光的偏振态
15.1自然光和偏振光马吕斯定律
起 偏
I0
起偏器
1 I0 2 偏振化方向
检 偏
起偏器 检偏器
讨论
如何检验一束光为自然光、线偏振光、 部分偏振光？ 用一偏振片，旋转一圈，
观察光强变化。
旋转一圈，光强无变化。
旋转一圈，光强出现 强、弱、全暗现象。
旋转一圈，光强出现强、 弱变化，无全暗现象。
光的波动性
第一节 自然光和偏振光
不同的光束, 光矢量 E 的振动状态不一定相同。 把 E 的振动状态叫偏振态。
一、自然光 偏振光
1、自然光 (1) 自然光 ：直接从普通光源发出的光。
v
E
(2) 偏振态：自然光在任意时刻，在垂直于传播方向的平 面上，没有哪个方向的光振动比其它方向更占优势。 自然光又称为非偏振光。
符号表示
二 . 偏振片 起偏与检偏 二向色性 : 某些晶体内存在某一特定的方向， 当光射向晶体时，晶体能让这一方向的光振动通过 , 而吸收与这个方向相垂直的光振动, 这种性质称二向 色性 . 偏振片 ： 涂有二向色性材料的透明薄片 .
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 片的偏振化方向 ,又称为透光轴.
(3) 表示：
自然光可分解为两个相互垂直、振幅相等、独立的光振动。
符号表示：
2、偏振光 自然光经过反射、折射、吸收后，可能使一个方向 的光振动全部或部分被消除，这种光称为偏振光。 (1) 线偏振光 ：只有单一方向的 光振动。又称为平面偏振光。 （完全偏振光）。 (2) 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 。 （由两个相互垂直的、振幅不相 等的、独立的光振动组成。） 符号表示
光的五种偏振态
光的五种偏振态
单纯的使用偏振无法完全区分,应该再加上一个1/4玻片,具体如下：在光源与光屏之间加一块偏振片，
将偏振片旋转一周进行观察,
1.若光强随偏振片的转动没有变化,这束光是自然光或圆偏振光.这时在偏振片之前放1/4玻片,再转动偏振片.如果强度仍然没有变化是自然光；如果出现两次消光,则是圆偏振光,因为1/4玻片能把圆偏振光变为线偏振光
2.如果用偏振片进行观察时,光强随偏振片的转动有变化但没有消光,则这束光是部分偏振光或椭圆偏振光.这时可将偏振片停留在透射光强度最大的位置,在偏振片前插入1/4玻片,使玻片的光轴与偏振片的投射方向平行,再次转动偏振片会若出现两次消光,即为椭圆偏振光,即椭圆偏振片变为线偏振光；若还是不出现消光,则为部分偏振光
3.如果随偏振片的转动出现两次消光,则这束光是线偏振光。
光的偏振 实验报告
光的偏振实验报告一、实验目的1、观察光的偏振现象，加深对光的偏振特性的理解。
2、掌握偏振片的起偏和检偏原理，学会用马吕斯定律测量偏振光的强度。
3、了解反射光和折射光的偏振特性，以及布鲁斯特角的概念。
二、实验原理1、光的偏振态光是一种电磁波，其电场矢量和磁场矢量相互垂直且都垂直于光的传播方向。
一般情况下，光的电场矢量在垂直于光传播方向的平面内是各个方向都有的，这种光称为自然光。
如果光的电场矢量只在某一固定方向上振动，则称为线偏振光。
还有部分偏振光和椭圆偏振光等偏振态。
2、偏振片偏振片是一种只允许某一方向振动的光通过的光学元件。
当自然光通过偏振片时，只有与偏振片透振方向相同的光振动能够通过，从而变成线偏振光，这个过程称为起偏。
当线偏振光通过偏振片时，透过光的强度取决于线偏振光的振动方向与偏振片透振方向之间的夹角，这个过程称为检偏。
3、马吕斯定律当一束强度为 I₀的线偏振光通过检偏器后，其强度 I 随检偏器透振方向与线偏振光振动方向夹角θ 的余弦平方成正比，即 I ＝ I₀cos²θ，这就是马吕斯定律。
4、反射光和折射光的偏振当自然光在两种介质的分界面上反射和折射时，反射光和折射光一般都是部分偏振光。
当入射角等于布鲁斯特角时，反射光成为完全偏振光，其振动方向垂直于入射面，折射光仍为部分偏振光。
三、实验仪器偏振片、激光光源、光功率计、玻璃砖、旋转台等。
四、实验步骤1、观察激光通过偏振片的现象打开激光光源，让激光束垂直照射在偏振片上，旋转偏振片，观察透过偏振片的光强变化。
可以看到，当偏振片的透振方向与激光的振动方向平行时，光强最强；当两者垂直时，光强最弱，几乎为零。
2、验证马吕斯定律将两个偏振片分别安装在旋转台上，使激光依次通过两个偏振片。
固定第一个偏振片的透振方向，旋转第二个偏振片，每隔 10°测量一次透过第二个偏振片的光功率，并记录数据。
根据测量数据，计算光强 I 与cos²θ 的关系，验证马吕斯定律。
光的偏振 实验报告
光的偏振实验报告一、实验目的1、观察光的偏振现象，加深对偏振概念的理解。
2、了解偏振片的特性，掌握产生和检验偏振光的方法。
3、测量布儒斯特角，验证布儒斯特定律。
二、实验原理1、光的偏振态光是一种电磁波，其电场矢量和磁场矢量相互垂直且都垂直于光的传播方向。
一般情况下，光的电场矢量在垂直于光传播方向的平面内的取向是随机的，这种光称为自然光。
如果光的电场矢量在垂直于光传播方向的平面内只沿某一固定方向振动，则称其为线偏振光。
还有部分偏振光和椭圆偏振光等偏振态。
2、偏振片偏振片是一种只允许某一方向的光振动通过的光学元件。
其透振方向就是允许光振动通过的方向。
当自然光通过偏振片时，只有与透振方向平行的光振动分量能够通过，从而得到线偏振光。
3、布儒斯特定律当自然光在两种介质的分界面上反射和折射时，反射光和折射光都将成为部分偏振光。
当入射角满足一定条件时，反射光将成为完全偏振光，其振动方向垂直于入射面，这个入射角称为布儒斯特角，用θB表示。
布儒斯特定律为：tanθB ＝ n2 ／ n1 ，其中 n1 和 n2 分别为两种介质的折射率。
三、实验仪器光源（钠光灯）、起偏器（偏振片）、检偏器（偏振片）、光具座、玻璃片、刻度盘等。
四、实验步骤1、调节仪器将光源、起偏器、检偏器依次安装在光具座上，使其共轴。
调节起偏器和检偏器的透振方向，使其初始时平行。
2、观察偏振现象打开光源，旋转检偏器，观察透过检偏器的光强变化。
可以发现，当检偏器的透振方向与起偏器的透振方向平行时，光强最强；当两者透振方向垂直时，光强最弱，几乎为零。
这表明通过起偏器得到的线偏振光，其振动方向是固定的。
3、测量布儒斯特角在光具座上放置一块玻璃片，使自然光以一定角度入射到玻璃片表面。
旋转检偏器，使反射光消光（光强最弱），此时入射角即为布儒斯特角。
测量此时的入射角，并记录下来。
4、验证布儒斯特定律已知钠光灯发出的光在空气中的波长λ，以及玻璃片的折射率 n2，根据布儒斯特定律计算理论上的布儒斯特角。
3光的偏振
四分之一波片 偏振片（转动） I变, 有消光 I变, 无消光
一、基本要求 1．理解自然光和偏振光，理解用偏振片起偏和检偏的方法。 2．掌握通过反射、折射和晶体的双折射产生偏振光的原理和方法, 并掌握如何检验偏振光。 3．掌握布儒斯特定律和马吕斯定律。 4．了解晶体的双折射现象, 了解o光和e光的性质和区别。 二、 知识系统图
光轴
入射时o、e光同相， 出射时o、e光反相， ∴出射光仍是线偏振光，
振动方向转过，当时，转过。 (3) 全波片：
它对某种波长的光不起作用（相位延迟了）。
三.椭圆与圆偏振光的检偏
用片和偏振片P可区分出圆偏振光和自然光或椭圆偏振光和由自然光与
线偏振光所组成的部分偏振光。
线偏振光 线偏振光 线偏振光 自然光 圆偏振光 自然光 线偏振光 线偏振光 线偏振光 部分 偏振光 椭圆偏振光 部分偏振光 四分之一波片 偏振片（转动） I不变 I变, 有消光 以入射光方向为轴
当光的入射面为主截面时，o光和e光的主平面都在主截面内，此 情形下o光与e光的振动方向相互垂直。
二.晶体的主折射率，正晶体、负晶体
光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同,
同。
· · · · · · · · · · ·
光的传播速度也不
· · · · · · · · · · · · · vot
光轴 光轴
vet vot
自然光从空气→玻璃(n2 =1.50)，可算得 。要提高反射线偏振光的强 度，可利用玻璃片堆的多次反射。
· · ·
· · · · · · · · · i0
接近线偏振光
· · · · · · · · · · ·
· · · · · · ·
光波的偏振态
In I x I y 2I x 2I y
自然光 — 振动垂直、振幅（强度）相等且相位完全 无关的两个线偏振合成
• 部分偏振光及偏振度 光波=完全偏振光+自然光部分偏振光 设非偏振光强度 I n 总强度 偏振度 偏振光的强度 I P
I In IP
——部分偏振光中偏振成分的相对强度
E Exi E y j
Ex A cos(t kz0 )
光矢量在X-Y平面内投影仍是圆
E y A cos(t kz0 ) 2
迎着光的方向看，顺时针为右旋偏振光 逆时针为左旋偏振光
• 椭圆偏振光 —光矢量在前进的X-Y平面上扫描出一个椭圆
由在X方向和Y方向的两个相位差为 的简谐光 振动合成
E Exi E y j E x A cos( kz0 t ) E y A cos( kz0 t )
由 的值可得椭圆偏振光的右旋和左旋
• 自然光—非偏振光 光波的发射由元辐射组成，各个元辐射的发光时间、 振动方向、和相位都相互独立、彼此无关。 --振动方向和初相位都在作随机变化 --实际普通光场--在任意时刻-大量振动 --各种振动方向及相位都独立无关
IP IP p I In IP
部分线偏振光 线偏振光沿Y方向Iy
I N I x I x 2I x
I P (I x I y ) I N I y I x
IP P IN IP
P Iy Ix Iy Ix
I x 0 p 1 线偏振 I x I y p Байду номын сангаас0 自然光 0 p 1
光的振动方向在振动面内不变 如振动与X轴的夹角为
x
偏振光 偏振态
偏振光是一种特殊类型的光，其电场振动方向在一个平面内进行振动的现象。
光波中的光子是电磁波，其电场分量的振动方向可以是任意方向，但当光波经过某些介质或特定的操作后，其中的一个或多个振动方向会被选择性地减弱或消除，从而使光变为偏振光。
偏振态是描述偏振光的状态或性质，通常用来表示光波电场振动方向的信息。
以下是一些关于偏振光和偏振态的重要概念：
线偏振光（Linearly Polarized Light）：线偏振光是最常见的偏振光类型之一，其中电场振动方向沿着一条直线或直线的特定方向。
线偏振光可以是水平偏振（电场在水平方向振动）、垂直偏振（电场在垂直方向振动）或其他方向的线偏振。
圆偏振光（Circularly Polarized Light）：圆偏振光是一种特殊的偏振光，其中电场振动以圆形轨迹旋转。
圆偏振光可以是顺时针旋转的右旋偏振光或逆时针旋转的左旋偏
振光。
偏振片（Polarizer）：偏振片是一种光学器件，可以选择性地通过或阻挡特定方向的偏振光。
常见的偏振片可以将非偏振光转换为线偏振光，或将特定方向的线偏振光通
过，同时阻挡其他方向的光。
偏振态描述：偏振态通常用来描述偏振光的电场振动方向和性质。
例如，可以描述偏振光为"水平线偏振" 或"右旋圆偏振"，以指示电场振动方向或轨迹的特性。
偏振光和偏振态在许多领域中都具有重要应用，包括光学、通信、显微镜、偏振成像、3D电影技术等。
它们帮助我们理解和利用光波的性质，以满足各种应用需求。
光的横波性与五种偏振态解读
光的干涉和衍射现象只表明光是一种波动，光的 偏振现象则清楚地显示光是横波（振动方向与传 播方向垂直）而不是纵波。 1．光的偏振现象与光的横波性
1）机械波的横波性的检验
如图，将橡皮绳的一端固定，手拿着另一 端上下抖动，于是横波沿绳传播，在波的 传播路径中放置两个栏杆G1、G2， 若二者缝隙方向一致（a），则通过G1的 振动可无阻碍地通过G2，若二者缝隙方向 垂直（b），则通过G1的振动传到G2 处就被挡住，在G2后不再有波动。这只可 能是横波。
I M 与 I m 的振动方向互相垂直
I M 与 I m 是所有线偏振光在这两个互相 注意：
垂直方向上的投影分量的非相干叠加。
IM Im 4）偏振度： P IM Im I M＝I m 时，P 0 ，为自然光
3）部分偏振光的总光强 I I M I m
I m 0 时，P 1 ，是线偏振光
I0
自然光
P
I
1 旋转偏振片P一周，出射光强均为： I I0 2
若入射的自然光强为：I 0
3）试证明自然光通过偏振片后 出射光强为入射光强的一半。
自然光由无数条非相干的线偏振光组成 数密度： 单位夹角内包 含的 线偏振光的条数 ( ) 0 角内包含的线偏振 光的条数：
0
5．部分偏振光
1）部分偏振光的定义：
在垂直光传播方向的平面上， 所有方向均有横振动，但不同 方向的振动幅度不相等，形成 如图的振幅分布。
2）部分偏振光通过 偏振片后的光强度
部分偏振光
P
I0
若入射的部分偏振光强为 I 0
I
旋转偏振片P一周，出射光强的变化为：
I I M I m I M ，没有消光现象出现
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。
光的偏振态 线偏振态的获得与检验
线偏光
有明显的现象
线性起偏器 圆偏振光或
椭圆偏振光
有明显的现象
圆或椭圆起偏器
§6-2
利用介质各向异性获得线偏光 及线偏光的检验
一、利用介质各向异性获得线偏光
1、线栅起偏器
平行的、导电 的导体栅格
产生电流。将y方 向上的分量吸收
通光方向（轴）垂直于导体栅格.
一、利用介质各向异性获得线偏光
2、二向色性晶体 电气石
60o，120o
随堂练习
解：
（1）设部分偏振光中自然光的光强为 I自，线偏光 的光强为 I线。当偏振片偏振化方向与线偏光振动方 向相同时，出射光光强最强，为
I1,max I自 2 I线
当偏振片偏振化方向与部分偏振光中线偏光振动方
向垂直时，出射光光强最弱，为
I1,min I自 2
I1,max I自 2 I线 3
P1
P2
P3
I0
I1
I2
I
随堂练习
P1
P2
P3
I0
I1
I2
I
证明：
P1
I1
I2
I3
P2
P
3
I2 I1 cos2
I3
I2
cos 2 (
2
)
1 4
I1
sin2
2
I1 (1 cos 以看成是自然光和线偏光的 组合。当一平行部分偏振光经过一线性起偏器后， 旋转起偏器一周，测得出射光光强最弱时是最强 时的1/3。 （1）求部分偏振光中自然光和线偏光的光强比； （2）旋转起偏器到某一角度时，测得出射光光 强是最强时的1/2。求起偏器的通光方向与部分 偏振光中线偏光振动方向之间的夹角。
反射光与折射光的偏振态
若主平面垂直于 晶体解理面中的一 对相对的表面时， 这样的面为主截面 70o53
109o7 109o7
109o7 70o53
对于方解石晶体，
70o53
有三个主截面。
二、o光和e光的特征
4、 无论是o-光还是e-光，都是线偏振光。
o-光总是垂直于o光的主平面，其结果 是o-光光矢量总是垂 直于光轴。
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
e• •o
方解石 晶体
一、光的双折射现象
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
e• •o
方解石 晶体
二、o光和e光的特征
1、寻常光线，o-光和非寻常光线，e-光
不遵循折射定律
e o
遵循折射定律
二、o光和e光的特征
2、光轴: 在这个方向上，o-光和e-光的传播速度
相同。
102o 102o
光轴
A
102o
注意:光轴不是一个 轴，而是一个方向
78o
78o
102o
D
方解石晶体
•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。
二、o光和e光的特征
3、主平面，主截面
任意包含有光线和光轴的平面，称之为主平面。包 含有o光和光轴的平面，称为o光主平面。包含有e光和 光轴的平面，称为e光主平面。
的光一定为线偏振光，且振动方向与入射面垂
直，此时的入射角称为布儒斯特角（ ） ib
ib ib
n1
线偏振光
tgib
n2 n1
n2
光的偏振现象与解释
光的偏振现象与解释在日常生活中，我们经常会遇到各种各样的光现象。
其中之一就是光的偏振现象。
光的偏振是指光波在传播过程中的振动方向与空间位置的关系。
本文将探讨光的偏振现象的原理及其解释。
一、光的偏振现象的原理光是一种电磁波，它的振动方向可以与其传播方向垂直，这种光波称为非偏振光。
而偏振光则是指光波在传播过程中，只在一个特定的方向上振动。
1.1 偏振光的产生当光波通过某些特定的材料或经过反射、折射等物理现象时，会发生偏振现象。
其中最常见的产生偏振光的方式有：a) 反射：当光波从一个介质射向另一个介质时，会发生反射现象。
反射光中的电场振动方向与入射角度有关，若入射角度等于一定的值，反射光中的振动方向只在一个平面上，这就是偏振光的产生。
b) 透过偏振器：偏振器是一种特殊的光学器件，它可以选择性地允许某个方向上的光波通过，而阻止其他方向上的光波通过。
通过偏振器透射的光波就是偏振光。
1.2 光的偏振方式根据光波振动方向与传播方向的关系，光的偏振可以分为三种方式：a) 线偏振：光波的振动方向沿着一条直线传播，可以进一步分为水平偏振和垂直偏振两种。
b) 圆偏振：光波的振动方向按着圆的路径传播，可以进一步分为正旋圆偏振光和反旋圆偏振光。
c) 椭圆偏振：光波的振动方向按着椭圆的路径传播，可以进一步分为长轴偏振和短轴偏振。
二、光的偏振现象的解释对于光的偏振现象，现有两种主要的解释方法：波动理论和量子理论。
2.1 波动理论的解释波动理论认为光是一种电磁波。
根据波动理论，光的偏振现象可以通过以下方式解释：a) 波动面解释：当光波通过偏振器时，偏振器会限制光波中振动方向只有一个平面上的分量通过，从而实现光的偏振。
b) 干涉解释：波动理论还可以解释产生偏振光的干涉现象。
当两束偏振方向不同的光波相干叠加时，它们之间会发生干涉，而干涉现象就是光的偏振现象的一种解释。
2.2 量子理论的解释量子理论认为光是由光子组成的粒子。
根据量子理论，光的偏振现象可以通过以下方式解释：a) 旋量解释：根据量子理论中的旋量概念，光子有特定的自旋方向。
光的偏振性
y
Ey
E
x
Ex
E x E cos E y E sin
线偏振光的表示法：
····· 光振动垂直板面
光振动平行板面
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
二 偏振片 起偏与检偏
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 。
三 马吕斯定律（1880 年）
N
I0
M EI
起偏器
E0
检偏器
N
M
E
E0
E E0 cos
I I0
E2 E02
马吕斯定律：强度为 I0的偏振
光通过检偏振器后, 出射光的强度为
I I0 cos2
马吕斯
法国物理学家及军事工程师。出生 于巴黎，1796年毕业于巴黎工艺学院， 曾在工程兵部队中任职。1808年起在巴 黎工艺学院工作。1810年被选为巴黎科 学院院士，曾获得过伦敦皇家学会奖章。
sin n1
tan i0
n2 n1
sin i0 cos i0
cosi0
sin
cos(π 2
)
i0
2
i0 i0 n1
n2
玻璃
i0
n1
玻璃
n2
2）根据光的可逆性，当入射光以 角从 质入射于界面时，此 角即为布儒斯特角 。
n2
介
tan
i0
n2 n1
cot i0
11-10 光的偏振性
一、 自然光 偏振光 二、偏振片 起偏和检偏 三、马吕斯定律
光的偏振
纸面
双 折 射
光 光
方解石 晶体
26
结束 返回
几个重要实验结果： 1）两束光分别为寻常光（o 光）和非寻常光（e光） 寻常光（ordinary 遵从折射定律
自然光
n1 n2
i
re
(各向异 ro light）： 性媒质)
o光
e光
n1 sin i n2 sin ro
const .
27
非寻常光（extra-ordinary light）： (1)一般不遵从折射定律: sin i (2)一般折射线不在入射面内。
· · o光 ： · · v t · · o · · ·
光轴
e光 ：
vot
· · · · · · · · · · · · · ··
vet 光轴
e光的子波面
o光的子波面 光轴 v t 正 e 晶 v o t 体 点波源 (ve< vo)
负 晶 体 (ve> vo)
光轴
vot vet 点波源
I0
I ？
2
A0
通光方向
P
A A0 cos
I I0 cos
演示：偏振片的起偏和检偏
10
§3.光在反射折射时的偏振
---布儒斯特定律
一.现象
i
n1 n2
自然光入射在两各向同性媒质界面， 反射、折射光线的偏振状态改变。 1. 任意入射角i ：
反射、折射光均是部分偏振光。
垂直于入射面的分量多
合成 椭圆偏振光 一对同频率、方向垂直、 → → （以此两方向 相位差为π/2 为长短轴） 振幅不同的线偏振光 分解 思考：从正交分解的角度看，自然光和圆偏振 46 光；部分偏振光和椭圆偏振光有何区别？
改变光偏振态的几种方法
改变光偏振态的几种方法光偏振态是指光的振动方向是否与光的传播方向正交，或者说是指光沿着光的传播方向的情况下的振动模式的性质。
光偏振态的大小决定了光的特性，对光的传播、分解、探测和控制具有重要意义，因此，如何改变光的偏振态受到越来越多的关注。
首先，可以使用涂层镜变换偏振态。
这种方法是在普通的镜子表面上覆盖一层薄膜，然后将普通的竖直偏振光照射到该表面，通过涂层膜的不同物理性质对其偏振态进行改变，从而实现偏振态的改变。
这种方法可以有效地控制光的偏振态，相比于其他的方法，它的制作成本非常低，因此得到了广泛的应用。
其次，可以使用偏振器来改变光的偏振态。
偏振器是一种着色物质，它可以改变光在空间方向上的振动方向，而不会对光的位置和波长产生影响。
偏振器可以实现对光偏振态的精确控制，常见的偏振器有的分液晶偏振器、瓷片偏振器、锗电极管偏振器等，且使用此类偏振器还可以得到高效的性能。
此外，也可以使用接口缝隙的方式改变光的偏振态。
早期的穆斯堡实验表明，光在具有一定接口缝隙的表面之间传播时，其偏振态会发生变化，这一理论被称为接口缝隙理论。
应用这一理论，可以通过改变接口缝隙的空间尺寸，可以有效地控制光的偏振态，并且这类方法的制作成本也较低，可以大大降低设备的成本。
最后，使用光学晶体来改变偏振态也是一种常用的方法。
光学晶体指的是一种能够反射或折射光的物质，具有特定的空间结构，在其中，光的传播方向和振动方向可能会发生变化，因此可以实现对光偏振态的控制。
目前，光学晶体在光控制、光检测等方面有着广泛的应用，如激光穹顶、光束偏向器等设备都是由光学晶体制成，可以实现对光偏振态的控制和分离。
总之，以上几种方法都可以有效地改变光的偏振态，在光的控制、检测等方面具有重要的意义。
它们之间的差异也在于成本、成效和准确性，因此，在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的方法。
在这些方法中，应用偏振器变换偏振态是光学技术发展过程中实现对光偏振态控制的最早方法之一，它可以有效地控制光的偏振态，被广泛用于光学成像、光学传输等领域，但它的成本通常较高。
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一般情况下， e 光不一定在入射面内， o 光的主平面和 e 光的主平面并不重合
三．单轴晶体中光传播的惠更斯作图法
1. 单轴晶体的子波波阵面
设想在晶体内有一子波源，由于晶体的各向异性性质，
从子波源将发出两组惠更斯子波，
一组是球面子波，表示各方向光速相等，
光轴 o波
相应于寻常光（o 光），并称为o 波面；
5 .1 光的偏振态
光是电磁波，是横波
对横波： 光波中光矢量的振动方向总和光的传播方向相垂直
（光波） E
传播方向
x
H
当光的传播方向确定时，我们只知道光矢量在垂直于光的传播方向 的平面内，至于在这个平面内的哪个方向是不能完全确定的
通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态 ——称为光的偏振态
E
传播方向 只有横波才
如何由自然光获得线偏振光？
在实验室内怎样产生偏振光？ 又如何检验光的偏振态呢？现在常用的方法是利用偏振片
5.2 线偏振的获得与检验
1. 起偏和检偏
• 起偏： 从自然光获得偏振光的过程； • 起偏器: 起偏的光学器件---偏振片 • 检偏： 鉴别光的偏振状态的过程；
现在常用的起偏和检偏的器件是偏振片
折射率用no 表示，
e 光在垂直光轴方向上的传播速率
用ve 表示，折射率用ne 表示
c
no o
ne
c
e
●
●●●
o波
面
光轴
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●●●●●●●
●
●
● ● ●
——no ，ne称为晶体的主折射率
e波
面
根据no 和ne 的大小关系，晶体分为正晶体和负晶体
n0
c
0
ne
c
e
——no ，ne称为晶体的主折射率
y x
z z
透振方向
3. 各种偏振态的光通过偏振片情况
偏振化方向
• 自然光
P1
P2
• 自然光通过偏振片为线偏光；
• 转动偏振片360°光强不变化；
• 线偏光 • 线偏光通过偏振片为线偏光； • 转动偏振片360°光强有变化， 有两次消光；
3. 各种偏振态的光通过偏振片情况
P1
• 部分偏振光 • 转动偏振片360°光强有变化；无消光 • 圆偏振光 • 转动偏振片360°光强不变化； • 椭圆偏振光 • 转动偏振片360°光强有变化；无消光
线偏光的振动面（振动方向与传播方向决定的平面）
是固定不动的。
传播方向
E
·
偏振方向
面对光的传播方向看
表示方法：
传播方向
振动面
——又称为平面偏振光
传播方向
光振动平行于纸面的偏振光
光振动垂直于纸面的偏振光
线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：
y
Ey
E
Hale Waihona Puke xExE x E cos E y E sin
反射光是光振动垂直入射面的线偏光，
这一特定角 i0 称为起偏角或布儒斯特角
二．布儒斯特定律
实验中还发现
当i = i0 时， i0 +r0 = 90°
n1 sin i0 n2 sin r0
i0 i0
n1
n2
r0
有
tg i0
n2 n1
n21
——布儒斯特定律 (1812年)
应用：（１）可测不透明媒质折射率
2
例1.
已知 MM'NN' LL' 以角速度 转动
自然光入射强度为 I自
I I 0 cos2
求：出射光 I ? 频率=？Imax ?
t
解： I 1
I自 2
M
L N'
I2 I1 cos2 t I自 cos2 t
I自
M' I 1 L'
I2
2
I
I2
cos2 ( 90
二．晶体光轴、主平面
1. 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。
沿光轴方向 o 光和 e 光在的传播速率相等 注意：光轴只是一特殊方向而非一实在轴线
凡平行于此方向的直线均为光轴。
A 如天然方解石
平行六面体
101 .5 78 .5
B
A 如天然方解石
平行六面体
不相干（无固定位相关系）的线偏振光。
3. 部分偏振光
部分偏振光——介于自然光和偏振光之间 存在优势方向
部分偏振 光的分解
Ex Ey
I Ix Iy
表示法：
平行多余垂直分量
垂直于多余平行分量
仰首看到“天光” 俯首看到“湖光”
4,圆偏振光和椭圆偏振光
y
传播方向 y
E
x
0
x
在垂直于光传播方向的平面内，
z
光矢量按一定频率旋转。
/2
如果光矢量端点轨迹是一个圆——圆偏振光
如果光矢量端点轨迹是一个椭圆——椭圆偏振光
根据相互垂直的简谐振动的合成规律， 圆偏振光和椭圆偏振光中光矢量的转动 都相当于两个相互垂直的振动的合成，因此， 用两个相互垂直的光振动表示圆偏振光和椭圆偏振光时， 这两个分振动具有确定的相位关系。
在上述实验中转动晶体， 折射光传播方向不变的那束光称为寻常光o ； 随着晶体转动传播方向改变的那束光称为非常光e
e光 o光
寻常光（o光）遵从折射定律；
n1 sin i n2 sin ro
自然光
非寻常光（ e光 ）
n1
i
n2
一般不遵从折射定律
(各向异
re
sin i const
性媒质) ro
——光的偏振问题
光 的 干 涉 和 衍 射现象揭示了光
的波动性，但不
能确定光是横波 还是纵波。
通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态 ——称为光的偏振态
根据偏振态可把光分为以下三种：
非偏振光(自然光)
完全偏振光(线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振 光)—简称偏振光
部分偏振光
1,线偏振光: 光矢量只沿一个固定的方向振动。
e光 o光
sin re
e 光折射线也不一定在入射面内。
o 光和 e 光均为线偏振光。振动面互相垂直
光的双折射现象源于晶体的各向异性，
为了研究偏振情况，下面介绍一些晶体的光学性质
晶体多是各向异性的物质，双折射现象表明， 非常光线在晶体内各个方向上的折射率不相等， 而折射率和光线的传播速率有关，因而非常光线 在晶体内的传播速率是随方向的不同而改变的。 寻常光线则不同，在晶体中各个方向上的折射率 以及传播速率都是相同的。 研究表明，在晶体内部存在着某些特殊的方向， 光沿着这些特殊方向传播时， 寻常光线和非常光线的折射率相等，光的传播速率也相等， 因而光沿这些方向传播时，不发生双折射现象， 晶体中这些特殊方向称为晶体的光轴。
正晶体 : ne> no
(e< o)
光轴 vet
vot
如石英
负晶体 : ne< no (e>o)
光轴 vot
vet
如方解石
3. 单轴晶体中光传播的惠更斯作图法
应用惠更斯作图法可以确定单轴晶体中 o 光和e 光的传播方向，从而说明双折射现象。
自然光入射到晶体上时， 波阵面上的每一点都可作为子波源， 向晶体内发出球面子波和椭球面子波。 作所有各点所发子波的包络面， 即得晶体中o 光波面和e 光波面，从入射点引向 相应包络面与o 光波面和e 光波面的切点的连线方向 就是所求晶体中的o 光和e 光传播方向
将一束自然光射入到晶体制成的复合棱镜， 利用双折射现象分成寻常光和非常光， 然后利用全反射原理把寻常光反射到棱镜侧壁上， 只让非常光通过棱镜，从而获得一束振动方向固定的线偏光。 这样的棱镜有很多，这里介绍尼科耳棱镜
re
由于是负晶体，在垂直于
光轴的方向上no ＞ne ，
所以o光靠近法线、e光离 法线较远。
这种特殊情况下o光 e光都可用折射定律 sin i no sin ro
sin i ne sin re
四．晶体偏振器件
1. 偏振棱镜——尼科耳棱镜 利用晶体的双折射现象，可制成棱镜来获得线偏光 其思想是：
x
具有偏振现象
H
光是电磁波，是横波 ——具有偏振的特性
光矢量可能有各种不同的振动方向，
通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态
——称为光的偏振态
对横波： 光波中光矢量的振动方向总和光的传播方向相垂直
（光波） 对纵波：振动方向与传播方向一致，即振动只有一个方向。
因此，在研究除光的干涉和衍射外，作为 横波的光，还必须研究其振动方向的问题
影片：双折射
e
e
··· o ···
o
结果：
方解石
一束光射入晶体时，折射光分成两束； 当晶体在垂直入射光的平面内转动时， 一束折射光传播方向保持不变， 另一束折射光随着晶体转动传播方向改变。
一．光的双折射现象
1. 光的双折射现象
e光 o光
一束光射入各向异性媒质时，折射光分成两束的现象
2. 寻常光o，非常光e
下面以负晶体为例来说明
a. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射 ( e > o ) o , e 在方向上虽没分开，
但速度上是分开的。
b. 光轴平行晶体表面， 自然光斜入射
c. 光轴与晶体表面斜交， 自然光斜入射
d.光轴垂直于晶体表面， 自然光斜入射