中国科学技术大学：《光学 Optics》课程教学课件（PPT讲稿）Chapter 2 波动光学基础 Wave Optics 2.3 光的横波性和五种偏振态

2.3光的横波性和五种偏振态 光的横波性 光的偏振现象 偏振片 光的五种偏振态 起偏与检偏，马吕斯定律

光的横波性 光的偏振现象 偏振片 光的五种偏振态 起偏与检偏，马吕斯定律 2.3 光的横波性和五种偏振态

光的横波性 ① 横波(transverse wave):在传播介质中粒子的振动方向与波的传播方 向垂直，也称$波。（电磁波、地震波中的$波） ② 纵波(Longitudinal waves):在传播介质中粒子的振动方向与波的传 播方向平行，也称P波。（声波、地震波中的波） 纵波 Longitudinal Wave 横波 U//k E⊥k

k E 一 、 光的横波性 ① 横波（transverse wave）：在传播介质中粒子的振动方向与波的传播方 向垂直，也称S波。(电磁波、地震波中的S波) ② 纵波（Longitudinal waves ）：在传播介质中粒子的振动方向与波的传 播方向平行，也称P波。（声波、地震波中的P波） 纵波 k U 横波 E⊥k U// k

二、 光的偏振现象 偏振 振动方向与传播方向的关系。偏振现象的实质是振动方向相对于传播方向 的不对称性。 问题：偏振是横波所特有的现象吗？ 偏振是横波所特有的现象。所以光具有偏振特性证明了光的横波性。 基本问题 (1).偏振现象的发现 (2).偏振的产生 (3).偏振态的描述 非偏振的 带有偏振特性的 (4).偏振态的产生和检测

二、 光的偏振现象 偏振 振动方向与传播方向的关系。偏振现象的实质是振动方向相对于传播方向 的不对称性。 问题：偏振是横波所特有的现象吗？ 偏振是横波所特有的现象。 非偏振的 带有偏振特性的 基本问题 (1). 偏振现象的发现 (3). 偏振态的描述 k k E E E k 所以光具有偏振特性证明了光的横波性。 (2). 偏振的产生 (4). 偏振态的产生和检测

偏振现象的发现 ① 无考据的历史，一般认为是维京海盗(Vikings)为了航海的目的开始了 对偏振光的研究。据传这些海盗使用了一种神秘的双折射晶体研究天 空的偏振光。 ② 丹麦物理学家和数学家Erasmus Bartholinus在1669年发现了方解石中的 双折射现象。虽然当时他仍未意识到这是一种偏振现象，但是正史一 般认为偏振光的历史应当从这一节点开始算起。 ③ l690年，荷兰物理学家、天文学家Christian Huygens在解释双折射现象 的实验研究中，发现了方解石射出的两束光，在经过同样材料、但旋 转了特定角度的晶体时会出现消光。这是偏振现象第一次被发现。之 后，牛顿在1704-1706对这一现象进行了解释，但受限于微粒说的观点。 ④ 1808年法国军事工程师马吕斯(E.L.Maus1775-1812)针对法兰西科 学院的悬赏“给出双折射的数学理论，并用实验证实之”，对冰洲石 的双折射现象进行了研究，首次将“偏振”概念用于描述光学现象

偏振现象的发现 ① 无考据的历史，一般认为是维京海盗（Vikings)为了航海的目的开始了 对偏振光的研究。据传这些海盗使用了一种神秘的双折射晶体研究天 空的偏振光。 ② 丹麦物理学家和数学家Erasmus Bartholinus在1669年发现了方解石中的 双折射现象。虽然当时他仍未意识到这是一种偏振现象，但是正史一 般认为偏振光的历史应当从这一节点开始算起。 ③ 1690年，荷兰物理学家、天文学家Christian Huygens在解释双折射现象 的实验研究中，发现了方解石射出的两束光，在经过同样材料、但旋 转了特定角度的晶体时会出现消光。这是偏振现象第一次被发现。之 后，牛顿在1704-1706对这一现象进行了解释，但受限于微粒说的观点。 ④ 1808年法国军事工程师马吕斯（E.L. Malus 1775-1812）针对法兰西科 学院的悬赏“给出双折射的数学理论，并用实验证实之” ，对冰洲石 的双折射现象进行了研究，首次将“偏振”概念用于描述光学现象

光通过二向色性晶体 电气石晶体 NaR3Al6[SiOIs][BO3]3(OH,F)4

光通过二向色性晶体 电气石晶体 NaR3Al6 [Si6O18][BO3 ]3 (OH,F)4

三、偏振片 偏振片：只让某一振动方向光波通过的光学元件称为偏振片。这个 方向被称为偏振片的透振方向或偏振方向。 几种典型的偏振片（偏光片） 1、金质线栅 d~10-4mm 垂直于导线的振动 不能被电子吸收 电子沿导线的振动吸收电磁波

三、偏振片 几种典型的偏振片（偏光片） 1、金质线栅 k E x E y E y d~10-4mm 垂直于导线的振动 不能被电子吸收 电子沿导线的振动吸收电磁波 偏振片：只让某一振动方向光波通过的光学元件称为偏振片。这个 方向被称为偏振片的透振方向或偏振方向

2、人造偏振片一二向色性偏振片 包括J、H、K等类型的人造偏振片 H偏振片(E.H.Land,1938) ① 聚烯醇薄膜基片； ②在蒸汽中均匀加热拉伸，使长键分子整齐排列； ③浸碘，使碘分子聚合到已被拉直的分子链上； ④ 干燥后，形成导电的碘链 ⑤ 称为性能优良的偏振片 Edwin Herbert Land 优点：偏振度高达99%以上，可用于整个可见光 (1909≈1991) 波段，是目前使用最广泛的人造偏振片 1928年首次通过机械挤 压制造了型偏振片。 缺点：强度差，不能受潮，易退偏

2、人造偏振片—二向色性偏振片 ① 聚烯醇薄膜基片； ② 在蒸汽中均匀加热拉伸，使长键分子整齐排列； ③ 浸碘，使碘分子聚合到已被拉直的分子链上； ④ 干燥后，形成导电的碘链 ⑤ 称为性能优良的偏振片 Edwin Herbert Land （1909~1991 ） 优点：偏振度高达99%以上，可用于整个可见光 波段，是目前使用最广泛的人造偏振片 缺点：强度差，不能受潮，易退偏。 H偏振片（E. H. Land ，1938） 包括J、H、K等类型的人造偏振片 1928年首次通过机械挤 压制造了J型偏振片

四、光的五种偏振态 自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光 1、自然光 光场中的任一点、任一传播方向，都同时存在着大量各种随机取向的横振动，且没 有固定的位相差，因而，在与传播方向垂直的任一方向上的振动都是相等的。这种 类型的光称为自然光。一般的热辐射光源发出的光波都是自然光。 任一原子或分子的任一次辐射，都 具有恒定的振动方向，会产生一列 E2 hv=△E 振动面确定的线偏振光 △E 发光是自发辐射过程，发光原子间 无关联 大量原子热运动或跃迁发光：固体 材料中原子的体积密度~1023/cm3 空间分布均匀性-光矢量方向任意 时间分布均匀性-初相位可以取0-2π 之间的任意值

四、光的五种偏振态 1、自然光 光场中的任一点、任一传播方向，都同时存在着大量各种随机取向的横振动，且没 有固定的位相差，因而，在与传播方向垂直的任一方向上的振动都是相等的。这种 类型的光称为自然光。一般的热辐射光源发出的光波都是自然光。 • 任一原子或分子的任一次辐射，都 具有恒定的振动方向，会产生一列 振动面确定的线偏振光 • 发光是自发辐射过程，发光原子间 无关联 • 大量原子热运动或跃迁发光：固体 材料中原子的体积密度~1023/cm3 • 空间分布均匀性-光矢量方向任意 • 时间分布均匀性-初相位可以取0-2π 之间的任意值 E2 E1 hν=ΔE ΔE k 自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光

2、线偏振光 只包含单一振动方向的光称为线偏振光或平面偏振光。其振动方向和传 播方向构成的平面称为振动面。光矢量在垂直于传播方向的平面内的投 影为一条直线。任意的线偏振光可以看做是由振动方向正交、相位相同 或相反的两个线偏振光合成的。 振动面 同相 反相 E,(=,t)=Acos(ot-k) E,(,1)=Acos(ot-k) E,(=,1)=Acos(ot-k) E,(,t)=Acos(@t-kz+) 考量偏振时，一般在一个固定点，因此可以省 略空间相位，由此得到 E,(t)=Acos@t E,(t)=Acosot 十十十于十十1十真碳 E(t)=Acos@t E,(t)=Acos(ot+π) 水平偏振

2、线偏振光 只包含单一振动方向的光称为线偏振光或平面偏振光。其振动方向和传 播方向构成的平面称为振动面。光矢量在垂直于传播方向的平面内的投 影为一条直线。任意的线偏振光可以看做是由振动方向正交、相位相同 或相反的两个线偏振光合成的。 E E x E y x y O 垂直偏振 水平偏振 反相 k E E x E y k E x ( , ) cos( ( , ) cos( ) ) x E z t A t kz y E z t A t kz   = −  = − +    ( ( , ) cos( , ) cos( ) ) x E z y E z t t A t A t k kz  z = −   = −   E −E x E y x y O 同相 考量偏振时，一般在一个固定点，因此可以省 略空间相位，由此得到 ( ( ) co ) cos s y x E t E t t A t A  =  =    ( ) ( ) c s( ) os co y E t A t x E t A t   = +   =  

3、部分偏振光 在各不同方向的横振动中，某一方向占有优势，这类光波称为部分偏振光。 部分偏振光是介于自然光和线偏振光之间的一种状态。可以看做自然 光和线偏振光的叠加。部分偏振光的偏振程度用偏振度来衡量： max min 米+ max 十min P=0,自然光（或非偏振光） P=1,线偏光

3、部分偏振光 在各不同方向的横振动中，某一方向占有优势，这类光波称为部分偏振光。 部分偏振光是介于自然光和线偏振光之间的一种状态。可以看做自然 光和线偏振光的叠加。部分偏振光的偏振程度用偏振度来衡量： max min max min I I P I I − = + + = P=0，自然光（或非偏振光） P=1，线偏光