1-2自然光、线偏振光、部分偏振光

合集下载

大学物理——光的偏振

光轴
B
方解石晶体的光轴
主平面：晶体中某条光线与晶体光轴构成的平面。
o光的主平面
····
e光的主平面
光轴 o光
光轴
e光
o光的振动方向垂直于o光的主平面。
e光的振动方向平行于e光的主平面。晶体主截面：晶面法线与晶体光轴构成的平面。
当入射光线在晶体主截面内时，o光和e光的主平
面与晶体主截面重合，这时o光和e光的振动方向
布儒斯特发现：当入射角等于某一特定值i0时，反射光是振动方向垂直于入射面的线偏振光。
且反射光传播方向与折射光传播方向垂直。
n1
sin i0
n2 tg i0
sinnr20 n1

n2 cos n21
i0

i0 r0 2
布儒斯特定律
自然光
i0 i0
线偏振光
n1
r0
n2 i0
部分偏振光
出射光为偏振光e光。
六. 波片椭圆偏振光和圆偏振光的获得
波片(波晶片)：光轴平行表面的晶体薄片。
C 光轴 P1
S. . . .

晶面
o 光轴 d e
d
y
光轴
x
P
Ae

λ

A
线偏振光
Ao
光轴 d
振幅关系
Ae Acos Ao Asin
通过厚为d的晶片，o光、e光产生光程差和相位差：
光矢量端点的运动轨迹是圆。
椭圆偏振光：光振动方向和幅度都随时间变化光矢量端点的运动轨迹是椭圆。
迎着光传播方向看，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。

偏振光现象的观察和分析

偏振光现象的观察和分析引言：光的偏振现象有法国工程师马吕斯首先发现。

对光偏振现象的研究清楚地显示了光的横波性，加深了人们对光传播规律的认识。

近年来光的偏振特性在光调制器、光开关、光学计量、应力分析、光信息处理、光通信、激光、光电子器件中都有广泛应用。

本实验利用偏振片和1/4波片观察光的偏振现象，并分析和研究各种偏振光。

从而了解1/4波片和1/2波片的作用及应用，加深对光偏振性质的认识。

实验原理1、偏振光的种类。

光可按光适量的不同振动状态分为五类：（1）线偏振光（2）自然光（3）部分偏振光（4）园偏振光（5）椭圆偏振光使自然光变成偏振光的装置称为起偏器，用来检验偏振光的装置称为检偏器。

2、线偏振光的产生。

（1）反射和折射产生偏振自然光以 i B =arc tan n 的入射角从空气入射至折射率为n 的介质表面上时，反射光为线偏振光。

以 i B 入射到一叠平行玻璃堆上的自然光，透射出来后也为线偏振光。

（2）偏振片。

利用某些晶体的二向色性可使通过他的自然光变成线偏振光。

（3）双折射产生偏振。

自然光入射到双折射晶体后，出射的o 光和e 光都为线偏振光。

3、波晶片4、线偏振光通过各种波片后偏振态的改变。

在光波的波面中取一直角坐标系，将电矢量E 分解为两个分量E X 和E y ，他们频率相同都为ω，设E y 相对E X 的相位差为∆φ，即有E X =A x cos ωt （2）E y =A y cos(ωt +∆φ) （3）由（2）、（3）两式得，对于一般情况，两垂直振动的合成为： e 轴O 轴 θ 光轴图 1E x2 A x2+ E y2A y2−2 E x2 E y2A x2A y2cos∆φ=sin2∆φ（4）注意对于线偏振光通过波片的情况∆φ取决于o光和e光入射时的相位差和由波晶片引起的相位差δ之和；而 E X为线偏振光振幅E在o轴的分量， E y为e轴的分量。

从上面垂直振动合成的一般情况出发可以得出以下结论：（1）线偏振光的振动方向与波片的光轴夹角为θ或π/2，或者通过1/2波片仍为线偏振光。

区分自然光、偏振光、部分偏振光依据和所用器件

有光强变化，但无消光
有光强变化，但无消光
有光强变化，但无消光
¼ 波片检偏器
自然光光强无变化
部分圆偏振光
光强有变化和无消光位置
圆偏振光
光强有变化和有消光位置
¼ 波片
椭圆偏振光
检偏器光强有变化和有消光位置光强有变化和无消光位置光强有变化和无消光位置光强有变化和无消光位置
¼ 波片
振光。自然光经过该玻片仍然是自然光。相应的椭圆偏振光通过该玻片当长轴与光轴重合时即变成线偏振光，圆偏振光与快轴成45°时也变成线偏振光，可利用这些性质判断出入射光的偏振性。
4有消光无光强变化无光强变化无光强变化
圆偏振光
部分圆偏光
椭圆偏振光部分线偏光部分椭圆偏光
区分自然光、偏振光、部分偏振光依据和所用器件
组员：陈瑞、洪羽剑、原毅
玻片介绍： 4
这种玻片产生的相位延迟为
2m 1
4
玻片产生
2
d 2m 1
玻片厚度为
no ne

4
振光。当入射线偏振光的光矢量与玻片快轴成
2
奇数倍的相位延迟，能使入射的线偏振光变成椭圆偏
（旋转检偏器 45°）
无光强变化
部分线偏振光
部分椭圆偏振光
有光强变化

1-2自然光、线偏振光、部分偏振光

2
1
下表面折射：
As 2 2 As 2 sin i'2 As1 sin 2i10 As1
2
2
2
1
As 2 Ap 2
经过n块玻璃透射：
2
2
即透射光是部分偏振光
n , P 1
光波作为电磁波，所谓振动是指空间某一点的电场强度的
方向和大小随时间做周期性的变化。
纵波：过传播方向的各平面都一样，每个平面都包含振动
方向，空间有旋转对称性。
横波：有振动方向的平面特殊。
这种振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振。
常见的光的偏振态有五种：自然光、线偏振光、部分偏振光、
圆偏振光和椭圆偏振光。
透振方向与拉伸方向垂直
2、起偏：
由自然光得到线偏振光
3、马吕斯定律：
入射光分解称两个垂直振动，一个沿透振方向，一个垂直于透振方向。
A
θ 入射线偏振光
第二块偏振片的透振方向
透射光的振动方向：透振方向
振幅：
光强：
A cos
I A cos I cos
2 2 2
4、检偏：
检验光的偏振态
自然光是由轴对称分布的、无固定位相关系的大量线偏振光
集合而成的，它是非偏振光。
可以认为自然光是由两个振幅相同、振动方向互相垂直的非相干线偏振光的叠加。
自然光的表示法（1）这两个方向的振动强度相同，因为这两个方向是等价的。
I x I y I0 2
（2）这两个振动的相位无关联，不能再合成为一个矢量。
I I ' 0.15 I s 0.15 2
312例5-2
四、透射光的偏振态
由能量守恒可知，折射光中p分量应大于s分量，是部分偏振光。讨论自然光以布儒斯特角入射时，从一个玻璃片出射的透射光的偏振态：

鉴别各种偏振光的办法

两明两暗但暗方位与未插/4 时不同
判断
圆偏振光
自自圆然然+ 偏椭圆光光光偏光
自线自椭圆然 + 偏然+ 偏光光光光
偏振光通过 1/4 波片后偏振态的变化
入射光线偏振光
线偏振光线偏振光圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光
四分之一波片方位
出射光
快轴与入射光振动方向平行或垂直
(1) Babinet补偿器(Babinet compensator) 两个光轴相互垂直并且都平行于端面的劈形晶体斜面相接
Babinet补偿器
入射光
透射光
例: 用1/4 波片和偏振片确定一束单色椭圆偏振光的状态
（椭圆取向、旋向）
1/4波片
分析步骤：
椭圆主轴
1. 不放波片，旋转偏振片，确定椭圆主轴取向；
快轴
偏振片
2. 在偏振片前插入波片，波片的快轴与椭圆主轴一致，
出射光应为线偏振光；
透光轴
3. 旋转偏振片，确定线偏振光的振动方向，其方向与波片的快慢轴的相对取向决定椭圆偏振光的旋向。
光程差: n o d 1 n e d 2 n o d 2 n e d 1 n o n e d 1 d 2
自然光光强不变（待定）圆偏振光
2、自然光和圆偏振光的检定
用¼ 波片和检振器，可区分自然光和圆偏振光
自然光
自然光
光强不变为自然光
圆偏振光
线偏振光
¼ 波片
旋转偏振片
光强变化且消光圆偏振光
3、部分偏振光和椭圆（正椭圆）偏振光的检定
部分偏振光
部分偏振光
椭圆偏振光
线偏振光
¼ 波片

第五章光的偏振A2013111教材

起偏
0
27 0
90
180
检
偏
起偏器
检偏器
模拟演示
0
0
27 0 27 0
90 90
180
180
二.马吕斯定律
如果入射线偏振光的光强为I1，通过
检偏器的透射光的光强为：
I2 I1 cos 2
：线偏振光振动方向与检偏器偏振化方向之间的夹角
I0
P 2
A1
I2 A2

I2 I1

A2 2 A12
意方向, 相互垂直, 有相位关系的同频率的线偏振
光（见后文）.
x
椭圆偏振光电矢量随时间逆时针旋转
3．部分偏振光
由自然光和完全偏振光组成的光，叫做部分偏振光 .
(1)自然光 + 线偏振光， (2)自然光 + 圆偏振光， (3)自然光 + 椭圆偏振光，
3）部分偏振光光矢量的平均值在某一方向上最强，与之垂直的方向上最弱的偏振光。表示：

cos2
I2 I1 cos2
----马吕斯定律 A 1 s in
A1
P 2
A2
A1 cos
讨论：
=0或 =1800时, I2=I1光强最强 =900或=2700时, I2=0光强最弱
例题：两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射其
上时没有光线透过。当其中一偏振片慢慢转动180 时透射光强度发生的变化为:
于纸面的光振动的平均值> 平行于纸面的光振动的平均值。
//于纸面的光振动的平均值> 垂直于纸面的光振动的平均值。
二由二向色性产生的平面偏振光
1）晶体的二向色性：

线偏振光进入波片后

（4）偏振光的光强
①自然光通过偏振片后，I1＝（1/2)I0 ;
②线偏振光通过偏振片后， I1＝I0 cos2(此称为马吕斯定律）； ③自然光通过双折射晶体后，I0＝ Ie ＝（1/2)I0 ； ④线偏振光通过双折射晶体后，
Ie＝I cos2，
Io＝I sin2
（5）偏振光的检验
各种偏振光通过偏振片后偏振状态的变化
3. 晶体偏光器件
（1）偏光棱镜；（2）偏光分束棱镜；（3）波晶片（全波片，半波片，四分之一波片等）；（4）位相延迟片（补偿器）等。
4. 偏振光的干涉
Ae A1 cos
Ao A1 sin
P1
Ao A02 A1 Ae Ae2 c
Ae 2 A1 cos cos
P2
I x Iy
③线偏振光：振动面取一定方位的线偏振光，可以看作是频率相同，振动方向相互垂直位相相同或反相，振幅比一定的两个线偏振光的合成。
E ( Ax i Ay j ) cos( t kz)
Ax=Acos Ay=Asin
4. 圆偏振光:可以看作是振动方向相互垂直、频率相同、振幅相等、位相差±/2的两个线偏振光的合成。
（5）因为线偏振光在30的方向上，故入射椭圆的长短轴之比 Ay/Ax=tan60。且可画出椭圆的外接矩形。
（6）石英是正晶体，经/4片后，e 光的位相落后于 o 光 /2 ，即 2 ＝－ /2 。因此，入射到 /4 片的光所具有的初始位相为 1 ＝－ 2 ＝ 3/2 （或－ /2 ）。此为一个左旋的椭圆偏振光。（7）综合以上结果有：在未放/4 片时的入射光偏振态为：一个左旋椭圆偏振光，长短轴之比为 Ay/Ax=tan60，长轴方向在N1主截面方向。如图所示。

偏振的图画,动画讲解

A1 表示入射偏振光的光矢量， Ao 和 Ae 分别为 A1 在平行和垂直于晶体主截面方向上的分量。 A2o和 A2e 表示o光
和e光通过偏振片A时,在平行其偏振化方向的分振动，它们就是透过偏振片A的相干光。若为复色光入射时，晶体对不同波长的光干涉条件各不相同，因此在检偏器后应看到不同的颜色，这种情况，我们称之为色偏振(chromatic polarization)。
白云石 1.6811
正晶体：石英、冰负晶体：方解石、电气石、白云石、硝酸钠正晶体负晶体
ve vo ne no ve vo ne no
由惠更斯原理解释双折射现象：
B
i
A
C
无双折射现象
由惠更斯原理解释双折射现象：
o光和e光都不折射，但速度和折射率不同，所以两波面并不重合。
显微镜下小麦淀粉粒图
2. 偏振片马吕斯定律
偏振片 (polaroid) ：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的一种透明薄片。偏振片自然偏振化方向 (polarizing direction)
光线
——允许通过的光振动方向。
偏振片的用途：
偏
振光
“起偏”和“检偏”
自然光
起偏偏振光
2
A0
A2
I0 证明：

A1
I
A1 A0 cos
I0 A
2 1 2 0
2 0
, IA
2 1
I A 2 2 cos I I 0 cos I0 A 当： 0 , π I I 0
当： π 2 , 3π 2 I 0
例题已知自然光通过两个偏振化方向相交60°的偏振片，透射光强为 I1，今在这两偏振片之间再插入另一偏振片，它的偏振化方向与前两个偏振片的偏振化方向均夹30°角，则透射光强为多少？

线偏振光与部分偏振光

光矢量对传播方向的偏振性，在与物质的作用过程中，一定有所反映。一、二向色性与偏振片六角形长二向色性：某些各向异性晶对角线方体对不同方向光振动具有选向为光轴择吸收的性质天然晶体中，电气石（六角 E 形片状）具有最强的二向色性自然光吸收很少入射 E∥光轴：通过较多线偏振 E⊥光轴：吸收较多光出射通过很少 1mm厚的电气石晶体可把垂直于光轴振动的光矢量全部吸收！
n1 n2
n1 n2
ib
n1 i b n2
n1 n2
n1 n2
ib
n1 n2
应用：应用：
（1）测不透明介质的折射率。）测不透明介质的折射率。（2）制作偏振摄像镜头、太阳镜、棱镜等光学器件。）制作偏振摄像镜头、太阳镜、棱镜等光学器件。（3）激光器的布氏窗。）激光器的布氏窗。（4）立体电影、车窗、飞机舷窗等的制作。）立体电影、车窗、飞机舷窗等的制作。
自然光
线偏振光
. . . .
.
起偏器检偏器光强变化！
偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化
自然光
线偏振光
. . . .
.
起偏器两偏振片的偏振化方向相互垂直时光强为零！检偏器光强变化！
的自然光相继通过偏振片P 例题光强为 I0 的自然光相继通过偏振片 1、P2、P3后光强为I ，已知P 间夹角为何？强为 0 /8，已知 1 ⊥ P3，问：P1、P2间夹角为何？解: 分析 P1 P2 P3
Ay
=
+
Ax
Ax = ∑Aix ≠ Ay = ∑Aiy
部分偏振光可视为一个平面偏振光和一个自然光的混合部分偏振光的图示法：
i i
··· · ·

光的偏振态

在与传播方向垂直的平面内光矢量E还可能有各式各样的振动状态，该平面内的具体振动方式称为光的偏振态完全偏振光非偏振光即自然光部分偏振光？完全偏振光：设光的传播方向Z，E位于XY平面，根据正交分解法，任何形式的光振动总可分解E X ，E Y 。

如果这两个分振动完全相关，即有完全确定的相位关系，则相应的光称为完全偏振光（偏振光）完全偏振光—线偏振光，圆偏振光、椭圆偏振光光的偏振状态MAXWELL：E ⊥K ，光波具有横波性（偏振性）椭圆偏振光可看作两个相互垂直、但振幅不相等、有固定相位差Δϕ的线偏振光的合成线偏振光和圆偏振光都可看作椭圆偏振光的特例线偏振光可看作两个相互垂直Δϕ=0,±π的线偏振光的合成对于两个垂直振动的合成，不论相位差Δϕ为何值，E X ⊥E Y ，总有I=I X +I Y ，即合振动的强度简单地等于两个垂直分振动的强度之和。

这对线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光都是适用的偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律•起偏：从自然光获得偏振光要得到偏振光往往要通过光与物质的相互作用使自然光的偏振形态产生某种改变•起偏器:起偏的光学器件根据输出光的偏振形态：线起偏器、圆起偏器等•起偏的原理：利用某种光学的不对称性各种起偏器的作用过程都必须包含某种不对称性，它可以是介质在不同作用条件（例如不同的入射角）下的不同响应，更多的则是介质本身的各向异性反射和折射时光的偏振一、反射光的偏振：自然光反射时，可产生部分偏振光或完全偏振光晴朗的日子里，蔚蓝色天空所散射的日光多半是部分偏振光。

散射光与入射光的方向越接近垂直，散射光的偏振度越高。

阳光斜入射时，反射光具有明显的偏振性质S。

用适当的偏振眼镜可减少前方太阳光通过路面（或水面）反射所致的眩目；拍摄水上景物，镜头前加偏振片。

有反射光干扰的橱窗在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰i 0。

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

第五章光的偏振线偏振光和部分偏振光

n1 sini10 n2 sini 2
tani10 n2 n1
其中利用了折射定律， 2．布儒斯特定律（1815年）
当入射角 i1 达到某一角 i10 时，且有
反射光中只有光振动垂直于入射面的线偏振光，但折射光仍为部分偏振光，这一规律称之为布儒斯特定律。 i i
10
10
i10 称为布儒斯特角或起偏角。推论：反射光线与透射光线垂直
反射光能否成为线偏振光呢？
由菲涅耳公式：
rp
0
A ' p1 Ap 1
tan(i1 i2 ) , tan(i1 i2 )
当
i1 i2 90
时,
分母为无穷大,
rp 0,
由于Ap1 0，则必有
A' p1 0
A's1 sin(i1 i2 ) rs , As1 sin(i1 i2 )
i2
n1 n2
注意： 1.当入射角为布儒斯特角(起偏角) i10时，折射光是偏振化程度最强部分偏振光，但并非线偏振光. 2.虽然反射光是垂直于入射面的线偏振光，但反射光中的垂直分量只占入射光中全部垂直分量15%,即反射偏振光非常微弱. 推论：根据光的可逆性，当入射光以 i 2 角从 n2 介质入射于界面时，此 i 2 角即为布儒斯特角 .
I I0 cos
2
注意两点：
①入射光必须是线偏振光，不是自然光； ②是与cos2α正比，而不是与cosα正比。
证明：
ON1表示入射线偏振光的振动方向，ON2表示检偏器的透光轴方向，两者的夹角为α.入射线偏振光的光矢量振幅为 E0，将此光矢量沿ON2及垂直于ON2的方向分解为两个分量，它们的大小分别为E0cos α和E0sin α，其中只有平行于检偏器透光轴方向ON2的分量可以透过检偏器.由于光强和振幅的平方成正比，所以透过检偏器的透射光强I和入射线偏振光的光强I0之比为

线偏振光→圆偏振光

1.自然光
一、自然光和偏振光
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。
I0 Ix Iy 2
一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的光振动。自然光的表示法：

x
2. 线偏振光和部分偏振光
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。偏振方向:光矢量 E 的方向振动面：光的振动方向与光的传播方向构成的平面。光的偏振: 光波的振动方向相对传播方向的不对称性。
（2) N输出强光条件： cos 4t 1 ， 4t （2k 1 ） , k 0、 1 、 2、 3
t=450,1350,2250,3150时，输出光强为 I 0 / 8 。
每旋转偏振片P一周，输出光强有“四明四零”。
四、布儒斯特定律----反射光和折射光的偏振
自然光
i
部分偏振光
完全偏振光强度
自然光强度讨论：完全偏振光自然光部分偏振光
p 1 p0 0 p 1
3. 椭圆偏振光和圆偏振光
椭圆偏振光：光矢量末点的运动轨迹是正椭圆或斜椭圆。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。
椭圆偏振光
圆偏振光
线偏光
ro
寻常光线(o光)
-----遵守折射定律
非常光：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且不一定在入射面内传播，简称为 e 光。非常光线(e光) -----不遵守折射定律
o光和e光都是线偏振光, 二者振动方向相互垂直。
2 、光轴与主平面
当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双
x

偏振光与自然光的区别

同理
而总光强
2．平面偏振光（线偏振光）只包含单一振动方向的电矢量。
，故
在任一方向的光强
，马吕斯定律。ຫໍສະໝຸດ 用偏振片可以获得平面偏振光。消光比=最小透射光强/最大透射光强 3．部分偏振光介于自然光和线偏光之间。偏振度=（IMAX-IMIN）/（IMAX+IMIN） 4．圆偏振光电矢量端点轨迹的投影为圆。
通常光源发出的光波波矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则取向但统计平均来说在空间所有可能的方向上光波矢量的分布可看作是机会均等的它们的总和与光的传播方向是对称的矢量具有轴对称性均匀分布各方向振动的振幅相同这种光就称为自然光
______________________________________________________________________________________________________________
某种规则地变化的光波。按照其性质,偏振光又可分为平面偏振光（线偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振、部分偏振光几种。如果光波电矢量的振动方向只局限在一确定的平面内，则这种偏振光称为平面偏振光，因其电矢量的末端轨迹在传播过程中为一直线，故又称线偏振光。如果光波电矢量随时间作有规则地改变，即电矢量末端轨迹在垂直于传播方向的平面上呈圆形或椭圆形,则称为圆偏振光或椭圆偏振光。如果光波电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定的方向上占有相对优势，这种偏振光就称为部分偏振光。 1．自然光
用偏振片检验，圆偏光相同。 5．椭圆偏振光
电矢量端点轨迹的投影为椭圆。每一时刻的电矢量可分解为
精品资料
______________________________________________________________________________________________________________