工程光学-光的偏振

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二、获得偏振光的方法
❖ 由反射与折射产生偏振光 ❖ 由二向色性产生偏振光 ❖ 由双折射产生偏振光
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（1）由反射与折射产生偏振光
自然光在两种各向同性介质的分界面上反射和折射时， 不但光的传播方向要改变，而且光的偏振状态也要改变，所 以反射光和折射光都是部分偏振光。
第一节 偏振光概述
光的干涉和衍射现象：光的波动性 光的偏振和在光学各向异性晶体中的双折射现象：光 的横波性
一、偏振光和自然光
对于平面电磁波，电场强度矢量——光矢量的振动方向 与传播方向垂直。
光矢量的振动方向总是与光的传播方向垂直的，即光矢 量的横向振动状态，相对于传播方向不具有对称性，这种光 矢量的振动相对于传播方向的不对称性，称为光的偏振性。
n21
sin r0 cos i0
i0 r0 90
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（4）椭圆偏振光和圆偏振光
y
y
x
x
光矢量在垂直于光的传播方向的平面内，按一定频率旋 转(左旋或右旋)。如果光矢量的端点轨迹是一个椭圆，这种 光叫做椭圆偏振光。如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光 叫做圆偏振光，如图所示。这相当于两个相互垂直的有确定 相位关系的振动的合成。
在一般情况下，反射光是以垂直于入射面的光振动为主 的部分偏振光；折射光是以平行于入射面的光振动为主的部 分偏振光。
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n1
i
n2
r
a、反射光中垂直振动强于平 行的振动；
b、折射光中平行的振动强于 垂直振动；
c、反射光折射光偏振化的程度 随入射角的不同而不同。
这里所说的“垂直”和“平行”是 对 入射面而言的。
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。各个方向上光振动振幅相同的光，称
为自然光。
X
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Y
自然光的表示法：用两个独立的
(无确定相位关系)、相互垂直的等幅
振动来表示。图中，圆点表示垂直于
纸面的振动，短线表示平行于纸面的
振动。
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特点：
在所有可能的方向上，光矢量的振幅都相等；
自然光可分解为振动方向相互垂直但取向任意的两个线偏 振光，它们振幅相等，没有确定的相位关系，各占总光强的 一半。
自然光的表示方法：圆点与短线等距离地交错、均匀地画出。
y
...
u
x
u
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这实验规律可用电磁场理论的菲涅耳公式解释。
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note：
❖ i 0 — 称为布儒斯特角或起偏角 ❖ 折射光仍为部分偏振光 ❖ 入射角为i 0 ， 反射光线垂直折射光线
n1
i0
n2
r0
证明：
sin i0 n2 sin r0 n1
tgi0
sin i0 cos i0
n2 n1
部分偏振光两垂直方向光振动之间无固定的相位差。
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垂直于纸面的光振动的平 均值大于平行于纸面的光 振动的平均值。
平行于纸面的光振动的平 均值大于垂直于纸面的光 振动的平均值。
部分偏振光
部分偏振光的分解
部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直 的、不等幅的、不相干的线偏振光
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布儒斯特定律
反射光的偏振化程度与入射角有关。
1812年，布儒斯特由实验证明：若光从折射率为n1的介 质射向折射率为n2的介质，当入射角满足
tgi
0
n2 n1
时，反射光中就只有垂直于入射面的光振动，而没有平
行于入射面的光振动，这时反射光为线偏振光，而折射
光仍为部分偏振光。这就是Brewster定律。其中i0叫做 起偏角或布儒斯特角。
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没有优势方向
自然光的分解
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。
Ex 和 Ey无固定关系:它们是彼此独立的振动
Ex Ey 与x, y方向选择无关
总光强
IIxIy
——非相干叠加
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（2）线偏振光
将自然光中两个相互垂直的等幅振动之一完全移去得到的光， 称为完全偏振光。
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偏振度
P
Ip It
Ip In I p
It —部分偏振光的总强度
In —部分偏振光中包含的自然光的强度
Ip —部分偏振光中包含的完全偏振光的强度
完全偏振光 (线、圆、椭圆 ) P =1
自然光 ( 非偏振光 )
P=0
部分偏振光
0<P<1
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偏振度的另一种表示： P Imax Imin Imax Imin
定义：在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿某一个固定方 向振动，则称为线偏振光，又称为平面偏振光或完全偏振光。
线偏振光也可以用传播方向相同、相位相同或相差π、振动相 互垂直的两列光波的叠加描述。
y
Ey
E
x
Ex
Ex AXcost Ey Aycost
····· 光振动垂直纸面
Ex AXcost EyAycost ()
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横波和纵波的区别——偏振
• 纵波：振动方向与传播方向一致，不存在偏振问题； • 横波：振动方向与传播方向垂直，存在偏振问题。
最常见的偏振光有五种: 自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏
振光。
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（1）自然光：
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
光振动平行纸面
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（3）部分偏振光
彼此无固定相位关系、振动方向任意、不同方向上振幅不 同的大量光振动的组合,称部分偏振光，它介于自然光与线偏 振光之间。
部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的 光矢量都有，但振幅不对称，在某一方向振动较强，而与它 垂直的方向上振动较弱。
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规定：迎着光线看（对着光的传播方向）， 光矢量顺时针转的称右旋圆偏振光 （或椭圆偏振光）；
右旋圆 偏振光
右旋椭圆 偏振光
光矢量逆时针转的 称左旋圆偏振光 （或椭圆偏振光）。
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y
传播方向 y
E
x
0
x
z
/2
某时刻左旋圆偏振光 E 随 z 的变化
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