光的偏振,反射和折射产生偏振和双折射现象

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线偏振光可沿
·
两个相互垂直
的方向分解
面对光的传播方向观察
Ey
Er
α
Ex
Ex = E cosα
E y = E sin α
线偏振光的表示法 2.自然光
(光振动平行板面)
· · ·· ·
(光振动垂直板面)
各个方向上光振动振幅相同的光，称为自然光。
自然光可用两个相互独 立、没有固定相位关系、 等振幅且振动方向相互 垂直的线偏振光表示。 Ex = Ey
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形象说明偏振片的原理 通光方向
腰横别扁担进不了城门
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3. 起偏 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。
•• •
4. 检偏 用来检验某一束光是否偏振光。
方法：转动偏振片，观察透射 光强度的变化。
自然光：透射光强度不发生变化
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偏振光：透射光强度发生变化
二. 布儒斯特定律
·
n1
·
n2
·
i
i
· ·
g· ·
ib+γ=90o 时，反射光为线偏振光
ib — 布儒斯特角 或 起偏角
n1 sin ib = n2 sinγ = n2 cosib
tanib
=
n2 n1
=
n21
·
n1 · · ·
ib
ib
·
·
·
线偏振光
n2
g·
·
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例如 n1 =1.00(空气)， n2 =1.50(玻璃)，则
no (1.658) > n(1.55) > ne (1.486)
1. 尼科耳棱镜
··
·
·
2. 渥拉斯顿棱镜
·
光轴 o光
·
I
C
百度文库··
··
o光
e光
e光
o光
··
上述两种棱镜得到的偏振光 质量非常好，但棱镜本身价 格很高，因而使用较少。
负晶体 no > ne
I
o光 ie,o
··
e光
C
加拿大树胶
··
ge
go
·
···
i0 · · · · · · i0
···
i0
M1
··
布儒斯特窗
··
i0
激光输出
M2
外腔式激光器谐振腔
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§14.13
一. 双折射现象
1.双折射
晶体的双折射现象
方解石 R2
R1
s
双折射现象 一束光入射到各向异性的介质后 出现两束线偏振折射光线的现象
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双折射会映射出双像：
双 折折射射现现象
方解石晶体 CaCO 3
纸面
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2. 寻常光和非寻常光
n1
i
n2
ge go
e光
o光
ge
o光 e光
两折射光线中有一条始终在入射面内，并遵从折射 定律，称为寻常光，简称 o 光
另一条光一般不遵从折射定律，称非常光，简称 e 光
sin i sin g e
¹
常数
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3. 晶体的光轴
当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该 方向称为晶体的光轴。 例如 方解石晶体(冰洲石)
椭 圆 偏 振 光
圆偏振光
线偏光
在迎光矢量图上，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。
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§14.11 偏振片的起偏和检偏 马吕斯定律
一. 偏振片 起偏和检偏
1.基本概念
•普通光源发出的是自然光，用于从自然光中获得偏振 光的器件称为起偏器。 •人的眼睛不能区分自然光与偏振光，用于鉴别光的偏 振状态的器件称为检偏器
§14.10 光的偏振
一. 波的偏振性
定义：振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振性。 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。
偏振现象是横波区别于纵波的最明显的特征。 光的偏振性：光矢量的振动相对于传播方向的不对称性
光波是横波
二. 偏振光的分类
1.线偏振光（平面偏振光） 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
•• • •• •
部分偏振光：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。
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二. 马吕斯定律
I µ E2
I 'µ E'2 = E2 cos2α
Ea
I '= I cos2 a (马吕斯定律)
E'= E cosa
当 α = 0，I = Imax = I0 ; 当 α = π2，I = 0 — 消光
I1
=
1 2
I0
I2
=
1 2
I0
cos2
60o
I2 I0
=
1 2
cos2
60o
=
1 8
=
0.125
(2) 有吸收时，有
I2 I0
=
1 8
´
(1 - 10%)2
»
1 10
=
0.10
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§14.12 反射和折射产生的偏振 布儒斯特定律
一. 反射和折射产生的偏振
•自然光入射 •反射和折射后产生部分偏振光
椭圆偏振光（左、右旋） 1 2 波片 椭圆偏振光（右、左旋）
自然光
1 2 波片 自然光
小结：41 波片用于改变光的偏振态，
1 2
波片用于改变光的旋向
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光轴是一特殊的方向,凡平行于此 方向的直线均为光轴。 单轴晶体：只有一个光轴的晶体
双轴晶体: 有两个光轴的晶体
光轴
102o 78o 78o
102o
4. 主平面
主平面 晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面.
光轴与 o 光构成的平面叫 o 光主平面.
光轴与 e 光构成的平面叫 e 光主平面.
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·
光轴
o光·
o 光的 主平面
e 光的
光轴
e光
主平面
(o光振动垂直o 光主平面)
(e 光振动在e 光主平面内)
光轴在入射面时, o 光主平面和 e 光主平面重合, 此时 o 光光振动和 e 光光振动相互垂直。一般情况下，两个主平面夹角很小，故可认
为 o 光振动和 e 光振动仍然相互垂直。
5. 正晶体、负晶体
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例 平行放置两偏振片，使它们的偏振化方向成 60° 夹角。让 自然光垂直入射后,下列两种情况下：
(1) 两偏振片对光振动平行于其偏振化方向的光线均无吸收
(2) 两偏振片对光振动平行于其偏振化方向的光线分别吸收 了10% 的能量
求 透射光的光强与入射光的光强之比是多大？
解 (1) 无吸收时，有
1 4 波片 椭圆偏振光 (Dj' = p 2,-p 2)
1 4 波片 线偏振光 1 4 波片 自然光
一般椭圆偏振光
1 4 波片 一般椭圆偏振光
线偏振光 ( D j 0 = 0 ,p ) 1 2 波片 线偏振光 ( D j ' = p ,0 ) 圆偏振光（左、右旋） 1 2 波片 圆偏振光（右、左旋）
· e光 o光
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3. 波晶片
• 一种由晶体制造的光学器件 • 由单轴晶体上切割下来的平行薄片，
其表面与晶体的光轴平行.
晶体
· ·
自然光垂直入射波晶片 后，o 光, e 光传播速度不 同，产生的相位不同。
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波晶片 l
d
· · ·
e光 o光
出射 o 光 e 光的相差为
Dj
=
2π λ
(no
-
ne )d
波晶片分类
(no - ne )d = λ 4
(no - ne )d = λ 2 (no - ne )d = λ
Dj = π 2 Dj = π Dj = 2π
1 4 波片 半波片 全波片
Ø说明: 一定的波晶片是针对某一特定波长而言的.
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波晶片可用于改变光的偏振态
？ 如 线偏振光经 1 4 波片后变为
2.偏振片
•• •
人工膜片——对不同方向的光振动有选择吸收的性能，从 而使膜片中有一个特殊的方向。当一束自然光射到膜片上 时，与此方向垂直的光振动分量完全被吸收，只让平行于 该方向的光振动分量通过，即只允许沿某一特定方向的光 通过的光学器件，叫做偏振片。这个特定的方向叫做偏振 片的偏振化方向，用“ ”表示。
例
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n1
i · · · · ·
·
i
· ·
n2 ·
·
·
i i n1
· ···· B
· · B·
n2
·
· ·
·
n1 · · · n2
iB
iB ·
·
·
g·
·
n1
ii
n2
n1
iB
n2
n2 > n1
画出相应的反射光，折射光 的方向及偏振态
▲实例：外腔式激光管加装布儒斯特窗，可使出 射光为全偏振光，并减少反射损失。
I = Ix + Iy
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自然光的表示法
···
3.部分偏振光
部分偏振光
部分偏振光可用两个相互独立、
没有固定相位关系、不等振幅
且振动方向相互垂直的线偏振
光表示。
部分偏振光的分解
部分偏振光的表示法
··
平行板面的光振动较强
·· · ··
垂直板面的光振动较强
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4. 椭圆偏振光和圆偏振光 光矢量末端的运动轨迹是椭圆或圆。
光轴
voDt
·
veDt
( 平行光轴截面 )
ve vo
( 垂直光轴截面 )
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负晶体
vo <ve no > ne
光轴
·
( 平行光轴截面 )
ve vo
( 垂直光轴截面 )
二. 单轴晶体中的波面 ( 惠更斯作图法(ve>vo) )
1. 光轴平行入射面，自然光斜入射负晶体中
B
·
光轴
·
A
B'
·
·
· 方解石
空气
玻璃
ib = arctan11..0500 = 56o18¢
玻璃
空气
ib = arctan11..5000 = 33o42¢
玻璃片堆起偏和检偏
入射自然光 I0
· ·
i0
·
·
·· · · · ·· · ··
·· · · ·
g
玻璃片堆
I¢ 线偏振光
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有反射光干扰的橱窗
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在照相机镜头前加偏振 片消除了反射光的干扰
光轴
· ·
·
o光 e光
·
2. 光轴平行入射面，自然光垂直入射负晶体中
光轴 · · 方解石
·
光轴
· ·
o光
e光
o光 e光
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3. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射
o光
· e光
·
· ·
· ·
e光
· ·
o光
·
此时，o, e 光传播方向相同，但传播速度不同。从晶体出
射后，二者产生相位差。
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三. 晶体偏振器
出波片后相位差为
Dj f
=
Dji
+
2π λ
(no
-
ne )d
=
Dji
+
π 2
Dji = π
Dji = 0
Dj f
=
3π 2
1 4波片
· · ·
Dj f
=
π 2
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• 波晶片对光偏振的影响:
入射光
波晶片
透射光
线偏振光 ( D j 0 = 0 ,p ) 圆偏振光 (Dj0 =p 2,-p 2) 自然光
椭圆偏振光
线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光的光振动均可分解为两个相互垂直
同频率相差恒定线偏振光振动的合成 x = A1 coswt y = A2 cos(wt + Dj )
对线偏振光，刚入射时相差为 Dji = π 或 0
垂直入射波晶片后，分解为振动方向相互垂直的 o 光和 e 光，取 x 轴方
向为 o 光振动方向，y 轴方向为 e 光振动动方向
o
光:
no
=
c v
o
( o 光主折射率)
e
光:
ne
=
c ve
( e 光主折射率)
u o光沿不同 方向的传播速 率相同，其波 面是球面
voDt
光轴
·
··· ··
· · ··
·
·
·
· ·
·
u e光沿不同方 向的传播速率不 相同，其波面是 以光轴为轴的旋
光轴 voDt
veDt
转椭球面.
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正晶体
vo >ve no < ne