第12章-波动光学(3)

40
偏振棱镜
尼科耳棱镜
是将天然的方解石晶体按一定的要求 加工成两块直角棱镜， 加工成两块直角棱镜 ， 然后再用特种 树胶把它们粘合起来制成一块斜长方 形的光学棱镜。 形的光学棱镜。
41
加拿大树胶 A
M e
C
o
N
树胶的折射率： 树胶的折射率：
n =1.55
no =1.658 ne =1.486
全反射 n大 大 n小 小
30
31
寻常光线（ 寻常光线（o光）：恒遵守通常折射定律的光线。 恒遵守通常折射定律的光线。 ordinary ray 非常光线（ 不遵守通常折射定律的光线。 非常光线（e光）：不遵守通常折射定律的光线。
extraordinary ray
检偏器检验表明： 光和e 检偏器检验表明： o光和e光都是线偏振光
方解石 1.6584 白云石 1.6811
正晶体：石英、 正晶体：石英、冰 负晶体：方解石、电气石、白云石、 负晶体：方解石、电气石、白云石、硝酸钠 正晶体 负晶体
ve <vo ne > no ve >vo ne < no
36
37
由惠更斯原理解释双折射现象： 由惠更斯原理解释双折射现象：
B
i
A
C
vo <ve no > ne
35
几种单轴晶体的折射率（对波长为 的钠光） 几种单轴晶体的折射率（对波长为589.3nm的钠光） 的钠光 晶体 电石气 no 1.669 ne 1.4864 1.638 1.500 晶体 石英 冰 硝酸钠 no 1.5443 1.309 1.585 ne 1.5534 1.313 1.337
I0 I= 2
13
马吕斯定律的验证实验： 马吕斯定律的验证实验：
线 偏 振 光
I = I0 cos α
2
有两次消光现象
14
部分偏振光 部分偏振光
有两次极大极小
15
已知自然光通过两个偏振化方向相交60 60° 例：已知自然光通过两个偏振化方向相交60°的偏 振片， 振片，透射光强为 I1，今在这两偏振片之间再插入 另一偏振片， 另一偏振片，它的偏振化方向与前两个偏振片的偏 振化方向均夹30 30° 则透射光强为多少？ 振化方向均夹30°角，则透射光强为多少？ 解:
光轴 无双折射现象
光轴
38
由惠更斯原理解释双折射现象： 由惠更斯原理解释双折射现象：
o光和e光都不折射，但速度和折射率不同， 所以两波面并不重合。
39
o光、e光的一些性质 光 光的一些性质
1、o光、e光传播速度一般不同，但沿光轴方向传播 、 光 光传播速度一般不同 光传播速度一般不同， 方向速度相同（此时无双折射现象） 方向速度相同（此时无双折射现象） 2、o光、e光均为偏振光，但振动面不同 、 光 光均为偏振光 光均为偏振光， o光始终在入射面内，在晶体中o光垂直主平面 光始终在入射面内，在晶体中 光垂直主平面 光始终在入射面内 e光一般不在入射面内，在晶体中e光平行主平面 光一般不在入射面内，在晶体中 光平行主平面 光一般不在入射面内 3、入射光线在晶体主截面内时（三者合一）， 光垂 、入射光线在晶体主截面内时（三者合一），o光垂 ）， 直e光。这是实际应用中常见的现象 光 4、o光、e光在双折射晶体内部才有意义，射出晶体以 、 光 光在双折射晶体内部才有意义 光在双折射晶体内部才有意义， 后就没有意义了
I = Ix + Iy
5
自然光可用两个相互独立、没有固定相位关系、 自然光可用两个相互独立、没有固定相位关系、 等振幅且振动方向相互垂直的线偏振光表示。 等振幅且振动方向相互垂直的线偏振光表示。
自然光的表示： 自然光的表示：
部分偏振光：某一方向的光振动比与之相垂直的另 部分偏振光： 一方向的光振动占优势。 一方向的光振动占优势。 平行纸面振动占优的部分偏振光 平行纸面振动占优的部分偏振光 纸面 垂直纸面振动占优的部分偏振光 垂直纸面振动占优的部分偏振光 纸面
20
i
布儒斯特定律: 布儒斯特定律
自然光以布儒 斯特角入射到两不同 介质表面， 介质表面，其反射光 为线偏振光， 为线偏振光，光振动 垂直于入射面。 垂直于入射面。 n1 n2
i0
γ
i0 +γ = 90°
sin i0 sin i0 sin i0 n2 = = = tani0 = cosi0 cos(90° −γ ) sin γ n1
§12-5 光的偏振 1212-5-1 自然光与偏振光
v v 光是一种电磁波（横波）。 ）。电矢量 光是一种电磁波（横波）。电矢量 E与磁矢量 H相
互垂直，它们分别又与电磁波的传播方向垂直。 互垂直，它们分别又与电磁波的传播方向垂直。由 v v 于起生理感光作用的是电矢量 于起生理感光作用的是电矢量 E ，故把电矢量 E 称为光矢量。 称为光矢量。
线偏振光：一束光的光矢量只沿含一个确定的方向 线偏振光：一束光的光矢量只沿含一个确定的方向 光的光矢量 振动，叫做线偏振光，简称偏振光。 振动，叫做线偏振光，简称偏振光。 振动面：光振动方向与传播方向所确定的那平面。 振动面：光振动方向与传播方向所确定的那平面。
v v 始终在 E和传播方 E
向所决定的振动面上， 向所决定的振动面上，所以 线偏振光也叫平面偏振光 线偏振光也叫平面偏振光
2
17
一束光由自然光和线偏振光混合组成， 例13. 一束光由自然光和线偏振光混合组成，当它通 过一偏振片时， 过一偏振片时，发现透射光的强度随偏振片的转动可 以变化到五倍。 以变化到五倍。求入射光中自然光和线偏振光的强度 各占入射光强度的几分之几？ 各占入射光强度的几分之几？ 解： 设入射光强度：I0 ； 自然光强度：I10 ； 设入射光强度： 自然光强度： 偏振光强度 : I20
e 光在晶体中各个方向上的传播速度不同。 光在晶体中各个方向上的传播速度不同。 在光轴方向上， 光相同。 在光轴方向上，e光的传播速度与o光相同。 在垂直光轴的方向上， 在垂直光轴的方向上， e光的传播速度与o光相差最大
主折射率
vo
ve
ne = c ve
no = c vo
ve
vo
正晶体
负晶体
vo >ve no < ne
32
光轴
在晶体中存在一个特殊的方向， 在晶体中存在一个特殊的方向，沿该方向不会 产生双折射现象，这一方向称为晶体的光轴。 产生双折射现象，这一方向称为晶体的光轴 晶体的光轴。
分类： 分类：单轴晶体 uniaxis crystal 只有一个光轴方向 冰洲石) 方解石 (冰洲石) 石英 红宝石
双轴晶体 biaxis crystal 有两个光轴方向 云母 硫磺
偏振片的用途： 起偏” 偏振片的用途：“起偏”和“检偏” 检偏”
8
1、自然光通过偏振片后光强减为原来的二分之一； 、自然光通过偏振片后光强减为原来的二分之一； 2、旋转偏振片，屏幕上光强不变。 、旋转偏振片，屏幕上光强不变。
9
自然光
起偏 偏振光 检偏 偏振光
I0
I0 2
I0 2
I =0
I0
I0 2
布儒斯特角： 布儒斯特角： i0 = tan-1 n2 n 1
起偏角
21
以布儒斯特角入射
线偏振光出射
22
பைடு நூலகம்
液晶显示器屏幕出射的光是线偏振光，因此，将一 块偏振片在其前面旋转会出现亮场和暗场。
23
偏振片的应用
立体电影
24
驾驶员戴上偏振太阳镜可以防止马路反射光的炫目。 驾驶员戴上偏振太阳镜可以防止马路反射光的炫目。
Im = 5Im ax in
1 1 → I10 + I20 = 5× I10 2 2
I20 = 2I10
I10 I10 1 = = Io I10 + I20 3
I20 2 = Io 3
19
12-5-3 反射光、折射光及散射光的偏振性
⑴ 反射和折射光的偏振 1、反射光中垂直振 动强度大于平行振 动强度 2、折射光中平行振 动强度大于垂直振 动强度 垂直、 垂直、平行振动以入射面为准
o光的折射率： 光的折射率： e光的主折射率： 光的主折射率：
10
11
马吕斯定律： 的线偏振光，透过偏振片后， 马吕斯定律：光强为 I1 的线偏振光，透过偏振片后， 其透射强度为： 其透射强度为： v E 1 I E2
v ′ E2
I1
v α E2
∴
2
I1
=
E
2 2 1
= cos α
2
I2
I2 = I1 cos α
2
E2 = E cosα 1
Q I1 ∝ E
33
蓝宝石
主平面：晶体中任意一条光线与光轴构成的平面。 主平面：晶体中任意一条光线与光轴构成的平面。 注意：光轴不是一条直线，而是一个方向。 注意：光轴不是一条直线，而是一个方向。 实验表明： 光的光振动垂直于它的主平面， 实验表明：o 光的光振动垂直于它的主平面，e 光 的光振动平行于它的主平面。 的光振动平行于它的主平面。
6
12-5-2 偏振片 马吕斯定律
偏振片：能吸收某一方向的光振动， 偏振片：能吸收某一方向的光振动，而只让与之垂 直方向上的光振动通过的一种透明薄片。 直方向上的光振动通过的一种透明薄片。
偏振片
自 然 光 线
偏 振 化 方 向 偏
振 光
7
偏振化方向： 偏振化方向：
允许通过的光振 动方向。 动方向。
2 1
, I2 ∝ E
2 2
I1为入射光 强，I2为出射 光强。 光强。
12
当 α = 0, π →I2 = I1 ：
I2 = I1 cos α
2
当 α =π 2, 3 2 →I2 = 0 ： π
结论：当旋转检偏器一周时， 结论：当旋转检偏器一周时，会出现两次全明和 两次全暗。 两次全暗。 自然光入射时， 当光强为 I0 自然光入射时，透射光的偏振方 向为偏振片的偏振化方向， 透射光强 I 为 向为偏振片的偏振化方向，
入射面 法线 光轴 e 光的主平面 o光的主 光的主 平面
当入射光线正好在 光轴与晶体表面法线所 组成的平面内（ 组成的平面内（即光轴 位于入射面内） 位于入射面内）时，o 光和 e 光的主平面以及 入射面三者重合， 入射面三者重合，这个 重合面称为主截面 主截面。 重合面称为主截面。
34
o 光在晶体中各个方向上的传播速度相同。 光在晶体中各个方向上的传播速度相同。
照相机按上偏振镜可以产生不同的效果，看出来了吗？ 照相机按上偏振镜可以产生不同的效果，看出来了吗？ 25
用偏光镜消 除了反射偏 振光 使玻璃 门内的人物 清晰可见
26
流水画
27
光源透过旋转的起偏器，成为振动方向旋转变化的线 偏振光，通过背面涂有偏振材料（检偏器）的画面，由 于透过光的明暗变化，使画面中涂有偏振材料的部分 “动了起来”。
Io = I10 + I20
设通过偏振片后的光强分别为： 设通过偏振片后的光强分别为：I ， I1 ， I2
1 I1 = I10 2
I2 = I20 cos α
2
18
1 2 I = I1 + I2 = I10 + I20 cos α 2 1 α = 0时 →I = Imax = I10 + I20 2 1 α = 90° 时 →I = Imin = I10 2
28
⑵ 散射光的偏振性
自然光 空气分子
z
y
x
部 分 偏 振 光
线 偏 振 光
照相机按上偏振镜可 以产生不同的效果。 以产生不同的效果。
29
§12-6 光的双折射 1212-6-1 光在晶体中的双折射
双折射现象： 双折射现象： 一束光进 入某种晶体后会 出现两束折射光 的现象。 的现象。 方解石晶体的双折射现象。 方解石晶体的双折射现象。
1
偏振——横波的特征 横波的特征 偏振
横波 纵波
u x
u x
对传播方 向对称
E
对传播方 向不对称
光矢量在与传播方向垂直的平面内可取任意 的方向，构成了对于光的传播方向的不对称性， 的方向，构成了对于光的传播方向的不对称性， 叫偏振。 叫偏振。
2
只有横波有偏振现象 而纵波无偏振问题 通光方向
3
腰横扁担进不了城门
Io
2
I0 I′ = 2
2
I1
1 I1 = I′cos α = I′cos 60° = I′ 4 →I′ = 4I1
16
I′
2
I′′
I
3 I′′ = I′cos 30° = 4I1 = 3I1 4
3 = 9 I I = I′′cos 30° = 3I1 1 4 4
一个原子一次发光一定是偏振光。 一个原子一次发光一定是偏振光。
4
振动面分别在纸面和 垂直于纸面的线偏振光
因原子发光的“ 随机性” 自然光 因原子发光的 “ 随机性 ” ， 光矢量
各向随机均匀分布， 振幅相等， 各向随机均匀分布 ， 振幅相等 ， 称 自然光。 为自然光。
面对光的传播方向观察
v v Ex = Ey