大学物理学电子教案 第20章 光的偏振

第20章光的偏振

◆本章学习目标

1．理解自然光和偏振光等概念；

2．掌握马吕斯定律；

3．理解反射和折射时光的偏振现象，掌握布儒斯特定律；

4．了解光的双折射现象；

5．掌握偏振光的获得方法和检验方法；

6．了解偏振光的干涉规律。

◆本章教学内容

1．自然光和偏振光；

2．偏振片的起偏和检偏马吕斯定律；

3．反射光和折射光的偏振；

4．双折射现象；

5．椭圆偏振光和圆偏振光波片；

6．偏振光的干涉人为双折射现象；

7．旋光现象。

◆本章教学重点

1．自然光和偏振光等概念；

2．马吕斯定律；

3．反射和折射时光的偏振现象。

◆本章教学难点

光的双折射现象

◆本章学习方法建议及参考资料

1．注意讲练结合；

2．要注意依据学生具体情况安排本章进度

参考教材

易明编，《光学》，高等教育出版社，1999年10月第一版

传播方向

传播方向

§20.1自然光和偏振光

一、偏振现象

横波与纵波之不同的主要特点在其振动方向对于传播方向不具有轴对称性，即在垂直于波传播方向的平面来看，横波的振动矢量偏于某一方向，而纵波的振动矢量则在传播方向对称轴上，横波的这种特性也叫偏振性，与光的偏振性直接有关的一些光学现象叫做光的偏振现象.

二、自然光

光波是一定波长范围的电磁波，是横波.在光波的E振动和B振动中，引起感光作用和生理作用的是E振动，所以一般把E叫做光矢量，而E振动叫做光振动.

普通光源光矢量E不可能保持一定的方向，而是无规则取所有可能方向，没有哪一个方向比其他方向更优越.因此，在垂直与光传播方向的平面内任一个方向上，光振动的振幅都相等，这样的光就叫做自然光.

任一方向上的光矢量E都可以分解为两个相互垂直得分矢量，由于自然光光振动的对称性，各种取向的光矢量在两个垂直方向上的分量的时间平均值应当彼此相等，所以自然光可用一对相互垂直且振幅相等的独立的光振动来表示，如图1（a）所示，这两个方向上光振动的强度为自然光强度的一半,用图1（b）中的方法来表示自然光，黑点表示垂直于纸面的光振动，短线表示平行于纸面且与传播方向垂直的光振动，并用黑点和短线的多少表示分振动的强弱.对自然光，由于两个分振动强度相等，所以短线和黑点的分布数相等.但是，由于自然光中光振动的无规性，则自然光的两个互相垂直的分振动之间没有固定的位相差.如果把自然光视为由光振动方向互相垂直，强度相等的两束光组成，则其是彼此独立不相干的.

三、偏振光

自然光经某些物质反射、折射或吸收后，可能只保留某一方向的光振动.这种只有某一固定方向振动的光叫做线偏振光，简称为偏振光，偏振光的振动方向与传播平面组成的平面叫做振动面.与振动方向垂直的面叫做偏正面.若光线中某一方向的振动比另一方向的振动占优势，这种光叫组部分偏振光.

§20.2 偏振片的起偏和检偏马吕斯定律

一、偏振片

偏振片是一种能使自然光变为偏振光的人造透明薄片.某些物质对不同方向

的光振动具有选择性的吸收（也叫儿向色性），如天然的电气石晶体，硫酸碘奎

宁晶体等，它们能吸收某一方向的光

振动，而只让与此方向垂直的光振动

通过，把这种物质涂在透明薄片上，

就可制成偏振片.偏振片所允许通过

的光振动方向称为该偏振片的偏振

化方向或透光轴，通常在偏振片上用

记号“↕”表示.如图 2所示，自然光

通过偏振片变成了线偏振光.

二、偏振片的起偏和检偏

自然光通过偏振片后成为偏振光，这就是起偏振，而这种偏振片就叫做起偏

振器.偏振片不但可以把自然光变成偏振光，而且还可以检查某一光波是否是偏

振片，这就是检偏振，而这种检验偏振光的偏振片就叫做检偏振器.

如图 3所示.偏振片A 为起偏振器，B 为检偏振器.让透过偏振片A 的偏振光

投射到偏振片B 上，让B 的偏振化方向与偏振片A 的偏振化方向平行（0=θ）

时，则透过A 的偏振光也能透过B ，这时从B 射出的光强度大，最亮，如图 2

（a ）所示的情况.如果把B 旋转任一角度（ 900<<θ），此时透过A 的则是偏

振光，这时从B 射出的光强度虽角度的变化而从亮到暗变化.当B 旋转 90时，则

B 的偏振化方向与A 德偏振化方向相互垂直（ 90=θ）

，透过A 的偏振光既不能透过B ，这时就没有光从B 射出，强度为零，最暗.如果B 有 90=θ继续转到 180=θ，则光强又由零逐渐变为最大（由暗变亮），如图2（b ）所示.由此可见，

转动B 则可判断投射到B 上的光是否是偏振光，还可以确定偏振光的振动面.透

过检偏器的光强的变化与两偏振片偏振化方向之间的夹角关系可由马吕斯定律

A 图 2 偏振片的起偏

M ˊ M N

N ˊ A 1 A 2 θ

确定.

三、马吕斯定律

1809年，马吕斯（E.LMalus ）由实验发现，强度0I 的偏振光，透过检偏器后，

透射光的强度为

θ20cos I I = （20-1）

式中θ为偏振光的光振动方向与检偏振器的偏振化方向之间的夹角.上式称为马

吕斯定律.此定律描述了当起偏器A 固定，旋转检偏器B 时，出射光强度变化的

规律. 马吕斯定律的证明：如图 4所示，M M '表示入射线偏振光的光振方向，N N '

表示检偏器偏振化方向，两者的夹角为θ.将入射光光矢量0A 分解为两个相互垂

起偏振片 A 图3 偏振片的检偏 检起偏振片

B

(a)

A

B

(b)

θ

A

B M ˊ N ˊ M N 2I 0 I 0 I 0cos 2θ 图 4 马吕斯定律的证明