
，即Ap1
=
0.
p1
即：此时电矢量的平行分量完全不能反射，反射
光中只剩下垂直于入射面的分量，即反射光是
线偏振光。这个特殊的入射角称为全-偏振角布
儒斯特角，用
i
10
表示，
\
tan
i
10
=
n2 n1
(Qnn21
=ssiinnii210
= sinsi(9n0i1o-0i10)
=
sin i 10 cosi 10
= tani10)
即：全偏振角的正切等于相 对折射率 n2 n1 - 布儒
斯特定律
17
5.2.3、透射光的偏振态
► 自然光以任意入射角入射时，折射后 从介质透射出来的光总是部分偏振光。
► 只是在以布儒斯特角入射时，电矢量 的平行分量是100%透过，这时透射光的偏 振度最高。
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5.2 线偏振光与部分偏振光
5.2.1 、由二向色性产生的线偏振光
►二向色性： 是指有些晶体对不同方向振动的电矢量，
具有选择吸收的性质。如：电气石（晶体）、 聚乙烯醇片、硫酸碘奎宁晶体等。 ►偏振片：
只允许某一方向的电矢量的光通过，该方 向为偏振片的透振方向。
含有平行地排列起来的长链聚合物分子的 薄膜就是一偏振片。
►讨论： ►① 在 i1
=
0 及 i1
=
90
o
时，有：A
p
1
A p1
=
A s1
A s1
又Q Ap1 = As1 (自然光的轴对称性）
\ A = A
p1
s1
即：反射光中电矢量的平行分量A 的值与 p1
垂直分量的值A 相等。反射光为自然光。
s1
14
② 当自然光以其它任何角度（除0°、90°
外）入射时，有
►利用菲涅耳公式给予，解释
Ap1,，As1
A(1) p2
,
A(1) s2
A(2) p2
,
A(2) s2
18
由： A(1) p2
=
2sini2coi1s
，将
Ap1 sini1(+i2)cois1(-i2)
代入，得：
A(1) p2
=Ap1tani2
i1 =i10,i2 =π2-i10
同理：A p ( 2 2 )= A p ( 1 2 ) ti a 2 = A p n 1 ti a 2 ti a 1 n = 0 A n p 1 c i 1 t o 0 i a 1 = t 0 A n p 1