大学物理-14章：光的偏振
大学物理基础知识光的偏振与光的介质
大学物理基础知识光的偏振与光的介质光是一种电磁波，它具有特定的波长和频率。
然而，光波并不是在一个固定的方向上振动的，它可以在不同的方向上振动。
这与光的偏振性质有关。
在光的传播过程中，光波的振动方向可以沿着任意方向，也可以分解为两个垂直方向上的振动。
本文将探讨光的偏振及其与光的介质之间的关系。
一、光的偏振光的偏振是指光波振动方向的特性。
根据振动方向与光传播方向之间的关系，光的偏振可以分为不同类型。
1. 线偏振线偏振是指光波振动方向沿着直线的偏振。
当光波的振动方向沿着一个特定的方向时，我们称之为线偏振。
线偏振可以进一步细分为水平偏振和垂直偏振两种类型。
2. 圆偏振圆偏振是指光波振动方向按照圆周轨道进行偏振。
在圆偏振的情况下，光波振动方向绕着传播方向旋转。
3. 椭偏振椭偏振是指光波振动方向按照椭圆轨道进行偏振。
椭偏振是线偏振和圆偏振的组合，振动方向在垂直于传播方向的平面上形成一个椭圆。
二、光的介质光的介质指的是光传播的媒介，包括空气、水、玻璃等物质。
光在不同介质中的传播速度和偏振性质都会发生变化。
1. 光在介质中的传播速度电磁波在介质中的传播速度会发生变化，这是由于介质中的原子和分子与电场的相互作用导致的。
根据电磁波理论，光在真空中的速度为光速，即约为3.0×10^8米每秒。
然而，在不同介质中，光的传播速度会降低。
这是因为介质中的原子和分子对电场的响应时间较慢，导致传播速度减小。
2. 光的偏振性质在介质中的变化光的偏振性质在介质中也会发生变化。
根据介质的性质，光的偏振方向可能会旋转或发生偏移。
2.1 法布里-珀罗兹法则光在介质中的传播受到介质的吸收、散射和折射等因素的影响，其偏振方向可能发生改变。
根据法布里-珀罗兹法则，当光从一个介质射入另一个介质时，入射角、折射角和偏振方向之间存在特定的关系。
这一定律为解释光在介质中的偏振性质提供了基础。
2.2 偏振介质和非偏振介质介质可以分为偏振介质和非偏振介质两种类型。
大学物理--光的偏振(完全)
e
方 解 石 的 主 平 面
o
图
21
3.惠更斯原理研究双折射现象 作图方法 1. o光在各个方向的传播速度相同，子波面应为 球面。 e光的传播速度随方向变化，但可以证明子波面 为旋转椭球面。 2. o光和e光在光轴方向传播速度相同，故子波 面在光轴方向相切；实验表明，在垂直于光轴的方 向上速度相差最大。 3.对负晶体(如方解石)，在垂直于光轴的方向上, o<e , no>ne ,故e光的子波面(旋转椭球面)应包围o光 的子波面(球面)。
图
例题 一束光是自然光和线偏振光的混合。当它通 过一偏振片后，测得最大透射光强是最小透射光强的5 倍，求入射光中自然光和线偏振光的光强之比。 解 设入射光中自然光的光强为I1，线偏振光的光 强为I2，则透射光强
1 1 I max I1 I 2 , I min I1 2 2 I max 2I 2 I 2 2 5 1 , I1 I min I1
图
8
例题 自然光连续通过两个叠在一起的偏振片后， 透射光强为入射光强的四分之一，求两个偏振片偏振 化方向之间的夹角。 解 设两偏振片偏振化方向间的夹角为，于是 Io
自然光
1 Io 2
图
1 2 ( I o ) cos 2
由
解得： =45°(or 135°)。
9
1 1 2 I I o cos I o 2 4
2
1.自然光 部分偏振光 线偏振光 普通光源发出的光、阳光都是自然光。 由于原子发光的间歇性和无规则性，使得普通光源发 出的光的光矢量在垂直于传播方向的平面内以极快的 速度取0~360°内的一切可能的方向，且没有哪一个 方向占有优势。具有上述特性的光，称为自然光。
大学物理光的偏振原理与反射定律分析
大学物理光的偏振原理与反射定律分析在大学物理中，光的偏振原理与反射定律是重要的概念，它们能够帮助我们理解光的传播与反射现象。
本文将对光的偏振原理与反射定律进行详细分析。
一、光的偏振原理光是一种电磁波，其电场和磁场都是按照垂直于传播方向的波动。
光的偏振是指电场矢量在特定方向上的振动，而非在所有方向上都振动。
光的偏振现象可以通过偏振片来观察和分析。
1.1 偏振片偏振片是一种能够选择性通过特定方向光振动的光学元件。
它可以将非偏振光转化为偏振光，或者将偏振光按照特定方式进行过滤。
偏振片的主要原理是根据振动方向来选择性地吸收或通过光的电场振动分量。
1.2 光的偏振方向光的偏振方向是指光的电场矢量振动的方向。
在垂直于传播方向上观察光时，如果电场矢量沿着一个确定的方向振动，则我们称之为线偏振光。
若电场矢量沿不同方向变化，则称之为非偏振光。
1.3 偏振的产生光的偏振可以通过吸收、散射和干涉等现象产生。
例如，当光线穿过介质时，根据介质的性质，光的特定方向振动的分量会被吸收或散射，从而导致光的偏振。
二、反射定律在光的传播中，反射是一种常见的现象。
反射定律描述了光线在界面上反射时的行为与规律。
2.1 入射角与反射角当一束光线从一种介质射入到另一种介质时，光线会在界面上发生反射。
入射角是光线与法线的夹角，而反射角是反射光线与法线的夹角。
根据反射定律，入射角与反射角之间的关系为：入射角等于反射角。
2.2 法线与界面在反射现象中，法线是垂直于界面的一条直线。
光线入射到界面上时，根据反射定律，反射光线与法线的夹角等于入射光线与法线的夹角。
2.3 界面的性质界面的性质对反射光线的行为有重要影响。
界面的光学特性包括折射率和反射率等。
折射率是介质对光传播速度的影响程度，而反射率则是界面上光的反射强度。
三、光的偏振与反射定律的应用光的偏振原理与反射定律在科学研究和实际应用中有广泛的应用价值。
3.1 光学仪器和装置光的偏振与反射定律的应用在许多光学仪器和装置中具有重要作用，如偏振镜、偏振显微镜、晶体和偏振片等。
(大学物理)光的偏振
线偏光
圆偏振光
§2 偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律
一. 起偏 • 起偏：从自然光获得偏振光 • 起偏器: • 偏振片 起偏的光学器件
（1928年美国大学生兰德发明）
两向色性的有机晶体，如硫酸碘奎宁、电气石或聚 乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后，在高温下拉伸、烘干， 然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片。它有一个特 定的方向，只让平行与该方向的振动通过。
例：三个偏振片 P1、P2与P3 堆叠在一起， P1 与 P3 的偏振化方向相互垂直，P2 与 P1 的偏振化方向间的夹角为 30 ° 。强度 为 I0 的自然光垂直入射到偏振片 P1，并 依次透过偏振片 P1、P2 与 P3，若不考虑 偏振片的吸收和反射，则通过三个偏振片 后的光光强为： （B） 3 I 0 / 8; （A） I 0 / 4; （C） 3 I 0 / 32; （D） I 0 / 16. [ C ]
2.寻常光和非寻常光
o光（寻常光）: 遵从折射定 n1 sin i = n2 sin ro
律 且在入射面内传播 e光 : 一般不遵从折射定律
sin i ≠ const sin re
e光折射线也不一定在入射面内。
3. 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。 例如，方解石晶体(冰洲石) 光轴是一特殊的方向 , 凡平 行于此方向的直线均为光轴。
• 光轴 B
102°
A
单轴晶体：只有一个光轴的晶体
例如：方解石、石英等。
双轴晶体：有两个光轴的晶体
例如：云母、硫黄等。
4. 主平面和主截面 主平面：晶体中光的传播方向与晶体 光轴构成的平面。 O光振动方向垂直于主平面。
《大学物理》光的偏振现象的研究实验
图2 二向色性起偏《大学物理》光的偏振现象的研究实验姓 名学 号 班 级桌 号 教 室实验日期 20 年 月 日 时段 指导教师一. 实验目的1. 观察光的偏振现象，加深对光偏振基本规律的认识；2. 了解产生和检验偏振光的基本方法；3. 验证马吕斯定律；4．1/2波片，1/4波片的研究； 5.利用旋光现象测定蔗糖溶液浓度. 二. 实验仪器导轨和机座, 带布儒斯特窗的氦氖激光器, 激光器架, 偏振片、波片架, 滑动座(4个)， 光传感器(光电探头)，光功率测试仪，偏振片（2个），1/2波片（波长632.8nm ），1/4波片（波三. 实验原理1. 偏振光的基本概念光波是一种电磁波，它的电矢量 和磁矢量 相互垂直，并垂直于光的传播方向。
通常人们用电矢量 代表光的振动方向，并将电矢量和光的传播方向所构成的平面称为光的振动面。
在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线偏振光，如图1(a)所示。
振动面的取向和光波电矢量的大小随时间作有规律的变化，光波电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆时，称为椭圆偏振光或圆偏振光，评 分教师签字图1 平面偏振光、自然光和部分偏振光图3 双折射起偏原理图人眼逆光来看，若电矢量末端按照顺时针方向旋转，则称为右旋椭圆或右旋圆偏振光，反之为左旋。
通常光源发出的光波有与光波传播方向相垂直的一切可能的振动方向，没有一个方向的振动比其它方向更占优势。
这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光，如图1(b)所示；如果光波电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定方向上占优势，则此偏振光称为部分偏振光，如图1(c)所示。
将自然光变成偏振光的器件称为起偏器，用来检验偏振光的器件称为检偏器。
实际上，起偏器和检偏器是互为通用的。
下面介绍几种常用的起偏和检偏方法。
２. 二向色性起偏、马呂斯定律、双折射起偏二向色性起偏：物质对不同方向的光振动具有选择吸收的性质，称为二向色性。
大学物理214_02_由介质吸收引起的光的偏振5.2 14.2 由介质吸收引起的光的偏振
2011.10.19 Wu Ling
第十四章 光的偏振
通过偏振片P1的光强
—— 通过P2 __ P3 __P4 偏振片的光强
2011.10.19 Wu Ling
第十四章 光的偏振
1 2
I0
cos6
I4 0.21I0
—— 通过偏振片的光强
I I0 cos2
—— 光振动方向沿P的方向
2011.10.19 Wu Ling
第十四章 光的偏振
I I0 cos2
2011.10.19 Wu Ling
第十四章 光的偏振
例题14-1 一束自然光入射相互重叠的四块偏振片上 四块偏振片偏振方向相互之间的夹角为300 求透射光强
—— 形成“碘链”____自由电子可以在链上自由运动
—— 链方向的光振动 不能通过薄膜
2011.10.19 Wu Ling
第十四章 光的偏振
利用偏振片检验光的偏振性 —— 检偏器 —— 两个偏振光元件 ___ P1为起偏器 ___ P2为检偏器
2011.10.19 Wu Ling
第十四章 光的偏振
14_02 由介质吸收引起的光的偏振
14.2.1 偏振片
起偏 —— 从自然光获得线偏振光的过程 起偏器 —— 获得线偏振光的器件
—— 1928年美国兰德将针状粉末晶体硫酸碘奎宁 有序地蒸镀在透明基片上 做成了偏振片
2011.10.19 Wu Ling
第十四章 光的偏振
—— 1938年将聚乙烯醇薄膜加热 并沿一个方向拉长使薄膜中的碳氢化合物分子 沿拉伸方向形成链状侵入富含碘的溶液中 碘原子附着在碳氢链上
—— 平行放置时透射偏振光最大__光振动沿P2方向
大学物理中的光的偏振光的振动方向与偏振现象
大学物理中的光的偏振光的振动方向与偏振现象在大学物理中，光是一个重要的研究对象。
它的性质和现象被广泛研究和应用。
其中，光的偏振现象是一个引人注目的课题，它与光的振动方向密切相关。
本文将对大学物理中的光的偏振光的振动方向与偏振现象展开论述。
一、光的偏振光的振动方向光是一种电磁波，具有电场和磁场的振动。
在传播过程中，光的电场和磁场垂直于传播方向，在空间中形成一个电矢量和磁矢量的交叉振动。
这种交叉振动的方向就是光的偏振方向，也称为光的振动方向。
光的振动方向可以在不同平面上进行，我们称之为线偏振光。
常见的线偏振光有水平偏振光、垂直偏振光、左旋偏振光和右旋偏振光。
水平偏振光和垂直偏振光的振动方向分别沿着水平和垂直的方向，左旋偏振光和右旋偏振光的振动方向则绕着传播方向旋转。
二、光的偏振现象光的偏振现象指的是光在与物体接触或经过物质介质时，会发生振动方向的改变。
这一现象主要与介质的性质以及光的入射角度有关。
1. 介质的探测性质介质对光的振动方向的选择性吸收作用称为偏振。
不同的介质对不同方向的振动光有不同的吸收度，导致振动方向被选择性地吸收和消除。
光通过经过介质后，原本包含各个方向振动的非偏振光变成了具有特定振动方向的偏振光。
2. 偏振器为了研究和应用偏振光，人们设计了偏振器来选择或产生具有特定振动方向的光。
偏振器是一种能够透过特定方向光的光学装置。
通过偏振器，我们可以选择性地得到特定方向的偏振光。
3. 双折射某些物质在光的传播过程中会改变其折射率，导致光的传播速度和波长的变化。
这种现象被称为双折射。
双折射现象使得经过此类物质的光出现了两个不同的折射光线，其振动方向也会发生变化。
三、光的偏振现象的应用光的偏振现象在生活和科学研究中有着广泛的应用。
1. 偏振光在偏振镜中的应用偏振镜是一种光学器件，能够透过或者阻挡特定方向的偏振光。
偏振镜应用于太阳镜、摄影镜头等领域，能够有效减少光的反射和折射，提高图像的清晰度。
2. 光的偏振在液晶显示技术中的应用液晶显示屏的原理就是利用光的偏振和双折射现象。
大学物理光的偏振
（A）
玻璃门表面的 反光很强
（B）
用偏光镜减弱 反射偏振光
（C）
用偏光镜消除 反射偏振光， 使玻璃门内的 人物清晰可见
例1：一束自然光从空气射向一块平板玻璃，设入射角等于布 儒斯特角，则在界面2的反射光为（ B ）
A)自然光 B) 线偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面 C)线偏振光且光矢量的振动方向平行于入射面 D) 部分偏振光
z
y x
左旋光 . 分 右旋光 .
实际为相差为 /2 两垂 直方向线偏振光的合成
部分偏振光 partial polarized light
光矢量振动方 向的角分布不均匀
部分偏振光示意图
=
+
光矢量投影
部分偏振光可视 为自然光与线偏振光 的叠加。
自然光经反射或折射后得到的光多为部分偏振光。见§24-3
光的偏振
的电场光强实度质E上 称是为电光磁矢波，量电。磁波都是横波。通常把光波中
对确定的传播方向，光矢量可能 的方向并不唯一。
所谓偏振是指：光矢量总是与光
的传播方向垂直的特性。 事实上就是电磁波的横波性
光矢量
传播方向
光矢量 振动方向
光的偏振
本章主要内容
§24-1 光的偏振状态 §24-2 线偏振光的获得与检验 §24-3 反射和折射时光的偏振
§24-1 光的偏振状态
偏振态——光矢量的振动状态。（振动方向及其角分布）
非偏振光 通常光有三类不同的偏振态： 完全偏振光
部分偏振光
非偏振光——自然光
光矢量角分布均匀
在垂直于传播方向的平面上，沿各方向振动光矢量都 有，分布均匀，具有轴对称性，而且振幅相等、没有固定 的相位关系。
大学物理§14-12反射和折射时光的偏振
i0
偏振片的应用 1) 作为许多光学仪器中的起偏和检偏装置。 2) 作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必要的 反射光。 3) 制成偏光眼镜，可观看立体电影。
4) 若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与地面成 45角、且向同一方向倾斜的偏振片，可以避免汽车 会车时灯光的晃眼。
两式比较得
coi0ssincoπ 2s()
i0
2
反射线与折射线垂直
2）根据光的可逆性，当入射光以 角从 介n 2质入 射于界面时, 此 角即为布儒斯特角 .
i0
n1
玻璃
n2
tan
i0
n2 n1
tantan(π 2i0)ctgi0n n1 2
3)画出下列光线的反射和折射（起偏角 i 0）.
i0
结论：反射光的偏振化程度与入射角有关 . 一般情况下：
反射光——部分偏振光，垂直于入射面的振动大于 平行于入射面的振动. 折射光——部分偏振光，平行于入射面的振动大于 垂直于入射面的振动.
特殊情况下： 反射光——完全偏振光
折射光——部分偏振光
布儒斯特定律（1812年）
当入射角等于某一特定值i0时，反射光是光振动垂 直于入射面的线偏振光。折射光仍为部分偏振光。
在照相机镜头前加偏振片 有反射光干扰的橱窗 消除了反射光的干扰
拍摄橱窗时未加偏振片 拍摄橱窗时加偏振片
i0
i0
i
i
i
例1 一束自然光以布儒斯特角入射到平玻璃板上，
就偏振状态来说，则反射光为
线，偏反振射Байду номын сангаас光
矢量的振E动方向
，垂折直射于光入为射面 ，
大学物理光的偏振
大学物理光的偏振光在传播过程中，电矢量在垂直于传播方向上的两个相互垂直的分量分别称为水平分量H和垂直分量V，偏离这两个垂直分量的光波称为偏振光。
光波的偏振现象在光学中具有重要的应用价值。
自然光：具有垂直于传播方向的上、下两个偏振分量，两分量均在垂直于传播方向的平面内振动。
椭圆偏振光：在垂直于传播方向的平面内，除有一个与传播方向垂直的振动分量外，尚有与传播方向成一定夹角的振动分量。
圆偏振光：在垂直于传播方向的平面内，两个相互垂直的振动分量都与传播方向成一定夹角，且相位差为π/2。
尼科耳棱镜：其作用是将入射光从其他偏振状态转变成透过偏振片后的直线偏振光。
渥拉斯顿棱镜：其作用是将入射的非偏振光分成两束相干光波，其中一束光的振动方向与入射光的振动方向垂直，以透射光的形式出现；另一束光的振动方向与入射光的振动方向平行，以反射光的形式出现。
当两束偏振方向平行的线偏振光经过一个偏振片后，透射光为线偏振光，其偏振方向与入射光的偏振方向一致；当两束偏振方向垂直的线偏振光经过一个偏振片后，透射光为暗条纹。
当两束线偏振光的偏振方向既不平行也不垂直时，透射光将出现明暗相间的条纹，这种条纹称为椭圆偏振光的干涉条纹。
当两束椭圆偏振光的旋转方向相反时，透射光仍将出现明暗相间的条纹，且旋转方向相反。
当两束椭圆偏振光的旋转方向相透射光将出现圆偏振光的干涉条纹。
在物理学中，光的干涉是一个非常重要的概念，它描述了两个或多个光波叠加时产生的明暗条纹和相消干涉的现象。
这个概念最早由英国物理学家托马斯·杨在19世纪初提出，后来被广泛应用到光学、波动力学和其他领域。
光的干涉现象可以被分为两类：时间域干涉和空间域干涉。
时间域干涉指的是两个或多个光波在时间上同步抵达某一点，而空间域干涉则指的是两个或多个光波在空间中不同位置的叠加。
干涉现象的原理在于，当两个或多个光波的波峰或波谷完全重叠时，它们会相互增强，产生明亮的干涉条纹。
而当波峰与波谷相遇时，它们会相互抵消，产生暗的干涉条纹。
大学物理-光的偏振
2、振动面的旋转角与波长有关， 波长给定则与旋光物质的厚度l 有关。
3、偏振光通过糖溶液、松节油时，振动面的旋转角
· ·
平行板面的 光振动较强
· ·· · ··
垂直板面的 光振动较强
20-2 起偏和检偏 马吕斯定律
一、偏振片的起偏和检偏
起偏：使自然光（或非偏振光）变成线偏振光的过程。
检偏：检查入射光的偏振性。
偏振片
将待检查的入射光垂直入 自然光 射偏振片，缓慢转动偏振 片，观察光强的变化，确 定光的偏振性。
透 光 轴 方 向
20-1
光的偏振状态
振动面：通过波的传播方向且包含振动矢量的平面。
偏振: 波的振动方向相对传播方向的不对称性。 E
光矢量 振动面
0
H
v
光的偏振态: 光矢量在与光传播方向垂直的 平面内的振动状态。
1.自然光 光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上，既有 时间分布的均匀性，又有空间分布的均匀性。
一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、 等幅的、不相干的线偏振光。
干涉的明暗条件
色偏振
三、人为双折射现象
某些晶体在受到外界作用时失去各向同性的性质， 也呈现双折射现象。 1、光弹性效应——应力双折射 在机械应力作用下，显示光学各向异性
两偏振光通过厚度为d介质后产生的位相差
2、克尔效应——电致双折射
在强电场作用下，使分子定向排列，获得各向异性
透光轴相互垂直
P1
C
纸面
双 折 射
光 光
方解石 晶体
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
方解石 晶体
当方解石晶体旋转时 o光不动，e光围绕o光旋转
大学物理实验光的偏振
大学物理实验光的偏振
光的偏振是指光在传播时，电场矢量的振动方向只能沿着某一特定方向，而不能沿着
所有方向振动。
光的偏振是光的一个重要性质，也是光学重要的研究内容之一。
我们可以通过光的偏振，来研究光的各种性质。
光的偏振可以分为线偏振、圆偏振和
椭偏振三种类型。
实验中，我们可以使用偏振片和偏振光源来研究光的偏振。
下面我介绍两个光的偏振
实验。
我们可以使用偏振片来观察光的偏振现象。
偏振片本身的作用是把不偏振的光线变成
具有偏振性质的光线。
实验步骤：
1.将偏振片放在光源的前面，并让光通过偏振片。
2.将第二个偏振片放在第一个偏振片的后面，并使两个偏振片的透振方向相互垂直。
3.观察通过第二个偏振片的光，发现光线的亮度发生变化，当两个偏振片的透振方
向平行时，光的亮度最大，当两个偏振片的透振方向垂直时，光变暗。
实验原理：
我们可以通过双折射晶片来产生圆偏振光，然后通过偏振片观察光的偏振现象。
3.观察通过偏振片后的光线，可以发现无论偏振片的透振方向如何调整，光的亮度
都不会发生变化。
这是因为圆偏振光在所有方向都具有相同的偏振性质，无论用任何方
向的透振片都不会改变其偏振性质。
圆偏振光是指光的电场振动方向沿着一个圆周运动。
这种光不具有特定的偏振方向，
无论用任何方向的偏振片都可以通过。
总结
光的偏振是光学重要的研究内容之一。
我们可以通过偏振片和偏振光源的实验，研
究光的偏振现象。
本文介绍了光通过偏振片和双折射晶片形成的圆偏振光的实验，希望
对读者有所帮助。
大学物理中的光的偏振问题
大学物理中的光的偏振问题光的偏振问题是大学物理中一个重要且深奥的话题。
光的偏振现象在自然界和科技应用中都有着广泛的应用。
本文将从光的偏振现象的基本概念开始介绍，然后探讨光的偏振原理和相关实验，最后讨论光的偏振在生活和科技中的应用。
一、光的偏振概述光是一种电磁波，具有波动性和颗粒性。
光的偏振是指光波传播过程中电场矢量振动方向的固定性。
光波不同于机械波，其电场矢量在垂直于传播方向的平面内振动，我们把这个平面称为偏振方向。
光的偏振可以通过偏振片进行实验观察，常见的偏振片有线性偏振片和圆偏振片。
二、光的偏振原理光的偏振原理可以通过振动模型和波动理论来解释。
在振动模型中，光被认为是垂直于传播方向的电场和磁场的振动。
假设光是垂直于传播方向的电场振动的话，我们可以把光的偏振方向定义为电场矢量的振动方向。
而在波动理论中，光波被认为是由电场和磁场相互作用产生的。
三、光的偏振实验为了观察和测量光的偏振，科学家们开展了一系列实验。
其中最经典的实验是马吕斯实验。
马吕斯实验利用了偏振片和光的干涉现象。
通过调整偏振片与光光路之间的相对角度，可以观察到不同偏振方向的亮度变化。
通过这种实验可以研究光的偏振现象和性质。
四、光的偏振应用光的偏振在生活和科技中有许多应用。
其中应用最广泛的就是偏振光的显示技术。
液晶显示器、3D电影和太阳镜等都是利用了偏振光的特性来实现对光的控制。
此外，在光通信、光纤传感等领域，光的偏振也起着重要的作用。
光的偏振还可以应用于显微镜、天文学和生命科学等领域，为科学研究和技术发展带来了诸多便利。
综上所述，光的偏振是一个涉及物理学基础理论和实验应用的重要课题。
通过理论和实验的研究，我们可以更好地理解光的偏振现象以及其在生活和科技中的应用。
光的偏振问题的深入研究将为我们揭示光传播和相互作用的更多奥秘，并为光学科学的发展提供更多的可能性。
大学物理实验——光的偏振
基本方法:在检偏器前加一块l/4波片 基本方法:在检偏器前加一块l/ l/4
检偏器
区别自然光和圆偏振光:转动检偏器, 区别自然光和圆偏振光:转动检偏器, 有最大光强和消光的为圆偏振光, 有最大光强和消光的为圆偏振光,没有 变化的则为自然光. 变化的则为自然光.
区别部分偏振光和椭圆偏振光: 区别部分偏振光和椭圆偏振光: 同时转动波片和检偏器, 同时转动波片和检偏器 , 有消光现象的为 椭圆偏振光, 椭圆偏振光 , 没有消光现象的为部分偏振 光.
�
2,验证马吕斯定律: ,验证马吕斯定律:
移回望远镜,旋转检偏器, 移回望远镜,旋转检偏器,用激光功率计 观测检偏器P2转过的角度与光强I的变化 规律. 规律.在0~90间每10测一次. ~90间每10测一次. 间每10
3,观察线偏振光通过波片后的偏振状态 ,
1) 旋转检偏器至消光,然后将1/4波片置于 旋转检偏器至消光,然后将1/4 1/4波片置于 载物台,再旋转波片至消光, 载物台,再旋转波片至消光,
光的偏振
物理实验中心
一,实验原理
(1)什么是偏振光? 什么是偏振光? E
c
H
线偏振光
v E 代表光波振动方向
v v E = E0 sin ωt
Ey
E
Ex
E
椭圆偏振光
圆偏振光
椭圆和圆偏振光可以看作是两个振动方向 椭圆和圆偏振光可以看作是两个振动方向 互相垂直,相位差恒定的线偏振光的合成. 互相垂直,相位差恒定的线偏振光的合成.
椭圆偏振光. (3)其它情况→椭圆偏振光. )
返回
自然光: 自然光:各个方向上的
部分偏振光:某些方向 部分偏振光:
光强相等,相位差随机. 上光强强,相位差随机. 光强相等,相位差随机. 上光强强,相位差随机.
大学物理光的偏振与反射定律
大学物理光的偏振与反射定律光是一种电磁波，具有波动和粒子性质。
在传播过程中，光的偏振和反射定律是重要的现象和规律。
本文将详细探讨光的偏振和反射定律，以及相关的实验和应用。
一、光的偏振1. 偏振现象的发现19世纪初，法国物理学家马拉斯发现了光的偏振现象。
他通过将光通过偏振片进行实验观察，发现光只有在特定方向上通过，其他方向上被屏蔽。
这一实验揭示了光既具有波动性，也具有粒子性。
2. 光的偏振方向光的偏振是指光波中电场矢量振动的方向。
光可以沿任意方向振动，但在实际观察中，我们常常将光的振动方向分为两类：线偏振光和圆偏振光。
线偏振光的电场矢量沿着一条直线振动，而圆偏振光的电场矢量在平面内呈圆周运动。
3. 产生偏振光的方法产生偏振光的方法有很多，其中包括：- 自然光通过偏振片：自然光通过偏振片时，只有与偏振片的偏振方向一致的光能够透过，其他方向的光会被吸收或反射。
- 偏振器：偏振器是一种特殊的光学元件，可以自行分离光波中的不同偏振分量，使得只有特定偏振方向的光通过。
二、反射定律1. 反射现象的描述当光从一种介质（如空气）射向另一种介质（如玻璃）时，光波会发生反射。
反射是光线从介质界面上被弹回的现象。
2. 反射定律的表达反射定律是描述入射角、反射角和界面法线之间关系的规律。
根据反射定律，入射角和反射角的平面与界面的法线在同一平面内，并且入射角等于反射角。
3. 折射定律与反射定律的关系折射定律也是光在界面上的另一个重要规律。
根据折射定律，光线从一种介质射向另一种介质时，入射角和折射角的比值等于两种介质的折射率比值。
反射定律和折射定律是光在界面上的基本规律，它们共同决定了光的传播。
三、光的偏振与反射定律的应用1. 偏振光的应用偏振光在科学研究和工程技术中具有广泛的应用，如：- 光学显微镜：偏振光可以增强显微镜的分辨率，提高观察样品的效果。
- 液晶显示器：液晶显示器利用偏振光的旋转和吸收特性来显示图像。
- 偏振滤镜：偏振滤镜可以调节光的强度和偏振方向，常用于摄影和光学实验中。
大学物理-光的偏振
无关。
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3、自然光的表示 由于自然光的波振幅在垂直于传播方向的平面内，在各个方
向上的分布平均相等，因此将波振幅在该平面内向任意的两个正 交方向进行分解，都可以得到两个振动方向互相垂直且振幅相等 的振动，故此自然光常用下图表示：
...
u
S
y
x
u
S
S
• 表示该光的振动方向垂直于纸平面； 表示该光的振动面就在纸平面内。
折射率为：
n sin i0 1.73
sin 0
或者，由
tan i0
n2 n1
n2
将i0=600代入，得 n=1.73
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§14-4 光的双折射现象
一、光的双折射
当一束光投射到两种媒质的交界处，一般只能看到一束折射 光，折射定律为：
sin i / sin 常数
且入射线、法线、折射线在同一平面内，这是光在各向同性均 匀媒质中的折射现象。
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三、应用
①用玻璃片堆获取偏振光
i0
接近完全偏振光
② 在激光器的谐振腔中开有布儒斯特窗，故激光是偏振光。
③ 也可用玻璃片作检偏器。 ④ 在强光下摄影时，反光强烈，为使成像后光线谐调、柔和，
可在摄影机前头加偏振片，旋转偏振片可减少入射的反射
光光强。在雪地，海洋上反射光很强，为保护视力可带装
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三、部分偏振光，线（面，全）偏振光
①若沿某一方向的光振动优于其他方向，则谓之部分偏振光, 表示为
②若只有沿某一方向的光振动，则谓之线（面、全）偏振光， 表示为
例：晴朗蔚蓝色的天空中所散射的日光多是部分偏振光，散射 光与入射光的方向越接近垂直，散射光的偏振度越高。
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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