大学物理授课教案第十六章光的偏振

第十六章 光的偏振

光的干涉现象和衍射现象都证实光是一种波动，即光具有波的特性，但是，不能由此确定光是纵波还是横波，因为无论纵波和横波都具有干涉和衍射现象。实践中还发现另一类光学现象，不但说明了光的波动性，而且进一步说明了光是横波，这就是“光的偏振”现象，因为只有横波才具有偏振现象。 自然光和偏振光 马吕斯定律

§16-1 自然光和偏振光 马吕斯定律

一．自然光

我们知道，光波是一种电磁波。电磁波是变化的电场和变化的磁场的传播过程，并且它是横波。

在光波中每一点都有一振动的电场强度矢量→

E 和磁场强度矢量→

H ，→

E 、→

H 及光波传播方向→

K 的方向是互相垂直的， 如图：

图16-1

→

E 、→

H 中能够引起感光作用和生理作用的是电场强度矢量→

E ，所以将→

E 称为光矢量。 在除激光外的一般光源中，光是由构成光源的大量分子或原子发出的光波的合成。由于发光的原子或分子很多，不可能把一个原子或分子所发射的光波分离出来，因为每个分子或原子发射的光波是独立的，所以，从振动方向上看，所有光矢量不可能保持一定的方向，而是以极快的不规则的次序取所有可能的方向，每个分子或原子发光是间歇的，不是连续的。平均地讲，在一切可能的方向上，都有光振动，并且没有一个方向比另外一个方向占优势，即在一切可能方向上光矢量振动又相等。 1、自然光

在一切可能的方向上都具有光振动，而各个方向的光矢

量振动又相等。如下图所示，自然光中

E 2、自然光表示方法

在任意时刻，我们可以把各个光矢量分解成两个互相垂直的光矢量，如下图所示。为了简明表示光的传播常用和传播方向垂直的短线表示图面内的光振动，而用点子表示和图面垂直的光振动。如下图所示，对自然光，短线和点子均等分布，以表示两者对应的振动相等和能量相等。

注意：由于自然光中光矢量的振动的无规则性，所以这个互相垂直的光矢量之间没

有固定的位移差。

二．线偏振光 1、线偏振光

由上可知，自然光可表示成二互相垂直的独立的光振动，实验指出，自然光经过某些物质反射、折射或吸收后，只保留沿某一方向的光振动。

如果只会有单一方向的光振动，则此光束称为线偏振光（或完全偏振光或平面偏振 光）。

2、线偏振光的表示方法

定义

：偏振光的振动方向与传播方向组成的平面称为振动面。

图 16-2

图

16-3

光振动垂直图面）(K

图 16-5

图 16-4

说明：（1）线偏振光不只是包含一个分子或原子发出的波列，而会有众多分子或原

子的波列中光振动方向都互相平行的成份。 （2）偏振光不一定为单色光。

三．部分偏振光 1．部分偏振光

某一方向的光振动比与之互相垂直的方向的光振动占优势，这种光称为部分偏振光。

2．部分偏振光的表示方法

四．偏振片的起偏和检偏

光是横波，在自然光中，由于一切可能的方向都有光振动，因此产生了以传播方向为轴的对称性，为了考虑光振动的本性，我们设法从自然光中分离出沿某一特定方向的光偏振，也就是把自然光改变为线偏振光。 1．偏振片

现今在工业生产中广泛使用的是人造偏振片， 它利用某种只有二向色性的物质的透明薄体做成， 它能吸收某一方向的光振动，而只让与这个方向 互相垂直的光振动通过（实际上也有吸收，但吸 收不多）。为了便于使用，我们在所用的偏振片上 标出记号“ ”，表明该偏振片允许通过的光振动 方向，这个方向称做“偏振化方向”，也叫透光轴 方向。如下图情况，自然光经偏振片P 变成了线偏

平行图面振动较强）

(K

垂直图面振动较强）

(K

图

16-6

图 16-7

振光。

2．起偏和检偏

通常把能够使自然光成为线偏振光的装置称为起偏振器。如：上面的偏振片P 就属于起偏振器。

用来检验一束光是否为线偏振光的装置通常称为检偏振器。如：P 也可做检偏振器。 如图，让束线偏振光入射到偏振片P 2 上，当 P 2的偏振化方向与入射线偏振光的光振动方向相同时，则该线偏振光仍可继续经过P 2而射出，此时观察到最明情况；把P 2沿入射光线为轴转动α角（2

0πα<<）时，线偏振光的光矢量在P 2的偏振化方向有一分量能

通过P 2，可观测到明的情况（非最明）；当P 2转动2

πα=时，则入射P 2上线偏振光振动

方向与P 2偏振化方向垂直，故无光通过P 2，此时可观测到最暗（消光）。在P 2转动一周的过程中，可发现：最明→最暗（消光）→最明→最暗（消光）。

结论：（1）线偏振光入射到偏振片上后，偏振片旋转一周（以入射光线为轴）过程

中，发现透射光两次最明和两次消光。

α：偏振化方向转过角度

（2）若自然光入射到偏振片上，则以入射光线为轴转动一周，则透射光光强

不变。

（3）若部分偏振光入射到偏振片上，则以入射光线为轴转动一周，则透射光

有两次最明和两次最暗（但不消光）。

五．马吕斯定律

如图所示，自然光入射到偏振片P 1上，透射光又入射到偏振片P 2上，这里P 1为起偏振器，P 2相当于检偏振器。透过P 2的线偏振光其光强的变化规律如何？这就是马吕斯定律要阐述的内容。

设P 1 、P 2 的二偏振化方向为P 1 P 1 、P 2 P 2，夹角为α，自然光经P 1后变成线偏振光，光强为 I ，光矢量振幅为 A 。光振动→

A 分解成与P 2平行及垂直的二个分矢量，标量形式分量为：

⎩⎨

⎧A =A A =A ⊥α

α

sin cos || 只有→

A ||能透过P 2，∴透过光的光振动振幅

为αcos || A =A =A (不考虑吸收)

光强∝光振动振幅

∴入射光与透射光强之比为

αα2

2222cos )cos (=A A =A A =I I

（16-1）

此式是马吕斯1809年由实验发现的，称做马吕斯定律。它表明：透过一偏振片的光强等于入射线偏振光光强乘以入射偏振光的光振动方向与偏振片偏振化方向夹角余弦平方。

自然光

起偏振器检偏振器

偏振光

2

图 16-9

图 16-10

A