偏振光学及其应用(精)
研究光的偏振现象及其应用
CHAPTER 05
偏振现象在生物医学领域应 用
生物组织光学特性研究
偏振光在组织中的传播特性
研究偏振光在生物组织中的传播规律，了解组织对偏振光的吸收 、散射和透射等特性。
组织光学参数的测量
利用偏振光测量生物组织的光学参数，如折射率、散射系数、吸收 系数等，为生物医学研究和临床应用提供重要依据。
生物组织的微观结构研究
感谢您的观看
偏振光定义
光波中只包含单一方向振动的光称为 偏振光。根据振动方向的不同，偏振 光可分为线偏振光、圆偏振光和椭圆 偏振光。
线偏振光
圆偏振光和椭圆偏振光
光矢量端点在空间描绘的轨迹呈圆形 或椭圆形的偏振光。
光矢量在空间的取向固定不变的偏振 光称为线偏振光。
偏振现象产生原因
反射和折射
当光线从一个介质传播到另一个 介质时，在反射和折射过程中， 光的振动方向可能会发生变化，
光源
提供实验所需的光线，可 以是自然光或人工光源， 如激光器等。
光电探测器
用于测量光的强度和偏振 状态，如光电二极管、光 电倍增管等。
实验步骤详解
准备实验器材
将偏振片、光源和光电探测器等实验 器材准备好，并按照实验要求摆放好 位置。
调整光源
打开光源，调整光源的位置和角度， 使得光线能够照射到偏振片上。
无机物晶体结构分析
X射线衍射法
利用偏振X射线与晶体相互作用产生的衍射现象， 分析晶体的晶格常数、原子间距等结构信息。
中子衍射法
通过偏振中子束与晶体相互作用，获得中子衍射 数据，进而推断出晶体的原子排列和键合情况。
电子衍射法
利用偏振电子束与晶体相互作用产生的衍射现象 ，分析晶体的微观结构和缺陷。
偏振光原理及用途
【产品说明】：偏振镜的作用是消除有害的反射光，比如从水面或玻璃等光泽表面反射的光线，提高影像的清晰度和表现力，增加色彩饱和度，比如它能使蓝天、绿叶、山脊和建筑物等的色彩更加鲜艳。
最主要的一点是，用偏振镜所创造的效果是不能用PS再现的，而其他滤镜，如减光镜、灰度镜、柔焦镜、雾化镜、以及各种有色滤镜等的效果通过后期的电脑处理基本都可以实现。
虽然偏振镜只是作为可选的滤镜，但对喜欢风光摄影或者对摄影创作感兴趣的朋友还是不可或缺的。
偏振镜中最常见的是一般外装型线偏振镜(PL)与圆偏振镜(CPL)。
偏振镜一般由两部份组成，后部带有螺纹与摄像机相连，前端有滤镜部份可以旋转，通过改变旋转的角度来减少偏振光的通过。
其工作原理可简单理解为：被摄物反射光中的自然光与偏振光在进入镜头前，在PL的作用下，有害偏振光被“滤除”，自然光部份通过并被“改造”为偏振光，进入镜头的光线实际为偏振光；反射光在CPL的作用下，偏振光被“滤除”，自然光部份通过并被改变为偏振光，然后偏振光再“圆周旋转”一下，“摇身一变”又成为自然光，进入镜头的光线实际为自然光。
所以，CPL要比PL更复杂一些，这也是二者价格差异较大的主要原因。
偏振镜具体调节方法如下：把偏振镜直接安装在摄影机镜头前端，一边徐徐旋转偏振镜，一边通过液晶显示屏或取景器观察被摄景物中的偏振光源，直至其消失或减弱到预期效果时为止；也可将偏振镜先直接放在眼前，边取景边旋转偏振镜，直至偏振光消失或减弱到预期大小为止。
然后在偏振镜方位保持不变(即偏振镜边缘上的标志所指示的方向保持不变)的前提下，将偏振镜平移，套在摄影镜头前端。
此后摄像机不可随意改变拍摄方位，否则必须重新调整偏振镜的偏振方向。
偏振镜原理、用途全面剖析偏振镜原理用途全面剖析随着一些专业数码相机的普及，大家越来越关注滤镜的使用，最简单的就属UV镜了，它的作用是滤除紫外线（但现在大家都用它来保护镜头了）。
而偏振镜，很多新手却不敢涉及，总是感觉它太玄、难用。
光的偏振现象及偏振光的应用
生物膜研究：偏振光可以用于研究生物膜的分子结构和运动，如细胞膜的通透性和流 动性。
生物传感器：偏振光可以用于开发新型生物传感器，如检测生物分子相互作用和生物 分子的浓度。
新型偏振材料的种类和特 性
新型偏振材料在光学器件 中的应用
镜片颜色：根据个人需求选择合适的镜片颜色，通常有棕色、灰色和绿色可供选择。
适应场景：根据使用场景选择适合的偏振太阳镜，如户外运动、钓鱼等。
适用人群：偏振 太阳镜适用于长 时间户外活动的 人群，如驾驶员、 钓鱼爱好者等。
适用环境：偏振 太阳镜在阳光强 烈的环境下能有 效地减少眩光和 反射光，提高视 觉舒适度。
自然光与偏振光区别：自然光中各个方向上的振动矢量强度相等，而偏振光中只有某一特定 方向上的振动矢量强度为最大
偏振光产生方式：通过偏振片、波片或双折射晶体等方式获得
自然光：无偏振现象，光波振 动方向随机
偏振光：光波振动方向单一， 具有偏振现象
部分偏振光：光波振动方向有 一定规律，但不是完全单一方 向
风力发电：通过偏振光技术 优化风能利用
太阳能电池：利用偏振光提 高光电转换效率
海洋能发电：利用偏振光技 术提高海洋能发电效率
核聚变能源：偏振光技术在 核聚变能源领域的应用前景
生物医学：利用偏振 光进行无损检测和诊 断，提高医学影像的 清晰度和准确性。
通信技术：利用偏振光 实现高速、大容量的数 据传输，提高通信系统 的性能和稳定性。
液晶显示：利用 偏振光实现图像 显示
3D电影：通过偏 振眼镜实现立体 视觉效果
太阳镜：利用偏 振片减少眩光， 保护眼睛
摄影镜头：偏振 滤镜用于消除反 光和眩光
光的偏振性及应用
2 2
进一步改写为
E
2 ox
E
2 2 oy
E
2 ox
E
2 2 oy
2E
ox
Eoy cos 2 Eox Eoy sin
2
2
斯托克斯参数
园括号中的各量就是斯托克斯参数
2 2 S 0 Eox Eoy 2 2 S1 Eox Eoy
消光比
用于偏振片
两个相同的偏振片相对转动时出射光强的最小值
Im和最大值IM之比定义为该偏振片的消光比
Im IM
用于部分偏振光
Im IM I I
产生偏振光的方法
二向色性 金属丝光栅 折反射 布儒斯特角 全反射 晶体
二向色性产生偏振光
二向色性物质对光的吸收随光矢量的方向而变 二向色性一般与波长有关 自然界中，典型的二向色性物质是电气石 (tourmaline) 和碘硫酸金鸡钠(herapathite) 人造二向色性偏振片中，用无机碘制成的偏振片称 H片，用有机染料（如刚果红）制成的偏振片称L片 人造偏振片的面积可以做的很大，厚度很小，通光 角度范围几乎是180，而且造价低廉
式中等号对应完全偏振光，不等号对应部分偏振
光或自然光
偏振椭圆参数
椭圆长轴与Ex轴的夹角, 辅助角
tg 2 2 Eox Eoy cos
2 2 Eox Eoy
sin 2
2 Eoy Eox sin
2 2 Eox Eoy
用斯托克斯参数表示
tg 2 S2 S1
通过实验研究光的偏振现象及其应用
实验步骤与操作
准备实验装置，将起偏器和检偏器分别置于光源和光 屏之间。
输标02入题
打开光源，调整起偏器的角度，使得光屏上出现最亮 的光斑。此时，起偏器的透振方向与光源的振动方向 一致。
01
03
记录实验数据，包括起偏器和检偏器的角度以及对应 的光斑亮度。
促进交叉学科研究
光的偏振现象与物理学、化学、生 物学等多个学科密切相关，开展相 关研究有助于促进交叉学科的发展 。
光的偏振现象实验
02
研究
实验原理及装置
偏振光原理
光波是横波，其振动方向垂直于传播 方向。当光通过某些物质时，其振动 方向会受到限制，只沿着某一特定方 向振动，这种现象称为光的偏振。
实验装置
光的偏振现象研究
05
前景展望
新型偏振器件的研发与应用
新型液晶偏振器件
利用液晶材料的双折射效应，实现偏振态的快速、精确调控，应用 于显示、光通信等领域。
超材料偏振器件
通过设计亚波长尺度的超材料结构，实现对光的振幅、相位和偏振 态的灵活调控，有望应用于超分辨成像、光学隐身等领域。
光纤偏振器件
针对光纤通信系统中的偏振模色散问题，研发高性能的光纤偏振器件 ，提高光纤通信系统的稳定性和传输效率。
未来研究方向与展望
新型偏振光器件的研究
未来可以进一步探索和研究新型偏振光器件，如基于二维材料的偏振光调制器等，以实现更高效、更灵活的偏振光调 控。
偏振光在量子信息领域的应用
随着量子信息科学的快速发展，偏振光作为量子比特的重要载体，在量子通信、量子计算等领域具有广阔的应用前景 。可以进一步探索和研究偏振光在量子信息领域的新应用和新原理。
偏振光学原理及其应用
偏振光学原理及其应用光学是研究光的性质和相互作用的学科，是自然科学的重要分支之一。
在光学研究中，偏振光学是一个重要的分支，可以解释光的偏振现象和利用光的偏振来研究物质的性质。
本文将介绍偏振光学的原理和应用。
一、偏振光学原理偏振光是指只在一个平面上振动的光。
原本在任意方向散射光束变成了只在一个平面上偏振振动的现象，叫做光偏振。
光偏振可以用图示来表示，假如我们把一束无偏振的光通过一个偏振器（P），这个偏振器就会将光线的振动方向限制在一个特定的平面上，所产生的光就是偏振光。
不同类型的偏振器有不同的作用方式。
线偏器是最简单的偏振器，利用线状材料对垂直于线方向不同的两组振动方向的反射作出区别，将所在平面内与线方向平行的振动分选出来。
除线偏器之外，还有圆偏器、椭偏器等。
光线在空气中传播时通常是自然偏振的。
但是在经过许多特定的物体或许多情况下，光的偏振方向被限制在一个或多个平面上，导致偏振光的现象。
有多种机制会引起光偏振。
例如，当光经过一些物体时，其中的某些分子或原子只吸收其振动方向与其特殊方向相同的极化光，并反射和传播其余未被吸收的光。
这样，光的偏振方向就被限制了。
例如，一些晶体能够在一定方向上将振动分量通过，并阻挡垂直于此方向的振动分量，从而产生偏振现象。
此外，偏振光还可以通过一系列透过或反射器件（例如偏振板）来过滤掉非偏振光以产生。
二、偏振光学应用1. LCD液晶显示器偏振光学在LCD显示器中得到了广泛应用。
液晶显示器的原理是通过控制液晶单元的偏振方向来实现像素的开闭。
每个像素都由液晶单元和透明电极组成，透明电极能够控制单元中液晶分子的偏振方向，从而控制光的透过或阻挡。
逐行扫描和逐列扫描也可以控制像素的开闭，从而显示图像。
2. 光学偏振镜光学偏振镜是立体电影和3D电影中使用的常见设备。
偏振镜可以将光线的波动方向沿着特定方向偏振，然后被接收器接收。
正向传输呈现一个图像，反射传输呈现另一个图像。
这种技术利用了立体的原理，能够让观众看到比平面更多的细节和图像。
第4章 光的偏振及应用
（b）BPSK偏振复用以便提高线路速率原理说明
x
偏振态
线路速率21.4 Gb/s t 时间 (b) x偏振波形 y
x
线路速率21.4 Gb/s
x
线路速率43 Gb/s t
t 时间 y
y
时间
(c) y偏振波形
(d) A或B点x、y偏振复用后的波形
（c）WDM系统奇偶波长信道间插复用以便增加波长数
幅度 幅度 幅度
4.3.2 偏振复用相干接收传输系统
• 从4.2节介绍的偏振模色散中知道，在标准单模光 纤中，基模 LP01是由两个相互正交的线性偏振模 TE模和TM模组成的。 • 我们可以把QPSK调制的数据分别去调制x偏振光 （TE模）和y偏振光（TM模），如图4.3.2（a）所 示。 • 调制后的x偏振光和y偏振光首先经偏振合波器合波， 进行偏振分割复用（PM），简称偏振复用。 • 然后再将调制后的奇偶波长信号频谱间插（SI） 复用，如图4.3.2（b）所示，最后送入光纤传输。 • 在接收端，进行相反的变换，解调出原来的数据。
3 R = 28 GS/s的PDM-QPSK 单波长系统速率： n x R x log2(m) x 2(偏振态) = 1 x 28 x 2 x 2 = 112 Gb/s 多电平阶数 m GS/s 符合率 R 高阶多电平调制 （m-PSK或m-QAM）
接收机相对灵敏度/dB
光载波数 n 多载波/OFDM （频率或波长）
…
本地 振荡器 相干 接收 取样 示波 器 个人 计算机
偶数波长
LD2 2
21.4 Gb/s RZBPSK
延迟
EDF 33 dBm
…
43 Gb/s
LD64
x 偏振
偏振光及其应用
a：电矢量平行分量的振幅
A
式中
(1) P1
2 cos i10 sin i2 = AP1 × sin(i10 + i2 ) cos(i10 − ii 2 )
(2)
A
(1) P2
右上角“ 右上角“（1）”表示折射一次（下 2 AP
表示折射两次）。由于
i1 0 + i 2 =
上式可化简为：
(1) P2
π
2
一、偏振现象及光的可能偏振状态 二、自然光 三、线偏振光及部分偏振光 四、椭圆偏振光及圆偏振光 五、各种偏振状态的光的鉴别 六、偏振光的应用
偏振光及可能的偏振状态
一：纵波与横波的区别
1：纵波：波的振动方向和波的传播方向相同，波的振动对波 ：纵波：波的振动方向和波的传播方向相同，波的振动对波 的传播方向具有对称性。 2：横波：波的振动方向和波的传播方向相互垂直，波的振动 ：横波：波的振动方向和波的传播方向相互垂直，波的振动 对传播方向没有对称性。
E = Exex + Eyey = (A0xex + A0yey )cos( −kz) wt
ex
ey
分别为沿X 、Y轴的单位矢量。
2、起偏器：能以某种方式选择自然光中的一束线偏振光，而摒弃另一偏振光的 光学元件．自然光经过起偏器后可一转化成线偏振光。
3、由二向色性产生的线偏振光 二向色性指的是对振动方向不同的电矢量具有选择吸收的性质。最早使用的 是天然具有二向色性的晶体，例如电气石。广泛使用的二向色性片是一种透明的 聚乙烯醇片，通过加热和延伸，使得它的长链分子在特定的方向上排列的很好， 然后将该片用碘溶液浸染，碘原子依次沿聚乙烯醇分子的直线排列起来，与碘相 联系的导电电子就能顺着长链分子上下循环流动。含有这种平行地排列起来的长 链聚合物分子的薄膜叫做偏振片。 当一束自然光射到偏振片上时，由于碘原子提供的高传导性，相互平行 地排列来来的长链分子吸收平行于链长方向的电场分量，而与它垂直的电场 分量则几乎不受影响，结果投射光成为线偏振光。 4、反射光的偏振态 当一束自然光在两种介质的界面上反射和折射时,自然光的电矢量可以分解 为平行于入射面的分量和垂直于入射面的分量。 由菲涅耳公式可知，电矢量的平行分量和垂直分量的振幅比分别为：
偏振光和应用
一、双折射滤光器：
“凹槽光谱”叠加实现特定波长旳滤光
1
2
1
2
1
2
1
滤光原理图
Lyot 大视场滤光器
d d /2*2
Lyot 可调谐-半波 片旋转角度引起波 长变化
Evans滤光器-省 一种偏振片
二、椭偏测量术：
利用偏振光和物质相互作用而引起旳多种效 应：
可对许多参量进行测量。也可用于对介
而且要求它们旳偏振化方向都沿同一方向并与水平面
成45度角，那么，司机从前窗只能看到自己旳车灯发
出旳光，而看不到对面车灯旳光，这么，汽车在夜间
行驶时，不熄灯，也不减速，也能够确保安全行车。
2、在阳光充分旳白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物 旳玻璃上反射过来旳刺眼旳阳光，常会使眼睛睁不开。 因为光是横波，所以这些强烈旳来自上空旳散射光基 本上是水平方向振动旳。所以，只需带一副只能透射 竖直方向偏振光旳偏振太阳镜便可挡住部分散射光。
夹心矩阵
偏振光Jones矢量为
E
E
xei
Ey
厄米共轭形式为：
Eˆ Exei ..Ey
偏振光Stockes矢量为：
I EˆP1E, M EˆP2E,C EˆP3E, S EˆP4E
P1，P2，P3，P4为夹心矩阵，与Pauli旋转矩阵有关
2. 4. 5 应用举例
一、太阳仪器之双折射滤光器：冰洲石晶体双折射
一、三角函数体现法 二、琼斯矢量法 三、斯托克斯矢量法 四、 图示法
Hale Waihona Puke 一、三角函数体现法比值a/b与 可决定椭圆外形和取向☺ 令 与 E0x E0y 相位差为
E0x2 E0 y 2 a2 b2
《偏振光及其应用》课件简介(精)
《偏振光及其应用》课件简介（一）内容结构《偏振光及其应用》是适用于大学物理课堂教学的多媒体课件。
包含相关理论论述、实验、视频、动画、例题、应用、测验题、图片、旁白和物理学史小故事等。
也可以作为科普讲座使用。
基本内容：一，偏振光相关理论论述1，自然光和线偏振光2，偏振片的起偏和检偏马吕斯定律3，反射和折射时光的偏振布儒斯特定律4，晶体的双折射现象二，偏振光的应用三，测验题工具栏除了含上述6个版块外，还有视频集锦、动画集锦、小故事等版块。
结合教学内容自行研制了11个视频、4个动画、40多个声音文件，拍摄照片30多幅。
（二）课件特色简介一，实用性强。
“光的偏振”是大学物理教学的难点之一。
本课件是将教师长期积累的偏振光部分的课堂教学和演示实验的丰富经验和体会精心设计制作而成的，解决了理论和实践、教学和演示分离的问题，将难点化为易点，辅助教师课堂教学和学生课外自学，提高了教学效果。
课件中的全部细节，包括自定义动画和换页效果等也都是为课堂教学应用而设计的。
“偏振片的起偏和检偏”“马吕斯定律”用视频演示验证“布儒斯特定律”用动画深入浅出地分析了“布儒斯特定律”是本课件一个亮点。
“反射和折射时光的偏振布儒斯特定律”用动画二，技术含量高，可视性强。
研制中采用了Authorware、Director、flash、非线性编辑和PowerPoint的多种技巧等计算机技术。
使用了录像、动画、图片、摄影、乐曲、旁白和文字动态播放等多种多媒体手段，生动、形象、制作精美，使用方便。
极大提高了学生的学习兴趣和教学效果。
三，操作方便，运行可靠。
在每页都可通过幻灯片上方的菜单快速调出9个版块的内容。
PowerPoint可方便教师及时修改、调整教学内容。
而且每页都可通过幻灯片右下角的按钮组回到首页、上页、下页、末页或结束播放。
图标END在每页后自动飞出，提示用户全部自定义动画完毕。
工具栏菜单四，《测验题》的设计有独创性。
具有交互功能，可以反复修改答案，并配有声音响应，选择了正确的答案后，仍可以选择其他答案和重新选题。
光的偏振及其应用
光的偏振及其应用一、光的偏振光的偏振（polariz ationof light）振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。
光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。
只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。
在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。
凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。
自然光通过偏振片P之后，只有振动方向与偏振片的透振方向一致的光才能顺利通过，也就是说，通过偏振片P的光波，在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定的方向振动，这种光叫偏振光。
通过偏振片P的偏振光，再通过偏振片Q，如果两个偏振片的透振方向平行，则可以通过；如果两个偏振片的透振方向垂直，则不能透过Q（如图-1所示）。
根据偏振光的这个特性，在实际中有很多用途。
二、光的偏振的应用1．在摄影镜头前加上偏振镜消除反光自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光，而且入射角变化时，偏振的程度也有变化。
在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等，常常会出现耀斑或反光，这是由于反射光波的干扰而引起的。
如果在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜片，让它的透振方向与反射光的透振方向垂直，就可以减弱反射光而使水下或玻璃后的影像清晰。
例1．下列说法正确的是（）A．拍摄蓝天白云相片时，可以加用偏振镜片，突出蓝天中的白云B．一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线的夹角恰好是90°时，反射光和折射光都是偏振光C．日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景物更清晰D．拍摄玻璃橱窗里的陈列物时，照相机镜头前的偏振片的透振方向应与反射光的振动方向平行分析：由于蓝天中存在大量的偏振光，所以用偏振镜能够调节天空的亮度，加用偏振镜以后，蓝天会变暗，从而突出了蓝天中的白云，所以A正确；自然光射到界面上时，反射光线与折射光线都是偏振光，当反射光和折射光的夹角为90°时，偏振程度最大，且两束光的振动方向垂直，所以B正确；拍摄水面下或玻璃橱窗内的景物时，应使偏振片的透振方向与反射光的振动方向垂直，这样反射光不能进入镜头，所以C正确，D错误。
光的偏振现象及其应用
光的偏振现象及其应用1. 光的偏振现象1.1 偏振的概念偏振是光波的一种特性，描述了光波中电场矢量在空间中的特定方向。
与非偏振光相比，偏振光中电场矢量的方向在空间中保持一致，而非偏振光中电场矢量的方向在空间中随机分布。
1.2 偏振的产生偏振光的产生主要有两种方式：自然偏振和人工偏振。
•自然偏振：自然光在传播过程中，由于经过物质的散射、反射等作用，使得光波中的电场矢量方向逐渐趋于一致，从而产生偏振现象。
•人工偏振：通过偏振器可以将自然光或非偏振光转化为偏振光。
偏振器只允许电场矢量在特定方向上的光通过，其他方向的光被阻挡。
1.3 偏振的表示方法偏振可以用偏振态来表示，偏振态包括线偏振、圆偏振和椭圆偏振。
•线偏振：电场矢量在空间中只有一个方向，呈直线状。
•圆偏振：电场矢量在空间中呈圆周分布，且大小恒定。
•椭圆偏振：电场矢量在空间中呈椭圆分布，长轴和短轴分别表示电场矢量在不同方向上的大小。
2. 光的偏振现象的实验验证2.1 马吕斯定律马吕斯定律是描述偏振光通过偏振器时，光强与偏振器偏振方向的关系。
当偏振器的偏振方向与偏振光的偏振方向平行时，光强达到最大；当偏振器的偏振方向与偏振光的偏振方向垂直时，光强减小为零。
2.2 起偏器和检偏器起偏器是一种使自然光或非偏振光变为偏振光的装置，它可以通过对光波的特定方向进行选择来实现。
检偏器是一种检测偏振态的装置，通过测量光强变化来判断光波的偏振方向。
2.3 偏振光的干涉当两束偏振光波重叠时，由于电场矢量的相互叠加，会产生干涉现象。
偏振光的干涉可以用来研究光波的偏振态和相位关系。
3. 光的偏振现象的应用3.1 光学仪器光的偏振现象在光学仪器中有着广泛的应用。
例如，偏振显微镜可以用来观察物质的偏振性质；偏振镜可以用来消除反射光和非偏振光源中的杂散光，提高图像质量。
3.2 液晶显示技术液晶显示技术（LCD）中，光的偏振现象被用来控制显示屏幕的亮度和色彩。
通过调节液晶分子的排列，可以改变光的偏振状态，从而实现图像的显示。
偏振光的介绍及其应用
本堂课小结
一、光的偏振态 自然光、线偏振光、 自然光、线偏振光、部分偏振光 二、线偏振光的获得 偏振片法、反射和折射法、 偏振片法、反射和折射法、双折射法 三、基本物理定律（光强变化） 基本物理定律（光强变化） tgi b = n 2 / n 1 1. 布儒斯特定律 布儒斯特定律: 2. 马吕斯定律 马吕斯定律:
下面我们介绍几种日常生活中应用偏振光的实例： 下面我们介绍几种日常生活中应用偏振光的实例： 1、汽车车灯 、
汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时，为了避免双方车灯的眩 目，司机都关闭大灯，只开小灯，放慢车速，以免发生车祸。如驾驶室 的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振化方向 都沿同一方向并与水平面成45度角，那么，司机从前窗只能看到自已的 车灯发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，即 不要熄灯，也不要减速，可以保证安全行车。
在垂直于光传播方向的平面内， 在垂直于光传播方向的平面内，光矢量的振动状态有各种不 同的方式，称为光的偏振态。 同的方式，称为光的偏振态。
1、线偏振光 、 自然光; 自然光 偏振光 2、部分偏振光 、
1、线偏振光 （平面偏振光） 、 平面偏振光）
E
u
• • • •
2、自然光 、 X 自然光的特点: 自然光的特点 （1） 在垂直光线的平面内，光矢量沿各 ） 在垂直光线的平面内，
O光（寻常光）——遵守折射定律 寻常光） 遵守折射定律 e光（非常光）——不遵守折射定律 非常光） 不遵守折射定律
3、用反射和折射法获得偏振光 、
布儒斯特角
•
•
•i 1
••
••
线偏振光
ib
n2
•i 2 = 90 0
i2
偏振光的介绍及其应用
偏振光的介绍及其应用偏振光是指在空间中仅在一个特定的方向上振动的光波。
光可以是横向振动（垂直于传播方向）或纵向振动（沿着传播方向）。
当光的振动限制在一个方向上时，光就呈现出偏振的性质。
一般情况下，自然光是随意偏振的，即在垂直平面上振动的光波和在水平平面上振动的光波的比例是随机的。
而偏振光是特定振动方向上的光波，它具有特定的电场矢量振动方向，可以通过各种方法来产生。
偏振光的特性使得其在各个领域得到广泛应用。
以下是一些常见的偏振光应用：1.光学显微镜：偏振光显微镜能够提供更清晰的图像和更好的对比度。
通过使用偏振器和偏振滤光片，可以有效地消除反射和散射光，使得被观察物体更加清晰可见。
2.光学通信：偏振光在光纤通信中起着重要作用。
在光纤中传输的光波往往会受到外界环境的干扰，导致光信号损失。
使用偏振保持器可以稳定光信号的偏振状态，提高光纤通信质量和稳定性。
3.显示技术：偏振片和液晶显示器（LCD）的结合，可以实现高清晰度的图像和广视角。
液晶分子的取向可以通过电场控制，从而改变偏振光的传递性质。
这种控制使得液晶显示器能够产生各种颜色、亮度和对比度的图像。
4.激光器：通过使用偏振器件，可以使激光器产生特定方向的偏振光。
这种特性可以用于光学器件的校准和对激光束的精确控制。
5.太阳能电池：太阳能电池通常使用偏振玻璃覆盖，能够帮助收集更多的光能，并提高电池的效率。
偏振玻璃可以选择特定方向的光波进入太阳能电池，减少透过率不高的光的损失。
此外，偏振光还在生物医学、摄影、天文学、材料科学等领域得到了广泛的应用。
例如在生物医学中，偏振光可以用于观察和研究生物组织结构和功能；在摄影中，偏振滤镜可以用来增强图像对比度和颜色饱和度；在天文学中，偏振测量可以用来研究星际尘埃和行星的性质。
总之，偏振光在不同领域中有着广泛的应用和重要的意义。
它不仅可以提高光学设备的性能和精度，还可以帮助我们更好地理解和研究光的性质和行为。
第六章 光的偏振性及应用
消光比
用于偏振片
两个相同的偏振片相对转动时出射光强的最小值
Im和最大值IM之比定义为该偏振片的消光比
Im IM
用于部分偏振光
I m I M I I
产生偏振光的方法
二向色性 金属丝光栅 折反射 布儒斯特角 全反射 晶体
二向色性产生偏振光
晶体中的平面波
设平面波
E E0 exp j k r t Ex , E y , E z exp j k r t
T
在具有下列张量的晶体中传播
2 nx r 0 0
0
2 ny
0
0 0 nz2
（2）透射角为
ts
2 sin 1 sin 57 1.54 33
2 sin 2 cos 1 sin 1 2
2sin 33 cos 57 0.5933 sin 90
解例6.1_2
2sin 33 cos 57 tp 0.6494 sin 1 2 cos 1 2 sin 90 cos 24
求晶体中平面波的k
根据矢量恒等式 E E 2 E 并按照 E jk E jk E exp j k r t
0
E jk E0 jk exp j k r t 2 E jk E0 exp j k r t
金属丝光栅产生偏振光
自然光入射平行导线栅时，与导线方向平行 的光矢量分量与导线相作用，能量被吸收， 而垂直方向的分量则顺利透过 制作方法
偏振理论及应用
水体的散射存在两种形式, 一种是在光传输方向 上的散射称为前向散射，另一种是在传输的相反方向
成为后向散射。由于它在一定程度上会增加信号的能
量, 对于水下光通信的脉冲强度调制来说, 会使通信 质量有一定的提高, 所以传统的通信系统中没有对前
向散射采取任何的措施。
圆偏振技术的应用 在水下传输的光信号, 根据光的偏振理论和试验的结 果显示, 入射的右旋偏振光被水粒子散射后变成左旋 圆偏振光, 并且随着传输的距离越远右旋光转变成左 旋光就越多, 如果传输足够远的话, 在理论上右旋圆 偏振光会完全的转变成左旋圆偏振光
3.1
在使用了圆偏振技术后, 由于散射光转变成了左 旋圆偏振光 ( 入射光为右旋圆偏振光 ) , 其中一 部分左旋偏振光会成为系统的无效能量。如果在 接收系统仅使用滤光镜的情况下 , 系统的误码率 不会得到任何的改变。但当在接收系统的前面放 置右旋圆偏振器或者左旋圆偏振器时 , 系统的能 量利用率就会有很大的改善。当在接收系统前放 置右旋圆偏振器时 , 系统的无效光能量 ( 左旋圆 偏振光) 就会被滤除。即E2≈0 （由下列公式可以看出系统中有效光能量和无效 光能量的能量利用率 C=E1/E2）
由于在发射系统前放置了右旋圆偏振起 偏器, 可以有效地抑制光传输过程中后向散 射引起的后向传输的左旋圆偏振光进入到 激光器, 使系统的发射编码不会受到干扰, 这 种作用也使系统的误码率有了一定的提高
。
结束
上面只是个别的应用例子，比如还有液晶，非金属夹杂物 的鉴定、白光测速仪、激光器谐振腔等等。偏振光的应用 已比较广泛。
光通信系统中圆偏振光的应用研究
在水下光通信系统中, 由于信道有太多的不稳定 性因素, 通信质量方面都不是很理想。在这些信道的 不稳定性因素当中最主要的有两点, 水介质的吸收作 用和水介质的散射作用。这两种因素使通信质量下降 很多, 如何消除这两种因素的影响就成了水下光通信 研究的主要任务。
偏振光学的研究与应用
光学是一门既古老又年轻的学科，是物理学中一个重要的分支。
通过分析100多年来的诺贝尔物理学奖我们发现：与光学直接或间接相关的获奖成果有40多项。
这些获奖的光学研究工作对于物理学的发展起到了非常重要的作用。
无论是相对论还是量子力学的建立，都与光学的发展密切相关。
例如：相对论的基本假定之一就是光速不变原理；而量子力学的建立则是从对黑体辐射（普朗克）、氢原子的光谱结构（玻尔）以及光电效应（爱因斯坦）的讨论开始的。
100多年来，光学的研究大多与光的相干性、量子性和非线性这三个范畴有关。
纵观与光学相关的诺贝尔物理学奖可以发现：99%的获奖工作集中在光的相干性和量子性（其中，有关光的量子性的研究近70%）。
2005年的诺贝尔物理学奖刚刚公布，获奖者的贡献是在光学领域的，其研究的范畴仍属于相干性和量子性。
1.光的相干性从17世纪起，人们逐步认识到光的波动性（相干性）。
到19世纪初，研究者们已经发现了光的干涉、衍射、偏振等现象，确证了光是电磁波。
到了19世纪中后期，麦克斯韦建立起了完整的电磁理论，人们对光的相干性已经有了相当深刻的认识，初步的波动光学体系己经形成，许多基本的理论和实验方面的问题都已解决。
但由于有关相干性的研究很大一部分是在20世纪之前完成的，那时还没有设立诺贝尔奖。
因此，诺贝尔奖中因光的相干性研究而获奖的数目较少。
20世纪初，诺贝尔奖刚刚设立， 1901年伦琴由于发现X射线而获得第一届诺贝尔物理学奖。
由此也可以看出，光学研究在诺贝尔奖中占有重要的地位。
此后仍有几次获奖是有关X射线的工作，如关于晶体的X射线衍射（1914，1915）以及X射线衍射标识谱（1917）的研究，因就其本质来说，这些工作更接近光的相干性范畴。
此后，有关相干性方面的研究继续发展，有不少工作获得了诺贝尔物理学奖。
其中最具代表性的工作就是相衬理论的提出（泽尼克，1953年获奖），以及全息术的发明（伽博，1971年获奖）。
这些获奖的工作大多是应用型的。
偏振光学
例题分析
6
1、如图，单色自然光源 S 置于透镜 L 的焦点处，后面依次放置 、如图， 的焦点处， 偏振片P、 波晶片 波晶片（ =π/2）和理想平面反射镜M（反射率R=1， 偏振片 、λ/4波晶片（ δ ）和理想平面反射镜 （反射率 ， 反射光与入射光相比有相位π的突变 的突变） 若入射到偏振片P上的光 反射光与入射光相比有相位 的突变）。若入射到偏振片 上的光 强为I 的透振方向与波晶片光轴的夹角为如图的α<π/4，试分 强为 0 ， P的透振方向与波晶片光轴的夹角为如图的 的透振方向与波晶片光轴的夹角为如图的 ， 析光波经过各个器件后的光强和偏振态？ 析光波经过各个器件后的光强和偏振态？
λ
4 入射（分解）相位差 δ入 ： 入射（分解）
刚入射到波晶片上的各种偏振光分解成o 刚入射到波晶片上的各种偏振光分解成o光和e光后产生的相位差 .
3
5 坐标轴投影相位差
δ′：
从波晶片出射的两个互相垂直的光振动通过偏振片P 在平行P 从波晶片出射的两个互相垂直的光振动通过偏振片 2时，在平行 2透振方向 的两个投影分量之间产生的相位差。 的两个投影分量之间产生的相位差。
δ= π
2
δ3入＝ 0
1 I3 = E + E = I0 2 π δ3出 = δ3入＋δ =
2 o 2 e
2
{
4区
Ee = E0e cos(ωt)
Eo = E0o cos( ωt) 2
π
8
出射光为如图的左旋正椭圆偏振光 。
由于反射过程没有能量损失 反射过程有半波损
反射坐标系中
出射光为如图的右旋正椭圆偏振光 。 注意：已知偏振片P的透振方向位于入射坐标系的一三象限 但是， 的透振方向位于入射坐标系的一三象限， 注意：已知偏振片 的透振方向位于入射坐标系的一三象限，但是，由于反 方向与入射坐标系的 方向相反 射坐标系的e’方向与入射坐标系的e方向相反，因此， 射坐标系的 方向与入射坐标系的 方向相反，因此，偏振片的透振方向应当 位于反射坐标系的二四象限。 二四象限 位于反射坐标系的二四象限。
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b 左旋和右旋晶体：
nR nL ( 0) 的晶体
nR nL ( 0) 的晶体
c 磁致旋光（法拉第旋转）的规律和特点
需要掌握的基本方法
1 利用计算法和惠更斯作图法求解晶体的双折射问题； 2 五种偏振光的获得和检验的方法 ； 3 偏振光干涉问题的求解方法。
例题分析
6
1、如图，单色自然光源 S 置于透镜 L 的焦点处，后面依次放置 偏振片P、λ/4波晶片（ =π/2）和理想平面反射镜M（反射率R=1， 反射光与入射光相比有相位π的突变）。若入射到偏振片P上的光 强为 I0 ， P的透振方向与波晶片光轴的夹角为如图的 α<π/4，试分 析光波经过各个器件后的光强和偏振态？
3
5 坐标轴投影相位差
：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
从波晶片出射的两个互相垂直的光振动通过偏振片 P2时，在平行P2透振方向 的两个投影分量之间产生的相位差。
0 ＝
7随相位差变化的 线偏振态图.
e 轴和o 轴的正方向沿 P2透振方向的投影方向相同 e 轴和o 轴的正方向沿 P2透振方向的投影方向相反
6 随相位差变化的椭圆偏振态图
3 附加相位差 ：
Eo E0o cos( t ) Ee E0e cos(t )
光通过波晶片时，由波晶片产生的o光相对e光的相 位延迟量为：
2 (no ne )d
4 入射（分解）相位差 入 · ：
刚入射到波晶片上的各种偏振光分解成o光和e光后产生的相位差 .
2
t )
8
Ee E0e cos(t )
出射光为如图的左旋正椭圆偏振光 。
由于反射过程没有能量损失 反射过程有半波损
反射坐标系中
4出 3出 / 2 2 ' ' Eo E0 t ) o cos( 2 ' Ee' E0 e cos( t )
偏振态为：沿P透振方向的线偏振光。
1 2 I I E 后光强变为: 2 0 02 2
3区
E0e E02 cos E0o E02 sin
2
3入＝0
1 I3 E E I 0 2 3出 3入＋
2 o 2 e
2
4区
Eo E0 o cos(
7 偏振光干涉的基本装置和公式
1）装置图
4
2）公式
出射光强
I 2 E E E 2Ee2 Eo 2 cos 出
2 2 2 e2 2 o2
Ee 2 E01 cos cos
Eo 2 E01 sin sin
出＝ 入＋＋ '
3）尖劈形晶片产生的干涉条纹的形状和间距 近似处理：o光和e光在晶片中传播时不分开，仅仅传播速度不同. 尖劈形晶片后产生的相位差为:
' Ee' E0 e cos( t )
出射光是如图的处于反射坐标系中的一三象限的线偏振光.
6区
1 2 马吕斯定律: I 6 I 5 cos (2 ) I 0 cos (2 ) 2
2
出射光是如图的处于反射坐标系中的二四象限的线偏振光.
45
0
I 6 I 0 cos 2 (2 ) 0
5区
9
e E0e E0 1 2 2 I 5 E0o E0e I 0 E0o E0o 2 5出＝ 5入＋＝0 5入 = 2 2 ' ' Eo E0 o cos( t )
反射坐标系中
反射光通过波晶片时 o’方向的光振动和e’方向的光振动振幅不变。
I 2 I 2 (d )
条纹间距: x
干涉条纹的形状是平行棱边的直线条纹.
2 (no ne )d
d
(no ne )
4）旋光现象的基本概念
a 旋光率：
5
d
1 ( R L ) (n R n L )d 2 0
左旋晶体 右旋晶体
入射光：
e o k
反射光：
e o k
解：
解 题 思 路
7 1 计算出通过每一个区间的两个互相垂直的线偏振光的振幅和相位； 2 对照随相位差变化的偏振态图确定偏振态；
3 利用相干光强公式计算光强；
1区
已知: 光强为： I 1
I 0 ；偏振态为：自然光。
2区
经过偏振片P
1
反射光隔离装置
10 2 如图所示，在杨氏干涉装置中，S点光源发出光强为I0的单色自然光，S1和 S2 为双孔，忽略传播过程光的衰减，回答如下问题。 (1)如果在S后放置一个偏振片P，干涉条纹是否发生变化？ (2)如果在S1和S2之前再各放置一个偏振片P1和P2，它们的透振方向互相垂直， 并都与P的透振方向成如图的450角，屏幕Σ 上的光强分布如何？ (3)在Σ 前面再放置一个偏振片P’，其透振方向与P平行，试比较在这种情况下 观察到的干涉条纹与P1、P2、 P’都不存在时的干涉条纹有何不同？ (4)同(3)的布置，仅将P旋转900，屏幕上干涉条纹有何变化？ (5)同(3)的布置，仅将P撤去，屏幕上是否有干涉条纹？ (6)类似(2)的布置，屏幕Σ 上的F0和F1分别是未加P1和P2时的零级和一级亮纹 所在处， F , F , F 是F0和F1的四等分点，说明F0 ,F1 ,F , F , F 各点处的光的 偏振态？
1
偏振光学及其应用
光在晶体中的传输问题
基本概念和公式复习
例题分析
作业题讲解
基本概念和公式复习
一、基本概念
1 双折射现象的基本概念：
o光，e光，晶体的光轴，主截面，主平面， o光和e光的偏振态 正晶体和负晶体，波面，主折射率no和ne
2
2 晶体光学器件：
洛匈棱镜、渥拉斯顿棱镜、尼克耳棱镜和波晶片的结构、特点及其功能
o’方向的光振动比e’方向的光振动相位延迟 反
e E0e E0 E0o E0o
I4 E
' 2 0o
E
' 2 0e
1 I0 2
出射光为如图的右旋正椭圆偏振光 。
注意：已知偏振片P的透振方向位于入射坐标系的一三象限，但是，由于反 射坐标系的e’方向与入射坐标系的e方向相反，因此，偏振片的透振方向应当 位于反射坐标系的二四象限。