大学物理 光的偏振
合集下载
《大学物理》光的偏振
符号表示
v
2. 线偏振光 (光振动只沿某一固定方向的光)
符号表示
v
v
光的振动方向与传播方向组成的平面称为振动面。
v
此线偏振光振动面为板面
3. 部分偏振光 ：某一方向的光振动比与之垂直方向 上的光振动占优势的光为部分偏振光 .
符号表示
13.12.2 偏振片 马吕斯定律
某些物质能吸收某一方向的光振动 , 而只让与这 个方向垂直的光振动通过, 这种性质称二向色性 .
量糖计就是根据这个原理制成的。
13.12 光的偏振
光的波动性 光波是横波
光的干涉、衍射 . 光的偏振 .
横波与纵波的区别
机械横波穿过狭缝
机械纵波穿过狭缝
13.12.1 自然光 偏振光
1. 自然光 ：各个方向的光矢量（无固 定的相位关系），在所有可能的方向 上的振幅都相等（轴对称）。
v
E
常把各个光矢量分解成任意两个相互垂直
的两个光矢量分量。
1. 偏振片 ： 涂有二向色性材料的透明薄片 . 偏振化方向 ： 只让某一特定方向的光通过，这个方
向叫此偏振片的偏振化方向 . 自然光通过偏振片强度减少一半。
I0
起偏器
1 2
I0
偏振化方向
起偏器：将自然光变为线偏光的光学器件 检偏器：检验光偏振态的光学器件
3. 起偏和检偏
2.马吕斯定律（1880 年）
I = I0 cos2a
I 入射偏振光的强度
I 0 出射光的强度
a 是入射的偏振光的光振
动方向与偏振片的偏振 化方向之间的夹角 Nhomakorabea马吕斯定律的证明
N
I0
M
E0
N M
E a E0
大学物理 11.8 光的偏振
光的波动性 光波是横波
机械横波与纵波的区别
光的干涉、衍射 . 光的偏振 .
机 械 波 穿 过 狭 缝
11.8 光的偏振
一、光的偏振态
偏振: 波的振动方向相对传播方向的不对称性。 E
0
H
v
光的偏振态: 光矢量在与光传播方向垂直的 平面内的振动状态。
自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光
1、自然光（非偏振光） 自然光在垂直其传播方向 的平面内，沿各方向振动的光 矢量都有，各方向的光矢量振 动方向和初相位是无规则随机 分布的，各方向上光矢量分布 均匀，而且各方向光矢量的振 幅也都相同，没有哪个方向上 的光矢量振动更占优势。 一般光源发出的光都是自然光.
π cos i0 sin cos( ) 2
sin i0 n2 sin n1
n2 sin i0 tan i0 n1 cos i0
i0
2
光的偏振
i0 i0
玻璃
n1 n2
i0
玻璃
n1 n2
2）根据光的可逆性，当入射光以 角从 n2 介 质入射于界面时，此 角即为布儒斯特角 .
v
E
符号表示
可以用任意两个相互垂直且等幅的振动来表示，它们 是所有各个方向上的振动在这两个垂直方向上投影的 结果。
2、线偏振光（平面偏振光） 在垂直于光传播方向的平面内，光矢量只沿着一个固定 的方向振动。
光矢量的振动方向与光的传播方向所确定的平面称为振动面
E
振动面
符号表示
v
3、部分偏振光 某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光 符号表示
理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关。 英国物理学家布儒斯特发现，当自然光的入射角满足 一定条件时，反射光为线偏振光。
机械横波与纵波的区别
光的干涉、衍射 . 光的偏振 .
机 械 波 穿 过 狭 缝
11.8 光的偏振
一、光的偏振态
偏振: 波的振动方向相对传播方向的不对称性。 E
0
H
v
光的偏振态: 光矢量在与光传播方向垂直的 平面内的振动状态。
自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光
1、自然光（非偏振光） 自然光在垂直其传播方向 的平面内，沿各方向振动的光 矢量都有，各方向的光矢量振 动方向和初相位是无规则随机 分布的，各方向上光矢量分布 均匀，而且各方向光矢量的振 幅也都相同，没有哪个方向上 的光矢量振动更占优势。 一般光源发出的光都是自然光.
π cos i0 sin cos( ) 2
sin i0 n2 sin n1
n2 sin i0 tan i0 n1 cos i0
i0
2
光的偏振
i0 i0
玻璃
n1 n2
i0
玻璃
n1 n2
2）根据光的可逆性，当入射光以 角从 n2 介 质入射于界面时，此 角即为布儒斯特角 .
v
E
符号表示
可以用任意两个相互垂直且等幅的振动来表示，它们 是所有各个方向上的振动在这两个垂直方向上投影的 结果。
2、线偏振光（平面偏振光） 在垂直于光传播方向的平面内，光矢量只沿着一个固定 的方向振动。
光矢量的振动方向与光的传播方向所确定的平面称为振动面
E
振动面
符号表示
v
3、部分偏振光 某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光 符号表示
理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关。 英国物理学家布儒斯特发现，当自然光的入射角满足 一定条件时，反射光为线偏振光。
大学物理光的偏振
偏振片
自
然 光
偏 振 化 方 向 线 偏振 光
2、起偏 ∶自然光通过偏 振片后变为线偏振光 ， 称为 起偏 。 3、检偏 ∶偏振片又可用来 检验光线的偏振化程度 ，称 为检偏 。
自然光
线偏振光
.
. . . .
起偏器 检偏器
§15-12 马吕斯定律
自然光 线偏振光
. .
起偏器
I0
I A
A0 a A
L (no ne )d 2 2 2 1 L (no ne )d L (no ne )d 4 2 (no ne )d 2 L (no ne )d 2 2 (no ne )d
一、 尼科耳棱镜 原理：利用o、e光的折射率不同，设法使其中一束 光产生全反射。 设计巧妙！
尼科耳棱镜：将一块方解石切成两半，再用加拿大树 胶粘合而成。 加拿大树胶
90 A 48
68
B
D
e光
O光
C
no 1.658
ne 1.486
n胶 1.55
加拿大树胶的折射率介于o、e光折射率之间
§15-13 反射光和折射光的偏振
一、布儒斯特定任意角度入射时，反射光和 折射光都为部分偏振光。 反射光中垂直于入射面振动 的光的强度比较大，折射光中 在入射面内振动的光的强度比 较大，均为部 分偏振光 。
r
n
1
n2
以布儒斯特角入射
当改变入射角，使之满足 ∶
§15-11 光的偏振
振动面：光矢量E与传播方向组成的平面。 偏振: E的振动方向对传播方向的不对称性。 E
光矢量 振动面
0
H
v
大学物理 光的偏振
成α角。由于只有平行于偏振化方向的振动A//才能透过，由图可知：
A//
A cos 0
而光强 I A2
I // IO
A/2/ A0 2
( Ao
c os a) 2 A0 2
I I0 cos2 a
AM 0
A
N
A//
o
14
如果入射到检偏片的线偏振光是穿过起偏器的光，则公式
一串光波列是横波。但从宏观上看，光源发出的光中包含了所有方向的光振动， 振动面可以分布在一切可能的方位，任何方向光矢量对时间的平均值是相等的。
所以自然光的光振动对光的传播方向是轴对称而又均匀分布的。
x E
c z
y
S
5
光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上，既有时间分布的均匀性，又有空间分 布的均匀性，具有这种特性的光就叫自然光 。 ( 或者说，具有各个方向的光振动， 且又无固定的位相关系的光)。
9
§14-2 起偏和检偏 马吕斯定律
一、偏振片的起偏、检偏
起偏： 把自然光变成偏振光。
1、偏振器：把自然光变成为全偏振光的仪器。 有些晶体（例如硫酸金鸡钠硷）对互相垂直的两个分振动
光矢量具有选择性吸收，这种现象称作晶体的二向色性。 自然光通过这种晶体薄片后，只剩下一个方向的振动，而
另一个方向的振动则被吸收。这种晶体薄片就可做偏振片。
n sin i0 1.73
sin 0
或者，由
将i0=600代入，得
tan i0
n2 n1
n2
n=1.73
26
§14-4 光的双折射现象 一、光的双折射
当一束光投射到两种媒质的交界处，一般只能看到一束折射光，折射定律为：
A//
A cos 0
而光强 I A2
I // IO
A/2/ A0 2
( Ao
c os a) 2 A0 2
I I0 cos2 a
AM 0
A
N
A//
o
14
如果入射到检偏片的线偏振光是穿过起偏器的光，则公式
一串光波列是横波。但从宏观上看，光源发出的光中包含了所有方向的光振动， 振动面可以分布在一切可能的方位，任何方向光矢量对时间的平均值是相等的。
所以自然光的光振动对光的传播方向是轴对称而又均匀分布的。
x E
c z
y
S
5
光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上，既有时间分布的均匀性，又有空间分 布的均匀性，具有这种特性的光就叫自然光 。 ( 或者说，具有各个方向的光振动， 且又无固定的位相关系的光)。
9
§14-2 起偏和检偏 马吕斯定律
一、偏振片的起偏、检偏
起偏： 把自然光变成偏振光。
1、偏振器：把自然光变成为全偏振光的仪器。 有些晶体（例如硫酸金鸡钠硷）对互相垂直的两个分振动
光矢量具有选择性吸收，这种现象称作晶体的二向色性。 自然光通过这种晶体薄片后，只剩下一个方向的振动，而
另一个方向的振动则被吸收。这种晶体薄片就可做偏振片。
n sin i0 1.73
sin 0
或者，由
将i0=600代入，得
tan i0
n2 n1
n2
n=1.73
26
§14-4 光的双折射现象 一、光的双折射
当一束光投射到两种媒质的交界处，一般只能看到一束折射光，折射定律为：
(完整版)大学物理--光的偏振(完全)
偏振化方向：允许通过的光振动方向。常用箭
头“ ”表示。 Io
偏振片
1 I 2 Io
• •• •
自然光
线偏振光
图
假如光是纵波，光强经过偏振片后强度会变吗？ 6
偏振片既可用作起偏器,又可用作检偏器。 若以光传播方向为轴,慢慢旋转检偏片,观察透过 偏振片的光, 光强无变化的是自然光 光强有变化,但最小值不为零的是部分偏振光;
I1
Imax 5 1 2I2 , I2 2
I min
I1 I1
即入射光中自然光和线偏振光的光强之比为1:2。
11
§15.3 反射和折射时光的偏振
1. 反射和折射时光的偏振 布儒斯特定律
•
•i •
•• ••
n1
n2
•
图
•
一般情况下,反射光和折射光都是部分偏振光： 在反射光中, 垂直振动多于平行振动; 在折射光中, 平行振动多于垂直振动。 这里所说的“垂直”和“平行”是对 入射面而言的。
方法二利用布儒斯特现象获得线偏振光 12
1812年，布儒斯特由实验证明：当入射角io满足
tgio
n2 n1
•
•
•
• io •
• •
n1
r•
n2
图
•
时, 反射光成为只有垂直振动的线偏振光。这就是 布儒斯特定律。角io称为布儒斯特角。
式中n1为入射媒质的折射率, n2为折射媒质的折射率。
13
(1)当以布儒斯特角入射时，反射光线折射光线，
当且仅当 tgio
n2 n1
时，反射光才是线偏振光。且
n1>n2或n1<n2都可以。
•
•
•
而全反射：入射角i i临
大学物理-14章：光的偏振
A (2n) s2
As1 sin
2n
i2
i0
A (2n) P2
AP1
. 在拍摄玻璃窗内的物体时， 去掉反射光的干扰
未装偏振片
装偏振片
▪ 这张照片拍摄时没有加偏振滤镜，玻璃面 上的反射光现象很明显。此照片拍摄时相 机指向与玻璃大约成45度角。
▪ 这张照片是加上偏振滤镜后拍摄的。相机指向与 玻璃仍然是45度角左右。可以看出，虽然偏振滤 镜消去了大部分的反射光，但是仍然有一部分反 射光存在。这是因为在45度角离布儒斯特角甚远， 玻璃面上的反射光是部分偏振光，偏振滤镜无法 把这样的反射光全部滤去。
反射光为振动方向垂直于入射面的线偏振光
n1 sin i10 n2 sin i2
n1 sin tg i10
i10
n2 n2 n1
sin( 900 i10) n2 cos i10
----布儒斯特定律
若 n1 =1.00 (空气)，n2 =1.50 (玻璃)，则：
三 折射光的偏振态
As2 2sini2 cosi1 As1 sin(i1 i2 )
解：设P1、P2的 I1 P1 I1' P2 I1' ' E
偏振化方向夹
角为
I2
I2' I2''
入射线偏振光振动方向与P1的偏振化方
向夹角为
对自然光：
I1'
1 2
I1
I1''
1 2
I1
cos2
线偏振光：
I2' I2 cos2 I2 '' I2 cos2 cos2
因I1’’和I2’’是非相干光
(900 ) (900 i2 ) 180
大学物理第6章-光的偏振
起偏 检偏 马吕斯定律 (polarizing, analyzing and Malus law)
1.偏振片(polarizing plate), 起偏, 检偏
1)偏振片: 只允许某一个方向的振动透过的光学元件
(6)
2)偏振片的用途
(a)作起偏振器
I0
I0/2
(b)作检偏振器
偏振光
光强为零 (消光)
2.波片(wave plate)
(23)
出波片C 时, o光和e光的振动:
A
Ao
Ae
光轴
P1
偏振片P1
单色自然光
波片C
d
x
y(光轴)
A
Ae
Ao
光轴
d
e光
o光
所以
则
合成为线偏振光
合成为正椭圆偏振光
合成为斜椭圆偏振光
合成为圆偏振光
k=0, 1, 2,
1) 1/4波片
思考: (1)线偏光通过1/4波片后, 出射光的偏振态和 光强如何?
O
z
O
z
部分偏振光的分解
部分偏振光
·
·
·
·
·
·
·
·
图示法
(4)
部分偏振光可以看成是自然光和线偏振光的混合。
(5)
4.椭圆和圆偏振光(elliptic and circular polarized light)
Ex
Ey
E
x
y
y
x
z
x
y
x
Ex
Ey
E
y
z
光矢量E的大小和方向在垂直于传播方向的平面上有规律地变化, 光矢量末端轨迹为椭圆称为椭圆偏振光;末端轨迹为圆称为圆偏振光。
1.偏振片(polarizing plate), 起偏, 检偏
1)偏振片: 只允许某一个方向的振动透过的光学元件
(6)
2)偏振片的用途
(a)作起偏振器
I0
I0/2
(b)作检偏振器
偏振光
光强为零 (消光)
2.波片(wave plate)
(23)
出波片C 时, o光和e光的振动:
A
Ao
Ae
光轴
P1
偏振片P1
单色自然光
波片C
d
x
y(光轴)
A
Ae
Ao
光轴
d
e光
o光
所以
则
合成为线偏振光
合成为正椭圆偏振光
合成为斜椭圆偏振光
合成为圆偏振光
k=0, 1, 2,
1) 1/4波片
思考: (1)线偏光通过1/4波片后, 出射光的偏振态和 光强如何?
O
z
O
z
部分偏振光的分解
部分偏振光
·
·
·
·
·
·
·
·
图示法
(4)
部分偏振光可以看成是自然光和线偏振光的混合。
(5)
4.椭圆和圆偏振光(elliptic and circular polarized light)
Ex
Ey
E
x
y
y
x
z
x
y
x
Ex
Ey
E
y
z
光矢量E的大小和方向在垂直于传播方向的平面上有规律地变化, 光矢量末端轨迹为椭圆称为椭圆偏振光;末端轨迹为圆称为圆偏振光。
【大学物理】第12光的偏振
注意： 这个特定的角称为
布儒斯特角；
n1
i0
n2
r0
此时折射光仍为 部分偏振光；
入射角为起偏振角 时，反射光与折射
光互相垂直,是完全
偏振光。
sin i0 n2 sin r0 n1 又i0 r0 90
tgi0
sin i0 cos i0
sin i0 sin r0
n2 n1
n21
i临介 arcsin
e光出射成为偏振光
1.550 1.658
70
可用于起偏和检偏 （a） S （b）S （c）S
表示两尼科耳棱镜主截面的夹角
0
0 2
2
§12—6，7椭圆偏振光和圆偏振光 偏振光的干涉
1、波片：光轴平行于晶面的双折射晶体的薄片。
2、（1）当偏振光的振动面与波片的光轴成 角 00 , 900入射到厚度为l的波片内分成o、e
P2 A2
P3 A3
(b)
因而
A3
A1
cos
cos(
2
)
A1
cos
sin
1 2
A1 sin
2
所以
I3
1 4
I1
sin2
2
又由于
I1
1 2
I0
最后得
I
1 8
I0
sin
2
2
由此可见，当不断旋转P2时，透过P3的光强将在最强（I0/8）与零 之间作周期性变化。
§12－3反射和折射时的偏振 布儒斯特定律
时a=a/2，所以
0
大学物理实验光的偏振
实验27 光的偏振一、实验目的1、观察光的偏振现象，加深对光的偏振的理解。
2、了解偏振光的产生及其检验方法。
3、观测布儒斯特角，测定玻璃折射率。
4、观测椭圆偏振光与圆偏振光。
5、了解1/2波片和1/4波片的用途。
二、实验原理 1、光的偏振状态光是电磁波，它是横波。
通常用电矢量E 表示光波的振动矢量。
(1)自然光 其电矢量在垂直于传播方向的平面内任意取向，各个方向的取向概率相等，所以在相当长的时间里（10-5秒已足够了），各取向上电矢量的时间平均值是相等的，这样的光称为自然光，如图27-l 所示。
(2)平面偏振光 电矢量只限于某一确定方向的光，因其电矢量和光线构成一个平面而称其为平面偏振光。
如果迎着光线看，电矢量末端的轨迹为一直线，所以平面偏振光也称为线偏振光，如图27-2所示。
(3)部分偏振光 电矢量在某一确定方向上较强，而在和它正交的方向上较弱，这种光称为部分偏振光，如图27-3所示。
部分偏振光可以看成是线偏振光和自然光的混合。
(4)椭圆偏振光 迎着光线看，如果电矢量末端的轨迹为一椭圆，这样的光称为椭圆偏振光。
椭圆偏振光可以由两个电矢量互相垂直的、有恒定相位差的线偏振光合成得到。
(5)圆偏振光 迎着光线看，如果电矢量末端的轨迹为一个圆，则这样的光称为圆偏振光。
圆偏振光可视为长、短轴相等的椭圆偏振光。
图27-4 椭圆偏振光2、布儒斯特定律反射光的偏振与布儒斯特定律如图27-5所示，光在两介质（如空气和玻璃片等）界面上，反射光和折射光（透射光）都是部分偏振光。
当反射光线与折射光线的夹角恰为90°时，反射光为线偏振光，其电矢量振动方向垂直于入射光线与界面法线所决定的平面（入射面）。
此时的透射光中包含平行于入射面的偏振光的全部以及垂直于入射面的偏振光的其余部分，所以透射光仍为部分偏振光。
由折射定律很容易导出此时的入射角α满足关系12tan n n =α (27-1)(27-1)式称为布儒斯特定律，入射角α称为布儒斯特角，或称为起偏角。
大学物理第6章-光的偏振
光的偏振 (polarization of light)
偏振: 光波的振动方向对于传播方向的不对称性
6.9 光的偏振性 (The polarization of light)
O
O
A z
如果光是纵波，则光矢 量E在垂直于传播方向 的平面A内的分布是均 匀的。
A
z
如果光是横波，则光矢 量E在垂直于传播方向的 平面A内的分布是不均匀 的, 称为光的偏振。
n1
i
反射光中: 垂直振动 多于平行振动。
n2
r
折射光中: 平行振动多于垂直振动。
(10)
2.布儒斯特定律(Brewster’s law)
当入射角i = i0 时
使之满足:
tan
i0
n2 n1
i0
n1
1)反射光为线偏振光, 只有垂直振动;
n2
r0
i0为起偏角(布儒斯特角)
2)折射光为部分偏振光,
i0 r0 90
··
图示法
部分偏振光可以看成是自然光和线偏振光的混合。
(4)
4.椭圆和圆偏振光(elliptic and circular polarized light)
光矢量E的大小和方向在垂直于传播方向的平面上有
规律地变化, 光矢量末端轨迹为椭圆称为椭圆偏振光;
末端轨迹为圆称为圆偏振光。
y
y
x
y
x
y
Ey E
2.理解光的起偏和检偏,掌握马吕斯定律及应 用。 3.理解光在反射、折射时偏振态的变化, 掌握布儒斯
特定律。
(33)
自然光
起偏与检偏
偏振光
光获 的得 方偏 法振
偏振片 折射起偏 反射起偏 双折射
偏振: 光波的振动方向对于传播方向的不对称性
6.9 光的偏振性 (The polarization of light)
O
O
A z
如果光是纵波，则光矢 量E在垂直于传播方向 的平面A内的分布是均 匀的。
A
z
如果光是横波，则光矢 量E在垂直于传播方向的 平面A内的分布是不均匀 的, 称为光的偏振。
n1
i
反射光中: 垂直振动 多于平行振动。
n2
r
折射光中: 平行振动多于垂直振动。
(10)
2.布儒斯特定律(Brewster’s law)
当入射角i = i0 时
使之满足:
tan
i0
n2 n1
i0
n1
1)反射光为线偏振光, 只有垂直振动;
n2
r0
i0为起偏角(布儒斯特角)
2)折射光为部分偏振光,
i0 r0 90
··
图示法
部分偏振光可以看成是自然光和线偏振光的混合。
(4)
4.椭圆和圆偏振光(elliptic and circular polarized light)
光矢量E的大小和方向在垂直于传播方向的平面上有
规律地变化, 光矢量末端轨迹为椭圆称为椭圆偏振光;
末端轨迹为圆称为圆偏振光。
y
y
x
y
x
y
Ey E
2.理解光的起偏和检偏,掌握马吕斯定律及应 用。 3.理解光在反射、折射时偏振态的变化, 掌握布儒斯
特定律。
(33)
自然光
起偏与检偏
偏振光
光获 的得 方偏 法振
偏振片 折射起偏 反射起偏 双折射
大学物理 第三章 光的偏振
9.请将下列各图中反射光及折射光的偏振态 9.请将下列各图中反射光及折射光的偏振态 画出来. 画出来.图中i0 = tg-1 n2/n1 i≠i0
(E) I 0 cos α .
4
(B) 0.
1 2 (D) I 0 sin α. 4
[ C ]
6.如图,P1, P2为偏振化方向间夹角为α的两个偏 如图, , 为偏振化方向间夹角为α 如图 振片.光强为I 的平行自然光垂直入射到P 表面上, 振片.光强为 0的平行自然光垂直入射到 1表面上, 1 I cos α. 则通过P 的光强I= 则通过 2的光强 2
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 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 光轴. 双折射,该方向称为晶体的光轴. 例如,方解石晶体(冰洲石) 例如,方解石晶体(冰洲石) 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: 单轴晶体:只有一个光轴的晶体
υ e → ne =
c
υe
根据n 的关系可分为正, 根据 0 ,ne的关系可分为正,负晶体 负晶体 : ve > v0 方解石 : ve < v0 正晶体 英 ne< no,如 ne> no,如石
5. 单轴晶体的主平面 主平面: 主平面:单轴晶体中光的传播方向与晶体 光轴构成的平面. 光轴构成的平面.
α = 0,I = I max = I 0 三. 检偏
消光 α = ,I = 0 ——消光
2
旋转一周 2 明2 暗 自然光 部分偏振光
π
用偏振器件 分析, 分析,检验 光的偏振态
?
堆叠在一起, 例1. 三个偏振片 P1,P2与P3 堆叠在一起, 的偏振化方向相互垂直, P1 与 P3 的偏振化方向相互垂直 , P2 与 P1 的偏振化方向间的夹角为 30 ° .强度为 I0 的自然光垂直入射到偏振片 P1,并依次透过 偏振片 P1 , P2 与 P3 , 若不考虑偏振片的吸 收和反射,则通过三个偏振片后的光强为: 收和反射,则通过三个偏振片后的光强为:
大学物理-光的偏振
2、振动面的旋转角与波长有关， 波长给定则与旋光物质的厚度l 有关。
3、偏振光通过糖溶液、松节油时，振动面的旋转角
· ·
平行板面的 光振动较强
· ·· · ··
垂直板面的 光振动较强
20-2 起偏和检偏 马吕斯定律
一、偏振片的起偏和检偏
起偏：使自然光（或非偏振光）变成线偏振光的过程。
检偏：检查入射光的偏振性。
偏振片
将待检查的入射光垂直入 自然光 射偏振片，缓慢转动偏振 片，观察光强的变化，确 定光的偏振性。
透 光 轴 方 向
20-1
光的偏振状态
振动面：通过波的传播方向且包含振动矢量的平面。
偏振: 波的振动方向相对传播方向的不对称性。 E
光矢量 振动面
0
H
v
光的偏振态: 光矢量在与光传播方向垂直的 平面内的振动状态。
1.自然光 光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上，既有 时间分布的均匀性，又有空间分布的均匀性。
一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、 等幅的、不相干的线偏振光。
干涉的明暗条件
色偏振
三、人为双折射现象
某些晶体在受到外界作用时失去各向同性的性质， 也呈现双折射现象。 1、光弹性效应——应力双折射 在机械应力作用下，显示光学各向异性
两偏振光通过厚度为d介质后产生的位相差
2、克尔效应——电致双折射
在强电场作用下，使分子定向排列，获得各向异性
透光轴相互垂直
P1
C
纸面
双 折 射
光 光
方解石 晶体
当方解石晶体旋转时 o光不动，e光围绕o光旋转
纸面
双 折 射
光 光
方解石 晶体
当方解石晶体旋转时 o光不动，e光围绕o光旋转
大学物理实验光的偏振
大学物理实验光的偏振
光的偏振是指光在传播时，电场矢量的振动方向只能沿着某一特定方向，而不能沿着
所有方向振动。
光的偏振是光的一个重要性质，也是光学重要的研究内容之一。
我们可以通过光的偏振，来研究光的各种性质。
光的偏振可以分为线偏振、圆偏振和
椭偏振三种类型。
实验中，我们可以使用偏振片和偏振光源来研究光的偏振。
下面我介绍两个光的偏振
实验。
我们可以使用偏振片来观察光的偏振现象。
偏振片本身的作用是把不偏振的光线变成
具有偏振性质的光线。
实验步骤：
1.将偏振片放在光源的前面，并让光通过偏振片。
2.将第二个偏振片放在第一个偏振片的后面，并使两个偏振片的透振方向相互垂直。
3.观察通过第二个偏振片的光，发现光线的亮度发生变化，当两个偏振片的透振方
向平行时，光的亮度最大，当两个偏振片的透振方向垂直时，光变暗。
实验原理：
我们可以通过双折射晶片来产生圆偏振光，然后通过偏振片观察光的偏振现象。
3.观察通过偏振片后的光线，可以发现无论偏振片的透振方向如何调整，光的亮度
都不会发生变化。
这是因为圆偏振光在所有方向都具有相同的偏振性质，无论用任何方
向的透振片都不会改变其偏振性质。
圆偏振光是指光的电场振动方向沿着一个圆周运动。
这种光不具有特定的偏振方向，
无论用任何方向的偏振片都可以通过。
总结
光的偏振是光学重要的研究内容之一。
我们可以通过偏振片和偏振光源的实验，研
究光的偏振现象。
本文介绍了光通过偏振片和双折射晶片形成的圆偏振光的实验，希望
对读者有所帮助。
大学物理中的光的偏振问题
大学物理中的光的偏振问题光的偏振问题是大学物理中一个重要且深奥的话题。
光的偏振现象在自然界和科技应用中都有着广泛的应用。
本文将从光的偏振现象的基本概念开始介绍，然后探讨光的偏振原理和相关实验，最后讨论光的偏振在生活和科技中的应用。
一、光的偏振概述光是一种电磁波，具有波动性和颗粒性。
光的偏振是指光波传播过程中电场矢量振动方向的固定性。
光波不同于机械波，其电场矢量在垂直于传播方向的平面内振动，我们把这个平面称为偏振方向。
光的偏振可以通过偏振片进行实验观察，常见的偏振片有线性偏振片和圆偏振片。
二、光的偏振原理光的偏振原理可以通过振动模型和波动理论来解释。
在振动模型中，光被认为是垂直于传播方向的电场和磁场的振动。
假设光是垂直于传播方向的电场振动的话，我们可以把光的偏振方向定义为电场矢量的振动方向。
而在波动理论中，光波被认为是由电场和磁场相互作用产生的。
三、光的偏振实验为了观察和测量光的偏振，科学家们开展了一系列实验。
其中最经典的实验是马吕斯实验。
马吕斯实验利用了偏振片和光的干涉现象。
通过调整偏振片与光光路之间的相对角度，可以观察到不同偏振方向的亮度变化。
通过这种实验可以研究光的偏振现象和性质。
四、光的偏振应用光的偏振在生活和科技中有许多应用。
其中应用最广泛的就是偏振光的显示技术。
液晶显示器、3D电影和太阳镜等都是利用了偏振光的特性来实现对光的控制。
此外，在光通信、光纤传感等领域，光的偏振也起着重要的作用。
光的偏振还可以应用于显微镜、天文学和生命科学等领域，为科学研究和技术发展带来了诸多便利。
综上所述，光的偏振是一个涉及物理学基础理论和实验应用的重要课题。
通过理论和实验的研究，我们可以更好地理解光的偏振现象以及其在生活和科技中的应用。
光的偏振问题的深入研究将为我们揭示光传播和相互作用的更多奥秘，并为光学科学的发展提供更多的可能性。
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
19 光的偏振
1
19-1 自然光和偏振光 19-2 起偏和检偏 马吕斯定律 19-3 反射和折射起偏 布儒斯特定律
19-4 晶体双折射 偏振棱镜
19-5 椭圆和圆偏振光的获得和检验
19-6 偏振光的干涉 19-7 光弹效应和电光效应 19-8 旋光
19-1 自然光和偏振光
2
一、自然光 偏振光 光波是横波
i0
2
反射线与折射线垂直
n1 i0 i0
n2
6
空气
玻片堆
7
许多玻璃片叠起来： 增强反射光的强度， 增强透射光的偏振化程度。
折射光近似完全线偏振光，是 平行于入射面振动。
玻片堆
8
讨论 下列情况光线的反射和折射
i0
i0
i0
i
i
i
19-4 晶体双折射 偏振棱镜
一、双折射的寻常光和非常光
第一步 令入射光通过偏振片A ，改变 A 的透振方向，观察透射光强变化
A I 18
观察现象 有消失 强度无变化
强度有变化，但无消光
结论 线偏振光 自然光或圆偏振光 部分偏振光或椭圆偏振光
第二步
a.令入射光依次通过
1/4 波片和偏振片B， 改变B的透振方向，
观察透光强度变化。
B
4
I
b. 1/4波片的光轴方向必须
12
折射表面 光轴方向
B
空气
A
B
A0 Be
方解石
Oe
13
光轴
O
eO e
光轴
(b)
(a)
光轴
(c)
光轴
e O (d)
三、尼科尔棱镜
14
15
*四、1/4波片和半波片
波片
从单晶体切下来的薄片，其表面
与晶体的光轴平行。
光轴
(no ne )d
2
(no
ne )d
1/4波片
(no
起偏器 检偏器
二向色性
2.透振方向（偏振化方向）：
当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向 的光通过，这个方向叫此偏振片的透振方向。
透振方向
5
起偏器
E0 I0
三、马吕斯定律：
EI
检偏器
一束光强为 I0 的线偏振光，透过检偏器的透射光强为：
I I0 cos2
是线偏振光的光振动方向与检偏器透振方向之间夹角。
600
i
光轴
i
e
o
光轴
Ee2 P2 光轴20
e
Ee
E1
Eo
P1
I1(cos2 讨论：
cos2
sin 2
sin 2
1 2
sin
2
sin
2
cos )
1） I2 与 、、 有关。
2
n0
ne
d
0
(或
)
2） 来源
a）入射波片前的 1，设 1=0 b）波片引起的 2
sin2 2 0 0或 2
即插入的偏振片偏振方向应与 其中的一块平行。
I3
1 P18
I0 sin
P2
2
2
28
P3
（3）若I3=I0/2，得 sin2 2 4
说明出射光强不可能为I0/2。
（4）设通过第一片偏振片P1的光
振幅为A1，则Ae2 Ao21 2A1 sin
与通过偏振片A的极大或极 小的透振方向重合。
A
4
B
观察现象 结论
有消失 无消失 有消失
无消失
圆偏振光 自然光 椭圆偏振光 部分偏振光
19-6 偏振光的干涉
19
1. 偏振光的干涉现象
2. 偏振光的干涉原理
O
Ee2
P2
光轴
Ee e
E1 Ee2 Ee cos E1 cos cos
5）当 P1 // P2 3 0 I2// I1 I2 互补
19-7 光弹效应和电光效应
22
1. 光弹效应
2. 电光效应
克尔效应
(no ne )l klE2
泡克耳斯效应
19-18 旋光现象
23
1. 晶体和溶液的旋光性 旋光现象
1） 晶体: d
解: （1）设插入的偏振片与第一块偏振片偏振
方向的夹角为，则与第二块的夹角为90-。
自然光透过第一块偏振片后的光强为I0/2。
由马吕斯定律透过第二，三个偏振 片光强分别为
P1 P2
P3
I2
1 2
I0
cos2
I3
I2
cos2 (900
)
1 8
I0
sin2
2
450
（2）若I3=0，得
x2 y2 2 xy cos sin2
Ax2 Ay2
Ax Ay
2 1
(2k 1) π
2
Ax Ay 合成正椭圆偏振光
Ax Ay 合成圆偏振光
k 合成线偏振光
19-2 起偏和检偏 马吕斯定律
4
1.二向色性和偏振片
二向色性：某些物质能吸收某 一方向的光振动，而只让与这 个方向垂直的光振动通过，这 种性质称二向色性。
c）坐标投影引起的 3（0 或 ）
I2 I1(cos2 cos2 sin2
3）当
P1P2
2
当IE2e2 IE1K0s2in2(12K2E1ss0iinn,122,[2Ld)
2
sin2
3
(n0 ne 时，
1 sin 2 sin 2
9
偏振片
e光
寻常光（O光）： 满足折射定律。
O光
非常光（e 光）： 违背折射定律。 实验证明 O 光和 e 光都是偏振光
晶体光学性质简介
1.晶体的光轴 晶体内部的一个特殊方向，称晶体的 光轴。光线沿这一方向传播时不发生 双折射现象。
102 A 光轴
102 102
78
78
78
2.晶体主截面 界面的法线和光轴构成的平面
2
3 4
A1
P2 光轴
Ae2
Ae1
A1
Ao1 Ao2
P1
通过1/4玻片后，O光和e光有 /2的相位差，通过第二片偏振片
P2后产生附加相位差。
通I过第A二22 片 偏Ao2振2 片后Ae2O2 光 2和Ae0光2 A是e2相co干s光(2，合成)光1强36 为I0
29
例3. 用方解石晶体（负晶体）切成一个截面为正三角形的 棱镜，光轴方向如图，若自然光以入射角 i 入射并产生双 折射。试定性地分别画出 o 光和 e 光的光路及振动方向。
4
P1
光 轴
/ 2
正椭圆偏振光
d
/4
圆偏振光
小结：偏振光的获得和检验
17
1.偏振光的获得
1）线偏振光：（从自然光获得线偏振光） 偏振片、玻片堆、晶体（波片）、尼科耳棱镜等。
2）椭圆偏振光： 自然光通过起偏器和一个波片。
2.检验偏振光
自然光，圆偏振光，线偏振光，部分偏振光，椭圆偏振光。
19-3 反射和折射起偏 布儒斯特定律
1. 反射和折射起偏
反射光：部分偏振光
n 垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动。
折射光：部分偏振光
1
n 平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动。
2
ii
布儒斯特定律
玻璃
tgi0
n2 n1
i0 为起偏角
满足上式反射光是垂直于入射面的完
全线偏振光，折射光是部分偏振光。
光的偏振
1.自然光（非偏振光）
在垂直光传播方向的平面内，光矢量大小在所有可能方向上都
相等，各矢量之间没有固定的相位关系，这种光称为自然光。
I x Ax2 Ai2x
I y Ay2 Ai2y 1 Ix Iy 2 I0
2.线偏振光
光的振动方向在同一平面内， 只沿某一固定方向振动的光。
tgi0
n2 n1
i0 900
26
例1. 一束自然光从空气射到平面玻璃上，入射角为 58o ，此时 反射光是线偏振光，求此玻璃的折射率及光线的折射角。
解：由布儒斯特定律
tgi0
n2 n1
n2
n2 tg580 1.60
i0 900
折射角为
n1 i0 i0
n2
B 方解石晶体
3.晶体主平面 晶体中某光线和光轴构成的平面
单轴晶体 双轴晶体
产生双折射的原因
10
寻常光线（O光） 光振动方向始终与光轴垂直，在晶体中的传 播速度和折射率恒定，因而遵守折射定律。
no
c vo
常量
非常光线（e光）
光轴 O光波阵面
光振动方向和光轴夹角在晶体
中发生变化，传播速度和折射 率也随之改变，因而不遵守折
900 580 320
例2. 两个偏振方向正交放置的偏振片，以光强为I0的自然单色27光 照射，若在其中插入另一块偏振片，求：
（1）若透过的光强为I0 /8，插入的偏振片方位角； （2）若透过的光强为0，插入的偏振片方位角； （3）能否找到合适的方位，使透过的光强为I0/2； （4）若在其中插入一块1/4波片，其光轴与第一块偏振片的偏振 方向成30角，出射光的强度为多少？
1
19-1 自然光和偏振光 19-2 起偏和检偏 马吕斯定律 19-3 反射和折射起偏 布儒斯特定律
19-4 晶体双折射 偏振棱镜
19-5 椭圆和圆偏振光的获得和检验
19-6 偏振光的干涉 19-7 光弹效应和电光效应 19-8 旋光
19-1 自然光和偏振光
2
一、自然光 偏振光 光波是横波
i0
2
反射线与折射线垂直
n1 i0 i0
n2
6
空气
玻片堆
7
许多玻璃片叠起来： 增强反射光的强度， 增强透射光的偏振化程度。
折射光近似完全线偏振光，是 平行于入射面振动。
玻片堆
8
讨论 下列情况光线的反射和折射
i0
i0
i0
i
i
i
19-4 晶体双折射 偏振棱镜
一、双折射的寻常光和非常光
第一步 令入射光通过偏振片A ，改变 A 的透振方向，观察透射光强变化
A I 18
观察现象 有消失 强度无变化
强度有变化，但无消光
结论 线偏振光 自然光或圆偏振光 部分偏振光或椭圆偏振光
第二步
a.令入射光依次通过
1/4 波片和偏振片B， 改变B的透振方向，
观察透光强度变化。
B
4
I
b. 1/4波片的光轴方向必须
12
折射表面 光轴方向
B
空气
A
B
A0 Be
方解石
Oe
13
光轴
O
eO e
光轴
(b)
(a)
光轴
(c)
光轴
e O (d)
三、尼科尔棱镜
14
15
*四、1/4波片和半波片
波片
从单晶体切下来的薄片，其表面
与晶体的光轴平行。
光轴
(no ne )d
2
(no
ne )d
1/4波片
(no
起偏器 检偏器
二向色性
2.透振方向（偏振化方向）：
当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向 的光通过，这个方向叫此偏振片的透振方向。
透振方向
5
起偏器
E0 I0
三、马吕斯定律：
EI
检偏器
一束光强为 I0 的线偏振光，透过检偏器的透射光强为：
I I0 cos2
是线偏振光的光振动方向与检偏器透振方向之间夹角。
600
i
光轴
i
e
o
光轴
Ee2 P2 光轴20
e
Ee
E1
Eo
P1
I1(cos2 讨论：
cos2
sin 2
sin 2
1 2
sin
2
sin
2
cos )
1） I2 与 、、 有关。
2
n0
ne
d
0
(或
)
2） 来源
a）入射波片前的 1，设 1=0 b）波片引起的 2
sin2 2 0 0或 2
即插入的偏振片偏振方向应与 其中的一块平行。
I3
1 P18
I0 sin
P2
2
2
28
P3
（3）若I3=I0/2，得 sin2 2 4
说明出射光强不可能为I0/2。
（4）设通过第一片偏振片P1的光
振幅为A1，则Ae2 Ao21 2A1 sin
与通过偏振片A的极大或极 小的透振方向重合。
A
4
B
观察现象 结论
有消失 无消失 有消失
无消失
圆偏振光 自然光 椭圆偏振光 部分偏振光
19-6 偏振光的干涉
19
1. 偏振光的干涉现象
2. 偏振光的干涉原理
O
Ee2
P2
光轴
Ee e
E1 Ee2 Ee cos E1 cos cos
5）当 P1 // P2 3 0 I2// I1 I2 互补
19-7 光弹效应和电光效应
22
1. 光弹效应
2. 电光效应
克尔效应
(no ne )l klE2
泡克耳斯效应
19-18 旋光现象
23
1. 晶体和溶液的旋光性 旋光现象
1） 晶体: d
解: （1）设插入的偏振片与第一块偏振片偏振
方向的夹角为，则与第二块的夹角为90-。
自然光透过第一块偏振片后的光强为I0/2。
由马吕斯定律透过第二，三个偏振 片光强分别为
P1 P2
P3
I2
1 2
I0
cos2
I3
I2
cos2 (900
)
1 8
I0
sin2
2
450
（2）若I3=0，得
x2 y2 2 xy cos sin2
Ax2 Ay2
Ax Ay
2 1
(2k 1) π
2
Ax Ay 合成正椭圆偏振光
Ax Ay 合成圆偏振光
k 合成线偏振光
19-2 起偏和检偏 马吕斯定律
4
1.二向色性和偏振片
二向色性：某些物质能吸收某 一方向的光振动，而只让与这 个方向垂直的光振动通过，这 种性质称二向色性。
c）坐标投影引起的 3（0 或 ）
I2 I1(cos2 cos2 sin2
3）当
P1P2
2
当IE2e2 IE1K0s2in2(12K2E1ss0iinn,122,[2Ld)
2
sin2
3
(n0 ne 时，
1 sin 2 sin 2
9
偏振片
e光
寻常光（O光）： 满足折射定律。
O光
非常光（e 光）： 违背折射定律。 实验证明 O 光和 e 光都是偏振光
晶体光学性质简介
1.晶体的光轴 晶体内部的一个特殊方向，称晶体的 光轴。光线沿这一方向传播时不发生 双折射现象。
102 A 光轴
102 102
78
78
78
2.晶体主截面 界面的法线和光轴构成的平面
2
3 4
A1
P2 光轴
Ae2
Ae1
A1
Ao1 Ao2
P1
通过1/4玻片后，O光和e光有 /2的相位差，通过第二片偏振片
P2后产生附加相位差。
通I过第A二22 片 偏Ao2振2 片后Ae2O2 光 2和Ae0光2 A是e2相co干s光(2，合成)光1强36 为I0
29
例3. 用方解石晶体（负晶体）切成一个截面为正三角形的 棱镜，光轴方向如图，若自然光以入射角 i 入射并产生双 折射。试定性地分别画出 o 光和 e 光的光路及振动方向。
4
P1
光 轴
/ 2
正椭圆偏振光
d
/4
圆偏振光
小结：偏振光的获得和检验
17
1.偏振光的获得
1）线偏振光：（从自然光获得线偏振光） 偏振片、玻片堆、晶体（波片）、尼科耳棱镜等。
2）椭圆偏振光： 自然光通过起偏器和一个波片。
2.检验偏振光
自然光，圆偏振光，线偏振光，部分偏振光，椭圆偏振光。
19-3 反射和折射起偏 布儒斯特定律
1. 反射和折射起偏
反射光：部分偏振光
n 垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动。
折射光：部分偏振光
1
n 平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动。
2
ii
布儒斯特定律
玻璃
tgi0
n2 n1
i0 为起偏角
满足上式反射光是垂直于入射面的完
全线偏振光，折射光是部分偏振光。
光的偏振
1.自然光（非偏振光）
在垂直光传播方向的平面内，光矢量大小在所有可能方向上都
相等，各矢量之间没有固定的相位关系，这种光称为自然光。
I x Ax2 Ai2x
I y Ay2 Ai2y 1 Ix Iy 2 I0
2.线偏振光
光的振动方向在同一平面内， 只沿某一固定方向振动的光。
tgi0
n2 n1
i0 900
26
例1. 一束自然光从空气射到平面玻璃上，入射角为 58o ，此时 反射光是线偏振光，求此玻璃的折射率及光线的折射角。
解：由布儒斯特定律
tgi0
n2 n1
n2
n2 tg580 1.60
i0 900
折射角为
n1 i0 i0
n2
B 方解石晶体
3.晶体主平面 晶体中某光线和光轴构成的平面
单轴晶体 双轴晶体
产生双折射的原因
10
寻常光线（O光） 光振动方向始终与光轴垂直，在晶体中的传 播速度和折射率恒定，因而遵守折射定律。
no
c vo
常量
非常光线（e光）
光轴 O光波阵面
光振动方向和光轴夹角在晶体
中发生变化，传播速度和折射 率也随之改变，因而不遵守折
900 580 320
例2. 两个偏振方向正交放置的偏振片，以光强为I0的自然单色27光 照射，若在其中插入另一块偏振片，求：
（1）若透过的光强为I0 /8，插入的偏振片方位角； （2）若透过的光强为0，插入的偏振片方位角； （3）能否找到合适的方位，使透过的光强为I0/2； （4）若在其中插入一块1/4波片，其光轴与第一块偏振片的偏振 方向成30角，出射光的强度为多少？