光的偏振、反射和折射产生偏振和双折射现象

1 I1 = I 0 2
1 I 2 = I 0 cos 2 60o 2
I2 1 2 o 1 = cos 60 = = 0.125 I0 2 8
(2) 有吸收时，有
I2 1 1 2 = ´ (1 - 10%) » = 0.10 I0 8 10
10/28
§14.12 反射和折射产生的偏振 布儒斯特定律
波晶片
透射光
1 4 波片 椭圆偏振光 (Dj' = p 2 , - p 2)
圆偏振光 (Dj0 = p 2, -p 2) 1 4 波片 线偏振光
1 4 波片 自然光 1 4 波片 一般椭圆偏振光 1 2 波片 线偏振光 ( D j ' = p , 0 )
1 2 波片 圆偏振光（右、左旋）
椭圆偏振光（左、右旋） 1 2 波片 椭圆偏振光（右、左旋） 自然光 1 2 波片 自然光
19/28
光轴
102 78
o o
78 102
o
o
光轴
(o光振动垂直o 光主平面)
光轴在入射面时, o 光主平面和 e 光主平面重合, 此时 o 光光振动和 e 光光振动相互垂直。一般情况下，两个主平面夹角很小，故可认 为 o 光振动和 e 光振动仍然相互垂直。
5. 正晶体、负晶体 o 光:
u
no =
波晶片分类
(no - ne )d = λ 4 (no - ne )d = λ 2 (no - ne )d = λ
Dj = π 2 Dj = π Dj = 2π
14
波片
半波片 全波片
Ø说明: 一定的波晶片是针对某一特定波长而言的.
26/28
波晶片可用于改变光的偏振态
如 线偏振光经 1 4 波片后变为
1. 光轴平行入射面，自然光斜入射负晶体中
B
·
·
光轴
·
A
光轴
· · ·
·
B'
方解石
·
o光 e光
·
2. 光轴平行入射面，自然光垂直入射负晶体中
光轴
· ·
· · ·
方解石
光轴
o光
22/28
e光
o光
e光
3. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射
· ·
o光
· ·
e光
·
·
e光
· · ·
o光
此时，o, e 光传播方向相同，但传播速度不同。从晶体出 射后，二者产生相位差。
1 1 小结： 波片用于改变光的偏振态， 波片用于改变光的旋向 2 4
28/28
• • • • • •
部分偏振光：通过偏 振片后，在转动偏振 片的过程中，透射光 强度发生变化。
8/28
二. 马吕斯定律
IµE
2
I ' µ E ' = E cos α
2 2 2 2
E a
E ' = E cosa
— 消光
I ' = I cos a
(马吕斯定律)
π 当 α = 0，I = I max = I 0 ; 当 α = ，I = 0 2
· · ·
i0
· · ·
· · · · · · · · · · · · ·
g
玻璃片堆
I ¢ 线偏振光
12/28
有反射光干扰的橱窗
13/28
在照相机镜头前加偏振 片消除了反射光的干扰
例
·
n1 n2
·
·
·
·
i i
· · ·
·
·
·
n1 n2
i i
·
n1 n2
·
·
·
· B
i iB
· ·
·
·
·
n1 n2
iB
11/28
n1 n2
·
·
·
ib ib
g
· ·
·
·
·
线偏振光
例如 n1 =1.00(空气)， n2 =1.50(玻璃)，则
1.50 = 56o18¢ 空气 玻璃 1.00 1.00 ib = arctan = 33o 42¢ 玻璃 空气 1.50 玻璃片堆起偏和检偏 ib = arctan
入射自然光 I 0
线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光的光振动均可分解为两个相互垂直 同频率相差恒定线偏振光振动的合成 x = A1 cos wt 对线偏振光，刚入射时相差为 Dj i = π 或 0 垂直入射波晶片后，分解为振动方向相互垂直的 o 光和 e 光，取 x 轴方 向为 o 光振动方向，y 轴方向为 e 光振动动方向
一. 反射和折射产生的偏振
•自然光入射 •反射和折射后产生部分偏振光
n1 n2
g
· · · ·
i i
·
·
·
二. 布Βιβλιοθήκη Baidu斯特定律
ib+γ=90o 时，反射光为线偏振光 ib — 布儒斯特角 或 起偏角
·
n1 sin ib = n2 sinγ = n2 cos ib n2 tanib = = n21 n1
§14.13
一. 双折射现象
1.双折射
晶体的双折射现象
方解石
R2 R1
s
双折射现象 一束光入射到各向异性的介质后 出现两束线偏振折射光线的现象
16/28
双折射会映射出双像：
折射现 双 折射现 象
方解石晶体 CaCO 3 纸面
17/28
2. 寻常光和非寻常光
n1 n2 i
go
ge
e光
ge
o光
o光
部分偏振光的表示法
· · · · · · ·
平行板面的光振动较强
垂直板面的光振动较强
3/28
4. 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。
4/28
§14.11 偏振片的起偏和检偏 马吕斯定律
§14.10
一. 波的偏振性
光的偏振
定义：振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振性。 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。 偏振现象是横波区别于纵波的最明显的特征。 光的偏振性：光矢量的振动相对于传播方向的不对称性 光波是横波
二. 偏振光的分类
一. 偏振片 起偏和检偏
1.基本概念 •普通光源发出的是自然光，用于从自然光中获得偏振 光的器件称为起偏器。 •人的眼睛不能区分自然光与偏振光，用于鉴别光的偏 振状态的器件称为检偏器 2.偏振片
• • •
人工膜片——对不同方向的光振动有选择吸收的性能，从 而使膜片中有一个特殊的方向。当一束自然光射到膜片上 时，与此方向垂直的光振动分量完全被吸收，只让平行于 该方向的光振动分量通过，即只允许沿某一特定方向的光 通过的光学器件，叫做偏振片。这个特定的方向叫做偏振 片的偏振化方向，用“ ”表示。
c ( o 光主折射率) vo
o光沿不同 方向的传播速 率相同，其波 面是球面
20/28
v o Dt
·
·
· o光
o 光的 主平面
光轴
e光
e 光的 主平面
(e 光振动在e 光主平面内)
e 光:
ne =
c ve
( e 光主折射率) 光轴 v o Dt
v e Dt
光轴
· · · · · · · · · · · · · · ·
1.线偏振光（平面偏振光） 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
1/28
·
线偏振光可沿 两个相互垂直 的方向分解
Ey
r E
α
Ex
Ex = E cosα
E y = E sin α
面对光的传播方向观察
线偏振光的表示法
(光振动平行板面)
· · · · ·
(光振动垂直板面)
2.自然光 各个方向上光振动振幅相同的光，称为自然光。 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。 Ex = E y
2/28
I = Ix + I y
自然光的表示法 3.部分偏振光
·
·
·
部分偏振光
部分偏振光可用两个相互独立、 没有固定相位关系、不等振幅 且振动方向相互垂直的线偏振 光表示。 部分偏振光的分解
5/28
形象说明偏振片的原理
通光方向
腰横别扁担进不了城门
6/28
3. 起偏 自然光通过偏振片后成为线偏 振光，线偏振光的振动方向与 偏振片的偏振化方向一致。
• • •
4. 检偏 用来检验某一束光是否偏振光。 方法：转动偏振片，观察透射 光强度的变化。 自然光：透射光强度不发生变化
7/28
偏振光：透射光强度发生变化
23/28
三. 晶体偏振器 1. 尼科耳棱镜 2. 渥拉斯顿棱镜
· ·
no (1.658) > n(1.55) > ne (1.486)
·
·
光轴
o光
· ·
I
· ·
C
· ·
负晶体 no > ne
加拿大树胶
o光
e光 o光
· ·
· ·
e光
o光 ie,o e光
I
·
·
·
e光
ge
·
上述两种棱镜得到的偏振光 质量非常好，但棱镜本身价 格很高，因而使用较少。
？
椭圆偏振光
y = A2 cos(wt + Dj )
出波片后相位差为 Dj f = Dj i +
2π π (no - ne )d = Dj i + λ 2
Dj i = π
Dj i = 0
3π Dj f = 2
27/28
· · ·
1 4波片
π Dj f = 2
• 波晶片对光偏振的影响:
入射光
线偏振光 ( D j 0 = 0 ,p ) 自然光 一般椭圆偏振光 线偏振光 ( D j 0 = 0 ,p ) 圆偏振光（左、右旋）
24/28
C
go
o光
3. 波晶片 • 一种由晶体制造的光学器件 • 由单轴晶体上切割下来的平行薄片， 其表面与晶体的光轴平行. 晶体
· ·
自然光垂直入射波晶片 后，o 光, e 光传播速度不 同，产生的相位不同。
25/28
波晶片
d
· · ·
l
e光
o光
出射 o 光 e 光的相差为
2π Dj = (no - ne )d λ
e光
两折射光线中有一条始终在入射面内，并遵从折射 定律，称为寻常光，简称 o 光 另一条光一般不遵从折射定律，称非常光，简称 e 光 sin i ¹ 常数 sin g e
18/28
3. 晶体的光轴 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该 方向称为晶体的光轴。 例如 方解石晶体(冰洲石) 光轴是一特殊的方向,凡平行于此 方向的直线均为光轴。 单轴晶体：只有一个光轴的晶体 双轴晶体: 有两个光轴的晶体 4. 主平面 主平面 晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面. 光轴与 o 光构成的平面叫 o 光主平面. 光轴与 e 光构成的平面叫 e 光主平面.
9/28
例 平行放置两偏振片，使它们的偏振化方向成 60° 夹角。让 自然光垂直入射后,下列两种情况下： (1) 两偏振片对光振动平行于其偏振化方向的光线均无吸收 (2) 两偏振片对光振动平行于其偏振化方向的光线分别吸收 了10% 的能量 求 透射光的光强与入射光的光强之比是多大？ 解 (1) 无吸收时，有
e光沿不同方 向的传播速率不 相同，其波面是 以光轴为轴的旋 转椭球面.
u
正晶体
vo > ve no < ne
光轴
负晶体
光轴
vo < ve no > ne
v o Dt
·
v e Dt
·
( 平行光轴截面 )
( 平行光轴截面 )
ve
ve
vo
( 垂直光轴截面 )
21/28
vo
( 垂直光轴截面 )
二. 单轴晶体中的波面 ( 惠更斯作图法(ve>vo) )
·
·
n1 n2
·
·
·
iB iB
g
· ·
·
·
·
n2 > n1
画出相应的反射光，折射光 的方向及偏振态
14/28
▲实例：外腔式激光管加装布儒斯特窗，可使出 射光为全偏振光，并减少反射损失。
·· ·
i0
M1
i0
·
·
·
·
·
·
i0
· · · · ·
i0
M2
· ·
激光输出
布儒斯特窗
外腔式激光器谐振腔
15/28