大学物理-14章:光的偏振
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A (2n) s2
As1 sin
2n
i2
i0
A (2n) P2
AP1
. 在拍摄玻璃窗内的物体时, 去掉反射光的干扰
未装偏振片
装偏振片
▪ 这张照片拍摄时没有加偏振滤镜,玻璃面 上的反射光现象很明显。此照片拍摄时相 机指向与玻璃大约成45度角。
▪ 这张照片是加上偏振滤镜后拍摄的。相机指向与 玻璃仍然是45度角左右。可以看出,虽然偏振滤 镜消去了大部分的反射光,但是仍然有一部分反 射光存在。这是因为在45度角离布儒斯特角甚远, 玻璃面上的反射光是部分偏振光,偏振滤镜无法 把这样的反射光全部滤去。
反射光为振动方向垂直于入射面的线偏振光
n1 sin i10 n2 sin i2
n1 sin tg i10
i10
n2 n2 n1
sin( 900 i10) n2 cos i10
----布儒斯特定律
若 n1 =1.00 (空气),n2 =1.50 (玻璃),则:
三 折射光的偏振态
As2 2sini2 cosi1 As1 sin(i1 i2 )
解:设P1、P2的 I1 P1 I1' P2 I1' ' E
偏振化方向夹
角为
I2
I2' I2''
入射线偏振光振动方向与P1的偏振化方
向夹角为
对自然光:
I1'
1 2
I1
I1''
1 2
I1
cos2
线偏振光:
I2' I2 cos2 I2 '' I2 cos2 cos2
因I1’’和I2’’是非相干光
(900 ) (900 i2 ) 180
i2
900 i1
0A
i2
B
i2
(900
i1)
tg1
n介质 n水
tg1 n水
900
14.710
§4 光的双折射
一、双折射现象
o光 e光
双 折折射射现现象
方解石晶体 CaCO 3
纸面
寻常光线和非常光线
ห้องสมุดไป่ตู้
寻常光线(o光) (ordinary rays) 服从折射定律的光线
非常光线(e光) (extraordinray rays) 不服从折射定律的光线
[例3]将一介质平板放在水中, 板面与水
平面的夹角为,如图。已知折射率n水
=1.333,n介质=1.681,要使水面和介质面
反射光均为线偏振光, 求
解:如图所示
根据布儒斯特定
律 tgtgi2i1nnn介n空水水质气
0
i1
A
B
i2 n空气 n水
n介质
OAB 900
ABO 900 i2
又 OAB ABO
(C)
用偏光镜消除了 反射偏振光 使 玻璃门内的人物 清晰可见
应用:1.测量不透明介质的折射率
2.外腔式激光管加装布儒斯特窗 减少反射损 失。
·· i0
i0
i0 ······
M1
布儒斯特窗
··
i0 激光输出
M2
假如封闭管子两端的玻璃窗口是垂直于管轴线 的玻璃片,那么自然光每经过一个窗口表面就 有大约4%的反射损失(96%透入)。光在M1 M2 之间每个单程要4次穿过窗口表面。这样,光来 回反射时,反射损耗太大就不能形成激光。
入射光是自然光,Ap1=As1。
1 入射角i1=0或90度,反射光 AP1' As1'
仍然是自然光;
AP1 As1
2 入射角i1为任意角度,反射 光是部分偏振光;
AP1' As1' AP1 As1
偏振度
P Imax Imin I max I min
Imax Imin, Imin 0,
偏光镜头 立体电影
3、生物的生理机能与偏振光 人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的,但某
些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。比如蜜蜂有五只眼: 三只单眼、两只复眼,每个复眼包含有6300个小眼, 这些小眼能根据太阳的偏光确定太阳的方位,然后 以太阳为定向标来判断方向,所以蜜蜂可以准确无 误地把它的同类引到它所找到的花丛。
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 P1
I1 P2
A1
I2 A2
I2 I1
A22 A12
cos
2
P1 A1 P2
I2 I1 cos2
A2
----马吕斯定律 A1 sin A1 cos
下面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,既不要熄灯,也不要减速,可以 保证安全行车。
自然光通过旋转的检偏器,光强不变
自然光
....
.
检偏器
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
检偏器
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
检偏器
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
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器, 光强发生变化
方向都有光振动,但振幅不等的光
I0
偏振度
P IP IP Io In IP
Io— 总光强 IP — 偏振光的光强 In— 自然光的光强
IP = 0 P = 0 —— 自然光 In = 0 P = 1 —— 线偏振光
4.圆偏振光和椭圆偏振光
▪ 在垂直于光的传播方向的平面内,光 矢量以一定的频率旋转。矢量端点轨 迹为椭圆时称其为椭圆偏振光,轨迹 为圆时称其为圆偏振光
Ap2
2sini2 cosi1
Ap1 sin(i1 i2 )cos(i1 i2 )
1 自然光以任意角度入射时,折射光是部 分偏振光。
Ap1=As1
Ap2As2
2 自然光以Brewster角入射时,折射光仍
然是部分偏振光。
i1 i2 2
As2 As1 2sin 2 i2
AP2 AP1 tan i2
I0
2.线偏振光 ▪ 光矢量只沿一个固定方向振动的光(又称平
面偏振光)
光矢量
E
振动面
机械横波与纵波的区别 机 械 波 穿 过 狭 缝
只有横波有偏振现象 而纵波无偏振问题 如何检验光的横波性呢?---用偏振片检验
形象说明偏 振片的原理 通光方向
腰横别扁担进不了城门
3.部分偏振光 在垂直于光传播方向的平面内,各
0 Imin Imax,
P 0, P 1, 0 P 1,
自然光; 线偏振光; 部分偏振光。
3 Brewster Law
如果
i1
i2
2
则
Ap1' 0
Ap1
Ap1' tan(i1 i2 ) Ap1 tan(i1 i2 ) As1' sin(i1 i2) As1 sin(i1 i2 )
I1
cos2
1 2
I0
cos2
300
I2 1 cos2 300 3
I0 2
10%吸收时
I1
8 1 2
I0
(110%)
I2 I1 cos2 (110%)
I0 cos2 (110%)2
2
I2 1 cos2 300 (110%)2 0.3
I0 2
[例2]如图, P1、P2为两块偏振片,现以强 度为I1的自然光和强度为I2的线偏振光同 时垂直入射于P1,在E处观察通过P1和P2 后的光强。(1)P1任意放置后不动, 将P2以 光线方向为轴转动一周, 计算并讨论这时 在E处所观察到的光强变化情况; (2)要 在E处得到最大光强, 应如何实现?
再如在沙漠中,如果不带罗盘,人是会迷路的,
但是沙漠中有一种蚂蚁,它能利用天空中的紫外偏 光导航,因而不会迷路。
§3 反射和折射时光的偏振
一、 菲涅耳公式(Fresnel formula)
As1' sin(i1 i2) As1 sin(i1 i2 )
Ap1' tan(i1 i2 ) Ap1 tan(i1 i2 )
As2 2sini2 cosi1 As1 sin(i1 i2 )
Ap2
2sini2 cosi1
Ap1 sin(i1 i2 )cos(i1 i2 )
二 反射光的偏振态
Ap1' tan(i1 i2 ) As1' cos(i1 i2 ) Ap1 tan(i1 i2 ) As1 cos(i1 i2 )
I0
I0
§2 起偏与检偏 马吕斯定律
一.起偏与检偏 偏振片:吸收某方向光振动,而与其 垂直方向的光振动能通过的装置 偏振化方向:能通过光振动的方向
偏振片
I0
偏振化 方向
I0 P1
I1 P2
I2
起偏
检偏
自然光通过偏振片后变为线偏振光, 称为起偏
利用偏振片检验光线的偏振化程度, 称为检偏
自然光通过旋转的检偏器,光强不变
讨论:
=0或 =1800时, I2=I1光强最强 =900或=2700时, I2=0光强最弱
[例1]两平行放置的偏振片, 偏振化方向 成300角,自然光垂直入射后, 透射光与入 射光的强度之比为多少? (分别讨论无吸 收和10%的吸收的情况)
解:无吸收时
I0 P1
I1 P2
I2
根据马吕斯定律
I2
▪ 这张照片拍摄时调整了相机的位置,使相机与玻 璃面的夹角大约在55度,基本上等于布儒斯特角。 从玻璃面上反射光是线偏振光,用偏振滤镜可以 把反射光几乎全部滤去。从这几张照片中可以看 出,只有在布儒斯特角入射的光线,其反射光才 会是线偏振的。
橱窗设计
(A)
玻璃门表面的 反光很强
(B)
用偏光镜减弱 了反射偏振光
I
I1''I2 ''
(1 2
I1
I2
cos2
)
cos2
即在E处观察到的光强随P1的转动而周期性 变化
0时 I Imax I
时 I 0
2
2
0 2 3 2
在E处得到最大光强,须同时满足
0 0
则
I max
1 2
I1
I
2
四、偏振光的应用
光的偏振在科学技术及工业生产中有着广泛 的应用。比如在机械工业中,利用偏振光的干涉 来分析机件内部应力分布情况,这就是光测弹性 力学的课题。在化工厂里,我们可以利用偏振光 测量溶液的浓度。偏光干涉仪、偏光显微镜在生 物学、医学、地质学等方面有着重要的应用。在 航海、航空方面则制出了偏光天文罗盘。
▪ 另外,在阳光充足的白天驾驶汽车,从路面或周 围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光,常会 使眼睛睁不开。由于光是横波,所以这些强烈的 来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因 此,只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振 太阳镜便可挡住部分的散射光。
2、观看立体电影
在拍摄立体电影时,用两个摄影机,两个摄影机的镜 头相当于人的两只眼睛,它们同时分别拍下同一物体的两 个画像,放映时把两个画像同时映在银幕上。如果设法使 观众的一只眼睛只能看到其中一个画面,就可以使观众得 到立体感。为此,在放映时,两个放像机每个放像机镜头 上放一个偏振片,两个偏振片的偏振化方向相互垂直,观 众戴上用偏振片做成的眼镜,左眼偏振片的偏振化方向与 左面放像机上的偏振化方向相同,右眼偏振片的偏振化方 向与右面放像机上的偏振化方向相同,这样,银幕上的两 个画面分别通过两只眼睛观察,在人的脑海中就形成立体 化的影像了。
例题:画出下列图中的反射光、折射光以及 它们的偏振状态。
n1
n1
n2
n2
n1
n2
n1 ib
n2
n1 ib
n2
n1 ib
n2
折射光再经过另一个界面的反射和折射, 透射光仍然是部分偏振光。
反射光光强较弱,折射光较强 让自然光通过玻璃片堆,可使折射光的偏 振化程度增加。玻璃片足够多时,可使折 射光为完全偏振光
第14章 光的偏振
§1 自然光和偏振光
光波是电磁波,电磁波中起光作用的是电 场矢量(光矢量)
偏振态:光矢量的振动状态
五种偏振态:自然光,线偏振光, 部分偏振 光, 椭圆偏振光, 圆偏振光
1.自然光 在垂直于光传播方向的平面内,沿各 个方向都有光振动,且各个方向光矢 量的振幅相等的光
I0
Ix
Iy
1 2
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
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
检偏器
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
检偏器
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
检偏器
两偏振片的偏振化方向相互垂直 光强为零
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器,光强不变
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器,光强不变
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器,光强不变
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器,光强不变
自然光
....
.
检偏器
自然光通过旋转的检偏器,光强不变
自然光
....
.
检偏器