《大学物理》课程PPT教学课件：第三部分 波动光学 第三讲 光的偏振

第三章光的偏振 概述 自然光 光的 衍射 线偏振光 五种偏振态 光 部分线偏振光 的光 椭圆偏振光 波的 圆偏振光 动偏 性振 偏振片 玻璃片堆 光的 干涉 起偏与检偏 晶体双折射 偏振棱镜 双折射应用 波片

第三章 光的偏振 光的波动性 光的 衍射 光的 干涉 光的偏振 自然光 部分线偏振光 椭圆偏振光 线偏振光 五种偏振态 起偏与检偏 偏振片 晶体双折射 玻璃片堆 双折射应用 概述 圆偏振光 偏振棱镜 波片

复习一:电磁波的横波性 fTE的振动 面E 真空中:E=B×c; 年 ①电磁波是横波 介质中E=BXm②只研究 E B L∥s=E×H 证明了横波性 复习二:普通光源的发光特性 不同原子所发的波列独立 在垂直于光的传播 普自 方向上任何一个 通发 方向的光振动都 不比其他方向 光辐 更占有优势 源射 同一原子先后所发的波列独立①任一时刻各方向E相等 ②各方向E的平均值相等 自然光 总可以采取技术手段, 方法? 使某个方向的光振动 状态? 更占有优势 偏振光

介质中: E B u;    =  复习一:电磁波的横波性 u // S E H;     =  x z o u  E  B  真空中: E B c;    =  ①电磁波是横波; ②只研究 E;  复习二:普通光源的发光特性 普 通 光 源 · · 自 发 辐 射 不同原子所发的波列独立 同一原子先后所发的波列独立 ①任一时刻各方向E相等 ②各方向E的平均值相等 在垂直于光的传播 方向上,任何一个 方向的光振动都 不比其他方向 更占有优势. 自然光 总可以采取技术手段, 使某个方向的光振动 更占有优势 偏振光 证明了横波性 方法? 状态?

第三章光的偏振( Polarization of light) §3.1光的偏振态 一.线偏振光 linearly polarized light 光矢量在一个固定平面 平面偏 内沿一个固定方向振动 振动面 面对看 振线偏振光的正交分解 线偏振光的表示方法 光振动垂直于板面光振动平行于板面 Ey E 自然光分解为线偏振光 E 等幅,不相干 E=Ecsc同 x Er=e E=Esin a y 相位 I=l+l 表示方法

Ex = Ecos 第三章 光的偏振(Polarization of light) §3.1 光的偏振态 E y x  平 面 偏 振 光 一. 线偏振光(linearlypolarized light) 面对 u 看  振 E 动 面 u  Ey Ex Ey = E sin 同 相 位 线偏振光的正交分解 ··· · · 光振动垂直于板面 光振动平行于板面 线偏振光的表示方法 x y Ex = Ey x y I = I + I 等幅,不相干 x y  表示方法 · · · 自然光分解为线偏振光 光矢量在一个固定平面 内沿一个固定方向振动

部分偏振光 partially polarized light)+;某个方向光振动有优势, 二二二二 部分偏振光是大量光振动的组合 ;其他方向光振动不为0. ------“----“- -本 部分偏振光分解为线偏振光 相位任意振向任意振幅不等 部分偏振光的表示方法 平行板面的 垂直板面的 光振动较强 光振动较强 不等幅,不相干 圆偏振光 circularly polarized light) E一边沿面传播一边绕L旋转 椭圆偏振光( ellipticly polarized light)r振幅不变振幅变化 右旋圆 左旋椭圆 12 L 偏振光 偏振光 定时刻E分布 定地点E旋转旋转又分左右旋⊙L

二.部分偏振光(partially polarized light)  x y x 相位任意 振向任意 y 部分偏振光是大量光振动的组合 不等幅, 不相干 部分偏振光分解为线偏振光 平行板面的 光振动较强 · · ·· 垂直板面的 ···· 光振动较强 部分偏振光的表示方法 三.圆偏振光(circularly polarized light) 椭圆偏振光(ellipticly polarized light) E 一边沿 传播一边绕 旋转  u  u  y x  /2 u  E  一定时刻E分布  一定地点E旋转,旋转又分左右旋  u  ⊙ 左旋椭圆 偏振光 右旋圆 偏振光 振幅不变 振幅变化 某个方向光振动有优势, 其他方向光振动不为0. 振幅不等

光的五种偏振态( polarization state) 0<P<1 自然光部分偏振光线偏振光圆偏振光椭圆偏振光:两个传向一致, 振向垂直 叠加 频率相同, 相差恒定, 非偏振光 完全偏振光 线偏振的合成 P=1 偏振光的偏振度 部分偏振光中所包含 P 的完全偏振光的强度 部分偏振光 →I,→In+ 部分偏振光中所包含 的总强度 的自然光的强度

自然光 部分偏振光 线偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光 非偏振光 完全偏振光 叠加 两个传向一致, 振向垂直, 频率相同, 相差恒定, 线偏振的合成. p p I I P + = = n I t I p I 部分偏振光 的总强度 部分偏振光中所包含 的完全偏振光的强度 部分偏振光中所包含 的自然光的强度 P = 0 P = 1 0  P  1 偏振光的偏振度 光的五种偏振态(polarization state)

§32线偏振光的获得与检偏 偏振片 (一)线偏振光获得一起偏 利用晶体的二向色性 对某一方向的光振动吸收强烈 如:电气石晶体 对垂直方向的光振动吸收较少 硫酸碘奎宁晶体 自然光 线偏振光做成薄片偏自然光线偏振光/= 电气石晶体 片 偏振化方向 (透振方向) 透明基片上蒸镀上一层二向 色性材料晶粒可制成偏振片

一. 偏振片 §3.2 线偏振光的获得与检偏 (一)线偏振光获得—起偏 电气石晶体 自然光 ·········· 线偏振光 自然光 线偏振光 偏振化方向 (透振方向) ··· 偏 振 片 做成薄片 2 0 I I = 0 I 利用晶体的二向色性 对某一方向的光振动吸收强烈 对垂直方向的光振动吸收较少 透明基片上蒸镀上一层二向 色性材料晶粒可制成偏振片 如：电气石晶体 硫酸碘奎宁晶体

(二)线偏振光的检验一检偏 1.马吕斯定律 线偏振光线偏振光? I=lo cos a 偏振化方向P =,消光 2 C=兀,1 a=0,L: IoocEo,cElls Enta ze max max 3丌 Eu= E cosa 消光 2线偏振光的检偏 “变且有消光→)待检光是什么光? 夜变但无消光→待检光是什么光? 待检光? 不变→待检光是什么光? 能否区分出自然光和圆偏振光? 用偏振片只能区分出自然能否区分出椭圆和部分偏振光? 光、线偏振光和部分偏振光

线偏振光I=? , 2 0 E0 I   2 0 I = I cos （二）线偏振光的检验—检偏 线偏振光I0  , 2 E// I  E// = E0 cos 偏振化方向P P  E0  E//  1.马吕斯定律  = 0, max I , 2   = 消光  =  , max I , 2 3  = 消光 I=? 2.线偏振光的检偏 I变且有消光→待检光是什么光？ I变但无消光→待检光是什么光？ I不变→待检光是什么光？ 能否区分出自然光和圆偏振光？ 能否区分出椭圆和部分偏振光？ P 待检光? 用偏振片只能区分出自然 光、线偏振光和部分偏振光

反射和折射引起光的偏振 电磁波方程 1理论基础 电磁场边界參件 aB nx(H, -H=a, n (B2 -B1)=0xH-0 o,V d=p VⅹE nX(E2-E1)=0,n(D2-D1) a+/,V.B=0 反射定律i=i 介质性能方程 折射定律n1Sin=n2Sinr:D=EE,B=μH,j=yE 2偏振规律束自然光入射到界面 ①一般规律折射光是部分偏振光, 平行入射面的光振动较强 反射光一般也是部分偏振光, 垂直入射面的光振动较强 ②布儒斯特定律(1812年) i+r=/2 布债斯:反射线⊥折射线 反射光是线偏振光 特角 起偏角tgi。=n,|1:折射光部分偏振光振动垂直入射面

二. 反射和折射引起光的偏振 , t B E     = −   H j, t  D     = +    D =     B = 0  电磁波方程 介质性能方程 D E,   =  B H,   =  j E   =  电磁场边界条件 ( ) 0, n E2 − E1 =    ( ) , 2 1      n H − H = n(D2 − D1 ) =     ( ) 0 n B2 − B1 =    ·· n1 ·· n2 i i’ r ··· · 反射定律 i = i 折射定律 n sin i n sin r 1 = 2 2.偏振规律 ①一般规律 一束自然光入射到界面, 折射光是部分偏振光, 平行入射面的光振动较强. 反射光一般也是部分偏振光, 垂直入射面的光振动较强. ②布儒斯特定律(1812年) 2 1 tg / i 0 = n n 布儒斯 反射线 ⊥ 折射线 特角, 起偏角 / 2 0 0 i + r =  反射光是线偏振光 光振动垂直入射面 折射光部分偏振 1.理论基础

例一作出下列反射和折射光 线偏振 n 部分 偏振 布儒斯特定律 「例二]求自然光在空气(m1=10)与玻璃 (n2=1.50)界面反射时的布儒斯特角 11.50 解:空气→玻璃:i=100 =56。18′ 拍摄玻璃窗内物 互余体时,如何消除 玻璃→空气:i=t 1.00 =33°427 反射光的干扰? 3反射光强 入射自然光光强反射光线偏振光强 空气→玻璃 入射角起偏角,r=12s-)r=0.07

[例二] 求自然光在空气(n1=1.00)与玻璃 (n2=1.50)界面反射时的布儒斯特角. ··· · 布儒斯特定律 · n · 1 · · n2 i0 i’0 r0 线偏振 · · · · 部分 偏振 · n1 ··· n2 i i’ r n1 n2 i i’ r r0 n1 n2 i0 i’0 n1 n2 i0 i’0 r0 [例一] 作出下列反射和折射光. 解: 空气 → 玻璃: 56 18 1.00 1.50 tg 1 0 = =   − i 玻璃 → 空气: 33 42 1.50 1.00 tg 1 0  = =   − i 互余    3.反射光强 入射自然光:光强I0 入射角:起偏角i 0 反射光线偏振:光强 sin ( ) 0 0 2 0 2 1 I = I i − r 0 0.07 : I  I 空气→玻璃 拍摄玻璃窗内物 体时,如何消除 反射光的干扰?

4反射和折射 偏振的应用: 增加反射线偏光强 ①起偏; ②检偏; 玻璃堆起偏 待布儒斯 (接近线偏) 提高折射光偏振度 特角 以入射光线 F=? 为轴旋转反射镜 ③测不透明介质折射率; (保持i=i不变) ④应用于外腔式激光器; 作业 3.1 激光输出3 布儒斯特窗 3.4 外腔式激光器诸振腔

4.反射和折射 偏振的应用: 增加反射线偏光强 提高折射光偏振度 · · · · · · ·· ·· · · · i0 (接近线偏) · · · ·· 玻璃堆起偏 ①起偏; ②检偏; ③测不透明介质折射率; ④应用于外腔式激光器; · · · · · · · · · · · · · · . 激光输出 i0 i0 外腔式激光器谐振腔 M1 布儒斯特窗 M2 i0 i0 以入射光线 为轴旋转反射镜 (保持i = i0不变) 作业 3.1 3.3 3.4