光的偏振

~光的偏振~

科目：光电子学(一)

开课班级：物三乙

报告题目：光的偏振

指导老师：郭艷光教授姓名：陈麒生

学号：8522016

缴交日期：88.06.10

目录

一、简介光的偏振 1

二、简介偏振片 4

三、从反射和折射获得偏振光 4

四、从散射获得偏振光6

五、双折射7

六、晶体的研究11

七、人为双折射现象12

八、旋光性12

九、结论13 附注14 参考书目14

一、 简介光的偏振：

就先前对光的认识而言，光是具有二相性的，从整体上来看，波的性质较为显著，但从细微的角度来看，粒子性则显得较为重要。

一般光源含有大量的发光原子或分子，他们所发出的光的振动方向彼此毫不相关。但由于发光原子和分子的数量相当庞大，因而在与光波传播方向垂直的平面上，与任何一个振动方向相联系的原子或分子数目基本上是相等的。换言之，这样的光源在一切可振动方向上的光振动机率是相等的。从能量的角度上来看，光振动平面内任何方向上都具有相同的能量，或者说光振动的功率密度都相同，这种振动方向漫无规律的光波就是自然光。

由于光是电磁波的一种，到目前为止我们仅考虑在固定平面上的电场矢量；而此电场矢量所在之平面也称为电场振动平面；而此时在固定平面振动传播之光波称为偏振光。若光波的波矢量总是沿着一条直线作反覆振动，则称为线偏振光(linearly polarized light)。线偏振光的振动面是固定的平面，故也称为平面偏振光。 若线偏振光与自然光相掺杂，则为部分偏振光(partially polarized light)，这时发出沿线偏振方向光振动的原子或分子比发出沿其他方向光振动的原子或分子要多，因而这个方向光振动的功率密度比其他方向的光振动的功率密度要大。通常用偏振度(degree of polarization)P 来量度线偏振的程度，仿照可见度的定义，偏振度定义为

m

M m M I I I I P +-= 式中I M 和I m 是部分偏振光在两个特殊方向上的功率密度，分别对应于最大和最小的功率密度。若P=1，是线偏振光；P=0是自然光；而P<1是部分偏振光。 与一切振动相同，光振动也可分解成两个方向相垂直的振动。自然光中的每一个光振动都可分解成这两个互相垂直的光振动。由于自然光中各方向上的光振动都相等，因而他们在这二方向上的分振动之和也相等，即自然光可用功率密度相等、振动方向互相垂直的两个线偏振光来表示。且每个线偏振光的功率密度都是自然光功率密度的一半，而且这两个线偏振光之间无周相联系。 以下我们就几种不同的偏振光分别来加以讨论：

(一) 线性偏振光(linearly Polarization)：

若考虑两同频率垂直光波，其电场如下： ：兩向量之相對相角差

εε+-=-=j

)wt kz cos(B E i )wt kz cos(A E Y X

图 一

，有兩種情況：當此兩光波相互作用後

.......

4,3,2,1,0n n )(.2.1E B A )wt kz cos()j B i A (E (b))E(.2E B A )wt kz cos()j B i A (E a))(E(2.1=π±ε--=π±ε-+=π±ε，其中須為兩光波之相位角差。

兩光波之頻率必須相同光必須符合下列兩點：

互作用欲得到線性偏振由以上可知，兩光波相為固定方向之向量。

為常數，可知合成向量，由於圖一之之整數倍時，合成向量為為固定方向之向量。

為常數，可知合成向量，由於圖一之之整數倍時，合成向量為

(二) 圆状偏振光(Circular Polarization)：

圆状偏振光与线性偏振光最大的差异乃在于相对相角差。前者相对相角差为2

π之奇数倍，后者则为π之整数倍。

兩種情況：

此兩波相互作用後，有為相對相角差

光波，其電場如下：若考慮兩同頻率之垂直εε+-=-=j

)wt kz cos(A E i )wt kz cos(A E Y X

))

b (()t ,z (E E A )j )wt kz sin(i )wt kz (cos(A E E m m 22.2))

a (()t ,z (E E A )j )wt kz sin(i )wt kz (cos(A E E m m 22.1圖二之螺旋向量。為一逆時針旋轉之圓狀為常數，由於為為整數時，合成向量，為圖二之螺旋向量。為一順時針旋轉之圓狀為常數，由於為為整數時，合成向量，為 =---=π±πε=-+-=π±π-ε 图 二

....4,3,2,1m m 22

)(.2.1=π±π±ε，須為兩光波之相對相角差率。

兩光波必須有相同的頻 (三) 椭圆偏振光(Elliptical Polarization)：

椭圆偏振光发生之原理与圆状偏振光相类似，其不同处为：

1. 两光波之振动纯量不同，即下式中A ≠B

j

)wt kz cos(B E i )wt kz cos(A E Y X ε+-=-= 2.

两光波之相对相角ε，并没有特别限制，下图说明不同之合成偏振光。

光必須有下列二條件：

互作用欲得到圓狀偏振由以上可知，

兩光波相

E y 领先E X 2π 7π/4 3π/2 5π/4 π 3π/4 π/2 π/4 0

E

y

E x

E x E y 0 π/4 3π/4 π 5π/4 7π/4 2π 图 三

二、 简介偏振片：

有些晶体对入射光的两个互相垂直的光振动的吸收不同，这种特性叫作晶体的二向色性(dichroism)。具有二向色性的晶体内部有一个特殊方向，叫作主轴或光轴。入射光波中垂直于光轴的电场分量会被强烈地吸收，而沿光轴方向的光轴分量则可以透过晶体。当自然光入射到足够厚度的这种晶体片上时，与光轴方向垂直的光振动可以被全部吸收，透射光中只剩下沿光轴方向的光振动，这样就得到了线偏振光。因此称这种晶体片为偏振片(polaroid)，称光轴方向为偏振片的偏振化方向或主方向，又可称为偏振片的透光方向。

自然光入射到偏振片上，透射的是线偏振光。从自然光得到偏振光的过程叫作起偏。起偏作用的光学元件叫作起偏器(polarizer)。偏振片就是一种起偏器，除此之外还有圆起偏器和椭圆起偏器。

如果入射到偏振片上的是线偏振光，则当偏振片的偏振方向与线偏振光的振动方向一致时，出射光最强；旋转偏振片，当这两个方向互相垂直时，则没有透射光。 入射到偏振片上时，旋转偏振片，透射光的功率密度不发生变化。而当部分偏振光入射时，旋转偏振片，透射光的功率密度要发生变化，但不存在功率密度为零的情况，总之，旋转偏振片，观察透射光功率密度的变化特点，可以确定入射光的偏振特点。确定光的偏振特点的过程叫作检偏，起检偏作用的光学元件叫作检偏器(analyzer)。偏振片也可以作为检偏器。

线偏振光入射到偏振片上时，旋转偏振片，当偏振光振动方向与偏振片偏振化方向的夹角为θ时，透射光的功率密度I 为

θ=2

0c o s I I 式中I 0是入射线偏振光的功率密度。这是Malus 在1809年得到的，被称为Malus 定律。从振动的分解可以理解这一定律，入射线偏振光的振幅为E 0，他在偏振化方向上的分量为E 0cos θ，这就是透射光的振幅，他的平方就是功率密度。

三、 从反射和折射获得偏振光：

在获得偏振光的各种方法中，以Malus 在1808年所发现的用反射获得偏振光的方法最为简单。如图四所示，平行光的自然光柱SP 入射到平面镜P 上，