《光学教程》第五版 姚启钧 第五章 光的偏振电子版本

v c n
光轴
单轴晶体，以光轴（z轴）旋转对称（如图） z
1
rsccooiiss11ii22
ccoossii11
i2 i2
1
rprsA'pAs'
1
1
n1····i1 i1·'···
P S
n2
i2 ·
自然光反射和折射后成为部分偏振光
书P.206 例5-1
自然光以入射角i投射到水面上，使发射光成为完全偏振光。现
有一块玻璃浸于水中，如光从玻璃面反射也为完全偏振光，试
5.1 自然光与偏振光 偏振度
纵波—波的振动方向对传播方向具有对称性。 前 言
横波—波的振动方向对传播方向没有对称性。 偏振
5.1.1光的偏振性
{ 单色光
光 （频率） 复色光
电矢量 E
光矢量
偏振态—在垂直于光传播方向的平面内光矢量的振动状态。
自然光
偏振态的分类 完全偏振光
部分偏振光
平面偏振光 (线偏振光)
102°A 78°
{ 沿光轴方向传播 n()=no 沿垂直于光轴方向传播 n()=ne
光轴B
n()为e光的折射率
{单轴晶体：方解石、石英 双轴晶体：云毋、硫磺、黄玉
5.3.3 主截面
主截面
晶体光轴与晶体表面法线构成的平面叫主截面
法线
102°A 78°
经过每一点有三个主截面 注意与课本定义的差别
B
光轴
《光学教程》第五版 姚启钧 第 五章 光的偏振
•5.1 偏振光与自然光、偏振度 •5.2 由反射和折射获得偏振光 布儒斯特定律 •5.3 单轴晶体的双折射现象 •5.4 用波面的概念解释双折射现象 •5.5 偏振棱镜和偏振片 马吕斯定律 •5.6 椭圆偏振光与圆偏振光 波片 •5.7 偏振态的实验检验 •5.8 偏振光的干涉 •5.9 光弹性效应和电光效应 •5.10 线偏振光沿晶体光轴传播时振动面的旋转
Ie
Ao θ Ae
以入射光为轴旋转晶体，主截面随之转动 θ 改变 θ =0 ，I0=0, Ie=I θ =90，I0=I ,Ie=0
5.4用波面的概念解释双折射现象
o光在晶体中的波面是球面。 e光在晶体中的波面是旋转椭球面。
n rr r 在晶体中不同方向数值不同
n 随着振动方向变化 光速发生变化
n2
各向异 性介质
ro
o
re e
2.寻常(o)光和非寻常(e)光
{ n 1sii nn2siro n
o o 光折射线在入射面内。
遵从折射定律
sini const.
{ e sinre
一般不遵从折射定律
e 光折射线也不一定在入射面内。
演示
e
··· o ···
方解石
方解石
e• •o
偏 振 片
以入射方向为 轴旋转方解石 双折射的两束光振 动方向相互垂直
光轴
P.207
主平面
由光轴和光线构成的平面叫主平面
o光主平面
e光主平面
o
e
光 主 平 面
····
光轴
o光
光 主 平 面 光轴
e光
o光的振动方向垂直于o光的主平面
e光的振动方向平行于e光的主平面
一般， o光与e光的振动方向不垂直。
特例:
如果光轴在入射面内两主平面重合 o光与e光的振动方向相互垂直。
光振动平行板面
2. 自然光
非相干
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 Ey
IIxIy2Ix
自然光的表示法： · · ·
自然光 相位分布关联，不显示偏振性
自然光
线偏振光
线偏振光
5.1.3 部分偏振光和偏振度
平面偏振光+自然光
最常讨论的部分偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合， 天空的散射光和水面的反射光就是这种部分偏振光，它可以分解如下：
注：若两截面夹角很小，常常将o光与e光的振动方向
看作近似垂直。
5.3.4 o光与e光的相对光强
考虑垂直入射的特殊情况（光轴在入射面内） 主截面
a.自然光入射
Ao2
I, 2
Ae2
I 2
Io
Ie
I 2
·· I ·
方解石
· ·· 光轴
eo
b.线偏振光入射
Ao Asin Ae Acos
Io tan2
tani10
n2 n1
5.2.2 由折射获得偏振光
实验上很难以准确的布儒斯特角入射，使反射光 成平面偏振光。
激光器谐振腔
布儒斯特窗
一般用玻璃堆，透射 光成平面偏振光。
5.2.3 偏振现象的解释
自然光不以布儒斯特角入射：
Ap As
1
1
rp
A'p1 Ap
ttaannii11ii22ssiinnii11ii22ccooiiss11ii22
非相干
偏振度
分解
··
·· ····
P ImaxImin ImaxImin
自然光 线偏振光 部分偏振光
P=0 P=1 0<P<1
5.2由反射和折射获得偏振光、布儒斯特定律
5.2.1 布儒斯特角 自然光部分偏振光
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
反射光的偏振态
rp
A' p1
A p1
ta n i1 i2 ta n i1 i2
求水面与玻璃面之间的夹角。
解：
i0i190
tani1
n空气 1 n水 1.33
tani2
n玻 n水
1.5 1.33
i136 5620 i248 2616
i2 i1 12 1 9 5 6
5.3 单轴晶体的双折射
5.3.1寻常光和非寻常光
1.双折射现象
自然光
n1 i
自然光入射到各向异性介质中， 折射光分成两束的现象。
双折射会映射出双像：
双 折折射射现现象 方解石晶体
e光的像
纸纸纸面面面
双双 折折 射射
光 光光光光光光
方解石晶体
o 光的像
{ o光的像不动
当方解石晶体旋转时 e光的像围绕 o光的像旋转
5.3.2 光轴
定义
特定的方向，晶体中光沿这个方向传播时，不发生双折射
现象。
方解石晶体（冰洲石）：
由钝隅引出的与三个棱边成等 角的方向就是光轴。
rs
A' s1
A s1
s in i1 i2 s in i1 i2
p分量——振动方向平行于入射面 s分量——振动方向垂直于入射面
n1 i10 i1' n2 i2
S 分量 P 分量
当
i1
i2
2
即反射光中无平行分量，
rp=0 成为平面偏振光。
用i10表 示 i10—布儒斯特角
n 1sii1n 0n 2sii2n n 1sii1n 0n 2co i10 s
圆偏振光
左旋
右旋
椭圆偏振光
左旋
右旋
一般，用单色光讨论偏振态
5.1.2 自然光与偏振光
1. 平面E 偏 振A 光c (线o 偏t 振k 光s ) r
传播方向
E
·
振动 面
面对光的传播方向看
y
Ey E Ex x
ExEcos
EyEsi n
线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解
表示法： ·光·振动·垂·直·板面