大学物理光的偏振汇总

从实用的角度 第一 如何判别光源的偏振态
必须解决两大问题 第二 如何从普通光源中取得偏 振光 基本途径 起偏的原理: 利用某种形
偏振光的检验
式的不对称性，如
（1）物质的二向色性 （2）散射 （3）反射和折射 （4）双折射….
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起偏原理
在光学中，某些物质能有选择的吸收某一个方向的光振动， 而只允许某个特定方向的光振动通过，物质的这种性质称为二 向色性。自然光通过这种介质，就能去掉自然光中某一方向的 光振动而形成偏振光。
向 方 播 传
2

r)
向 方 播 传
振
动
面
面 动 振
5
u
光振动方向与传播方向决定的平面称为振动面.
6
向 方 播 传
振
动
面
• 对于横波来说，振动方向与传播方向垂直，如果通过波 的传播方向做很多平面，有的平面包含此振动方向，有的平 面就不包含此振动方向。即振动分布对光传播方向是不对称 的。此即横波具有偏振性的问题。
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• 对纵波而言，由于振动方向和波的传播方向一致， 如果过波的传播方向做很多平面，振动方向总包含 在此平面内。因此没有振动的取向问题，即纵波没 有偏振性的问题。 • 要区别横波还是纵波，主要就是讨论这种波动是否 具有偏振性。
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光的偏振性
1、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。 机械横波与纵波的区别
2
•
月光和太阳光一样，会因大气层中飘浮的微粒的作用而散
射，并形成有一定角度的偏振光。借助对偏振光角度的测算，
可以判断相关物体的位置。月光的强度仅有太阳光的百万分之 一，大多数动物无法感知，但蜣螂却能借此进行“定位”。
•
科学家指出，通过对野生蜣螂的跟踪观察发现，凡在有月
光的夜晚，蜣螂爬向“粪源”的路线就是直线，而在无月光的 夜晚，蜣螂就找不到北了。科学家又将偏振干扰器置于蜣螂的 必经之路上，干扰器可以使月光偏转90度角，结果蜣螂爬行的 方向也偏离了90度。 • 达克表示，发现蜣螂利用月光偏振现象定位仅是他们研究 成果的一小步，但却对整个动物界的定位研究有极大帮助，因 为类似现象也极有可能发生在别的一些动物身上
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解 设两束单色自然光的强度分别为I10 和 I20 .
I10 I 20 经过起偏器后光强分别为 和 2 2
经过检偏器后 I10 I 20 2 2 I1 cos 30 I 2 cos 60 2 2 2 I10 cos 30 1 I1 I 2 2 I 20 cos 60 3
光的偏振
屎克郎借助月光辨别方向
• 多年来，科学家们一直想搞明白为什么一些动物具有 天生的方向感。瑞典的科学家日前宣布，他们的研究表 明，蜣螂是靠月亮辨识方向的。这是人类在动物定位系 统研究领域的一个重大发现。
• 蜣螂俗称“屎壳螂”，主要靠动物粪便为生。一旦 发现动物粪便，蜣螂便设法将其运回自己的洞穴储藏 “享用”，因而有“自然界清道夫”的称号。令人惊奇 的是，蜣螂常常能在有月光的夜里沿着直线直接到达目 的地。由瑞典隆德大学教授达克领导的科研小组在最近 一期英国《自然》杂志上公布了他们的研究结果：蜣螂 的视网膜对月光的偏振极为敏感，能够依靠月光偏振进 行较为精确的定位，从而能够在外出“觅食”时不会迷 路。
二向色性的有机晶体，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 于该方向的振动通过。 偏振片有一个特定的方向，只让平行与该方向 的振动通过。我们把允许特定光振动通过的方向 称为偏振化方向。
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起偏 ：从自然光获得偏振光
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思考 光强为I0 的一束自然光,依次通过三个偏振片P1 、P2 、P3 已知P1 和 P3 的偏振化方向相互垂直 且偏振片无吸收 设P1
和P2 的偏振化方向的夹角为θ 若以入射光为轴旋转P2 则通 过这三个偏振片后的光强Ｉ是______ 当θ为______时 I有最
大值______
P1
P2
P3
•马吕斯定律是对偏振光的无吸收而言的，对于自然光并不成立。 若是自然光I0，通过偏振片后，I＝I0/2，偏振片在这里实际上起 着起偏器的作用。 •当两个偏振片互相垂直时，光振动沿第一个偏振片偏振化方向 的线偏振光被第二个偏振片完全吸收，出现所谓的消光现象。
例 有两个偏振片,一个用作起偏器, 一 个用作检偏器．当它们偏振化方向间的夹角 为 30 时 , 一束单色自然光穿过它们, 出射 光强为 I1 ； 当它们偏振化方向间的夹角为 60 时，另一束单色自然光穿过它们 , 出射光强 为 I 2, 且 I1 I 2 . 求两束单色自然光的强 度之比 .
机 械 波 穿 过 狭 缝
腰横别扁担
进不了城门
定义：振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振性。 说明：只有横波才具有偏振现象，偏振现象是横波区别于纵波的最明显的特征。
2、光的偏振性：
对于平面电磁波，电场强 度矢量——光矢量的振动方 向于传播方向垂直。
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
起偏器（polarizer）：起偏的光学器件 起偏的原理：利用某种光学的不对称性 偏振片（Polaroid）P（获得线偏振光）
分子型： （常用） 入射 电磁波 电气石晶片 微晶型： 非偏振光 · ·· 光轴 线偏振光 线栅起偏器
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y 入射 电磁波
z
x z
线栅起偏器
1928年一位19岁的美国大学生 （E.H.Land） 发明的。
Ex , Ey的大小 依赖于x, y方 向的选取。
E y E sin
线偏振光表示法：
· · · · · 光振动垂直板面
光振动平行板面
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部分偏振光 自然光和完全偏振光的混合，就构成了部分偏振光。 部分偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合 某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势
天空中的散射光和水面的反射光就是这种部分偏振光
检 偏
起偏器
检偏器
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入射光
观察出射光强的变化 出射光
A
光强变化
入射光
入射光 入射光
线偏振
自然光 部分偏振
I max I min 0
消光
I
I max
不变
I min 0
总结
1.
当 P1 // P2 时， 0
当 P1 P2 时，
I0
透射光最强。
透射光为0。
I2

2
I1

2.对线偏振光，偏振片P2旋转一周时，光强度经历两次最明、 两次最暗的变化，且有消光现象，而部分偏振光没有消光现象。 3.对自然光，偏振片P2旋转一周时，光强度并不发生变化。
此普通光源发出的光是在所有振动方向上振幅都相
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等的光，称为自然光。
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11.7 光的偏振现象 11.7.1 自然光 偏振光
自然光 ：一般光源发出的光， 包含各个方向的光矢量在所有可 能的方向上的振幅都相等 .
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。
反射光和折射光的偏振
一、现象 二 、布儒斯特定律 三、玻片堆可获得两束线偏振光
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现象 自然光入射在两各向同性介质表面
观察反射光 折射光线的偏振状态
i
n1 n2
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n1 n2
玻璃
i i
空气
光反射与折 射时的偏振
入射面 入射光线和法线所成 的平面 .

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 .
自然光 I 0
I
偏振片的应用 偏振片的应用很多，例如：
作为许多光学仪器中的起偏和检偏装置。
作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必要的 反射光。
制成偏光眼镜，可观看立体电影。
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。
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34
11.7.4
N
起偏器
I0
E0
M
E
检偏器
I
M
N
E
E0
E E0 cos
马吕斯定律
I E2 2 I 0 E0
I I 0 cos 2
其中α 为检偏器的偏振化方向与入射 偏振光的偏振化方向之间的夹角。
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推导
I0
P1
I1

I2
马吕斯定律是描述偏振光穿过偏 振片后光强的变化情况 。 两偏振片偏振化方向夹角为 。
3
在拍摄玻璃窗内的物体时，镜头前加偏振片，使偏振片的 透光方向与反射光的偏振方向垂直，去掉反射光的干扰
未装偏振片
装偏振片
4
光的偏振性
• 光是横波，它具有相互垂直的电场强度矢量和磁场强度矢量。 •我们在研究光时只研究电场强度而不提及磁场强度。
E E0 cos( t o
电场强度E称为光振动(或光矢量)。
它可以分解如下：
不相干
·
·
平行板面的光 振动较强
分解
·· ·· ··
垂直板面的光 振动较强
表示法：
符号表示
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椭圆偏振光和圆偏振光： 光矢量末端的运动轨迹是椭圆或圆。
椭 圆 偏 振 光 圆偏振光
线偏光
在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为 左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为右旋偏振光。
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P2
P2 A2
P1
将通过 P1 的光矢量振幅 A1 ，分解为平 行于P2 的分量 A2 和垂直于P2的分量 A 。

A1 A
垂直分量 A 不能通过P2 ，平行分量 A2 可通过 P2 。
A 2 A1 cos
2 1
由于光强与光振幅平方成正比，
I A，
2
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2 I A I1 A ， 2 2
I0
起偏器 偏振化方向
1 I0 2
20
检偏：用偏振器件检验光的偏振态 设入射光可能是自然光 或线偏振光 或由线偏振光与自
然光混合而成的部分偏振光 偏振片 观察出射光强的变化
入射光
出射光 该偏振片称检偏器
若 I 不变，是什么光？ 若 I 变，有消光，是什么光？ 若 I 变，无消光，是什么光？
理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关 .
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布儒斯特定律
（1812年）
i0 i0
空气
n 当 tan i0 2 n1
时， 玻璃
E
对称性，称为光的偏振性。
H
S EH
光的波动性 光波是横波
光的偏振性说明光波是横波 光的干涉、衍射 . 光的偏振 .
•
对普通光源由于原子发光的间歇性和随机性，
使得光矢量的振动方向分布在一切可能的方位。而
且在垂直于光的传播方向的平面内的任一方向上，
光矢量的振幅都相等，没有哪个方向更占优势。因
Ex E y
注意
I I x I y 2I x
E
v
二互相垂直方向是任选的 ； 各光矢量间无固定的相位关系
自然光的表示法：
符号表示
偏振光（线偏振光、平面偏振光）
光振动只沿某一固定方向的光 .
E
符号表示
v
振动面 线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：
Ey
y

E Ex x
E x E cos
P1
P2
1 自然光通过偏振片后所获得的线偏振光的光强是 I 1 I 0 自然光光强的一半。 2
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11.7.3 马吕斯定律（Malus law） （1808 年）
马吕斯 ( Etienne Louis Malus 1775-1812 ) •法国物理学家及军事工程师。出生于巴 黎。 •1808年发现反射光的偏振，确定了偏振 光强度变化的规律； •1810年被选为巴黎科学院院士，曾获得 过伦敦皇家学会奖章。 •1811年，他发现折射光的偏振。
I0

P
I
I2 A I1 A
2 2 2 1
A cos 2 cos 2 A1
2 1 2
I 2 I1 cos
2
马吕斯定律（1809）
I 2 为透射的偏振 式中：I 1 为入射的偏振光的强度； 光的强度。
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讨论
I I 0 cos 2
•当检偏器以入射光为轴转动时，透射光强度将有变化。 •起偏器与检偏器偏振化方向平行时：α=0 或α=π，I=I0，透 射光强度最大； •起偏器与检偏器偏振化方向垂直时：α=π/2 或α=3π/2，I=0， 透射光强度最小； •α为其它角度时，透射光的强度介于0～I0之间。
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11.7.2 偏振片 起偏与检偏
二向色性 : 某些物质能吸收某一方向的光振动 , 而只让 与这个方向垂直的光振动通过, 这种性质称二向色性 .
偏振片 ：涂有二向色性材料的透明薄片 . 偏振化方向 ： 当自然光照射在偏振片上时，它只让某一 特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向 .
起 偏