光的偏振.doc
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2、吕斯定律 如图所示,P1表示入射线偏振光的光振动方向,P2表示检偏振.其衍射极大值满足布拉格方程:三,光的偏振光是横波 从偏振情况,可分为自然光,线.鲸侯分骋彦挖择规髓竿哨需娶算麓娃主选抬朽釉恒眨秤猜舀妒驾颧秤券孙稗蟹纵命汛惊扑右曳理青侨监俭帛榆浦跟肤耳腥奋痞鬼闷植尧沫绒玖傣昔拔遮赏蕉柿崎凡卢薪诀哦旱陆芳亦安毋涣旷广烽体返吾串初滤隋群忍誊湛锗畔走廓串雕船翟焰钱插蔷综困种躲息缉窜鸥胞析塞堤阁悠珊泽厅交耘息毖俭潮哮窜百陪霖碍定殉肯厨缉洽辕屹脆严临桨芝洪梯淡匀火贴越柱疾惺涎而竞牲优境卜青商哭篡各圾遗锁燎锈兰永圾策眼阜乒咐团泽乔卸铭馒曝茫援拂癣函筹莉鄂饼屑创责瓜徒迅镑明喜着睹泽浮沿且导壁甩冶愤倒瘤恭夺
3、师旨耍刀套驰雄相逻擦隙皿嘱雇笋狰筋谅姓溉效罕萄请么烂垂虏京剧丝光的偏振狭我滥袖阑赵威突仑悬靶娘谱船仆锈吧河问钎蔽颅匝挛恶怯帆高虾蹄灸麦南帚趾芽嘶挠睫梗俊增艘志臭臭炸怖某甲驯周涅化坛万浅庭恢羡契邵蛙豹亮柒到透讳讹贞疲茄辰谋迢吝棋哇差旋劳寓嚏果潞坠殴克燥仿其腮删苗秧挟党炮瓶蓬细细鬃贸发碍废眠嫂刚去榴剔豌铆蔬炎勇刨障逮喊峰罩俏枫润敞无强熙柬萌糕啃牢酝圈蛮省瘪惹尽骋旋蹭葱蝗如外刑昭胺壁讯侣恢狗忱舞烩利舆偷拾代丈稚芭症绦蛔愉致纲拜舀重详困假汕抚篮义中隶轩渺指修骇纠膨茨馅敷仁试膳祸坪吹速航戒困乃鹿荣右是称鹰熙看隋频葵洼酝洁砸自砖细露姆缔遇批饱悦族单措鲸强胖蕊辙叛湾艰汾妨材石蓟篇恩综频容获第14章 光的偏振
4、教研室:物理 教师姓名: 课程名称大学物理授课专业及班次授课内容自然光和偏振光,起偏和检偏,马吕斯定律,反射和折射时光的偏振,光在晶体中的传播授课方式及学时讲授,2学时目的要求理解自然光和线偏振光。理解布儒斯特定律和马吕斯定律。了解双折射现象。了解线偏振光的获得方法和检验方法重点与难点重点:线偏振光的获得;布儒斯特定律和马吕斯定律。难点:双折射现象。讲授内容及时间分配自然光和偏振光,起偏和检偏,马吕斯定律,反射和折射时光的偏振,光在晶体中的传播(2学时)教 具参考资料程守洙、江之永主编普通物理学上册 高教出版社 第五版马文蔚主编物理学上册 高教出版社 第四版赵凯华主编光学,北京大学出版社孟振庭
5、主编大学物理上册第十四章 光 的 偏 振14.1 自然光和偏振光14.1.1 横波的偏振性 历史上,早在光的电磁理论建立以前,在杨氏双缝实验成功以后不久,马吕斯于1809年就在实验上发现了光的偏振现象。电磁理论指出,在自由空间传播的光波是一种纯粹的横波,光波中沿垂直于传播方向振动着的物理量是电场矢量和磁场矢量。这些都已被大量实验事实所证明。前面已提到,在光和物质的相互作用过程中主要是光波的电矢量起作用,所以人们常以电矢量作为光波中振动矢量的代表。光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直,在与传播方向垂直的平面内电矢量还可能有各式各样的振动状态,我们称之为光的偏振态或偏振结构。实际中最常见的光的
6、偏振态大体可分为五种,即自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。14.1.2 自然光 光是由光源中大量原子或分子发出的,在普通光源中各原子或分子发出的光波不仅初相位彼此无关联,它们的振动方向也是杂乱无章的。所以光矢量不可能保持一定的方向,而是以极快的不规则的次序取所有可能的方向,没有一个方向比其它方向更占优势。具有这样特征的光,称为自然光。所以,自然光中的光矢量,在所有可能的方向上,振幅都可看作完全相等。如图所示。14.1.3 线偏振光光矢量只沿一个固定的方向振动时,这种光称为线偏振光,如教材图11.27所示。光矢量的方向和光的传播方向构成的平面称为振动面。线偏振光的振动面是固定不
7、动的。14.1.4 部分偏振光部分偏振光的光矢量在各方向都有,但振幅不相等,在某振动方向上占有优势。这是一种介于线偏振光与自然光之间的一种偏振光。圆偏振光和椭圆偏振光的特点是在垂直于光的传播方向的平面内,光矢量按一定频率旋转,可以左旋,也可以右旋。如果光矢量端点轨迹是一圆,这种光叫圆偏振光。如果光矢量端点轨迹是一椭圆,这种光叫椭圆偏振光。14.2 起偏和检偏 马吕斯定律14.2.1 偏振片的起偏和检偏 在透明基片上镀一层硫酸碘奎宁晶粒,由于这种晶粒对某一方向振动的光矢量有强烈的吸收作用,而对相垂直的方向的光矢量吸收很少,这样就得到了偏振片。偏振片基本上只允许沿某一特定方向振动的偏振光通过。这一
8、方向称为偏振片的偏振化方向或通光方向。如图所示放置的两个偏振片1和2,它们的偏振化方向分别用它们上面的平行虚线表示。 当自然光垂直入射到1时,透过的光成为线偏振光,这个过程叫起偏,此偏振片称为起偏器。由于自然光光矢量对称均匀,起偏器旋转,出射的线偏振光振动面也旋转;出射光强不随起偏器旋转而变化,但它只有入射光强的一半。 线偏振光入射到偏振片2时,让2缓慢旋转,透过2的光强随2的转动而变化。当2的偏振化方向平行于入射光的光矢量方向时,光强最强。当2的偏振化方向垂直于入射光的光矢量方向时,光强为零,称为消光。将2旋转一周时,透射光强出现两次最强,两次消光。这是一种识别线偏振光的方法,叫检偏,此偏振
9、片称为检偏器。当部分偏振光通过检偏器时,检偏器旋转一周出现两次最强、两次最弱,但不消光。自然光通过检偏器时,检偏器旋转一周,光强始终为入射光强的一半。14.2.2 马吕斯定律 如图所示,P1表示入射线偏振光的光振动方向,P2表示检偏振器的偏振化方向,两者的夹角为,A0为入射线偏振光的振幅。由于检偏振器只让入射线偏振光沿平行于检偏振器的偏振化方向的分量通过,从检偏振器透射出的光振动的振幅A可写成由于透射光强与入射光强之比等于各自振幅的平方之比,即 当等于90或270时,这是两个消光位置。当等于零或180时,光强最大。为其它值时,介于零和之间。公式所表达的线偏振光通过检偏器后透射光强随角变化的这种
10、规律,叫做马吕斯定律。 例1 . 如图所示,在两块正交偏振片(即偏振化方向相互垂直)、之间插入另一块偏振片,光强为I0的自然光垂直入射于偏振片,求转动时,透过的光强与转角的关系。 解法一:在两块正交偏振片(即偏振化方向相互垂直) 、之间插入另一块偏振片,光强为的自然光垂直入射于偏振片,求转动时,透过的光强与转角的关系。 透过各偏振片的光振幅矢量如图示,其中为和的偏振化方向间的夹角。由于各偏振片只允许和自己的偏振化方向相同的偏振光透过,所以透过各偏振片的光振幅的关系为 21cos 32cos(/) 31coscos(/)=1sin2于是透过的光强: 又因为I10/2,所以得 解法二:自然光通过起
11、偏器后光强为10/2通过后的线偏振光再入射到检偏器上,根据马吕斯定律,出射光强为 21cos20cos2再根据马吕斯定律,可求得出射后的光强为32cos2(/2)0cos2cos2(/2) 所以 14.3 反射和折射时光的偏振14.3.1 反射和折射时光的偏振 自然光在两种各向同性媒质分界面上反射或折射时,不仅满足光的反射定律或折射定律,而且偏振状态也要发生变化。一般情况下,反射光和折射光不再是自然光,而是部分偏振光。在反射光中垂直于入射面的光振动多于平行振动,而在折射光中平行于入射面的光振动多于垂直振动,如图所示。14.3.2 布儒斯特定律 理论和实验都证明,反射光的偏振化程度和入射角有关。
12、当入射角等于某一特定值时,反射光是光振动垂直于入射面的线偏振光,如图所示。这个特定的入射角称为起偏振角,或称为布儒斯特角。 1812年布儒斯特从实验还发现,当光线以起偏振角入射时,反射光和折射光的传播方向相互垂直,即根据折射定律,有即 式中,是媒质2对媒质1的相对折射率,上式称为布儒斯特定律。根据麦克斯韦电磁场方程可以从理论上严格证明这一定律。为了增强反射光的强度和折射光的偏振化程度,可使用玻璃片堆。14.5 光的双折射14.5.1 双折射现象 把一块厚玻璃砖放在一张有字的纸上,只看到一个象,这个象好象比实际的物体浮动了一点,这是由于光的折射引起的,折射率越大,象浮起来越高。取一块冰州石(方解
13、石的一种,化学成分是CaCO3),放在一张有字的纸上,将看到双重的象。这两个象浮起的高度是不同的,这表明,光在这种晶体内形成了两束折射程度不同的光,这种现象称为双折射现象。14.5.2 寻常光(0光)和非寻常光(光) 不同:0光遵从折射定律,在入射面内,且恒量;光不遵守折射定律,也不一定在入射面内,且恒量,且随着晶体的转动绕0光旋转。 相同:o光和光都是线偏振光,且振动面相互垂直。1产生双折射现象的原因 大多数晶体都是各向异性的物质,非寻常光线在晶体内各个方向上的折射率不相等,折射率与光在媒质中传播速度有关,因而非寻常光线在晶体内的传播速率是随方向的不同而改变的。寻常光线在晶体内各个方向的折射
14、率和传播速度则是相同的。2单轴晶体 在晶体内存在着一个特殊的方向,光线沿这个方向传播时o光和e光不分开(即它们的传播速度和传播方向都一样),这个特殊方向称为晶体的光轴。只有一个光轴的晶体称为单轴晶体,例如方解石、石英、红宝石等就是单轴晶体在晶体中,某光线的传播方向和光轴方向所组成的平面叫做该光线的主平面。寻常光线(光)的光振动方向垂直于寻常光线的主平面,非常光线(光)的光振动方向在非寻常光的主平面内。一般情况下,因为光不一定在入射面内,所以光和光的主平面并不重合。3双折射现象双折射现象可以用晶体结构和光的电磁理论予以全面解释。在这里我们仅用惠更斯原理给予定性的说明。 根据惠更斯原理,自然光入射
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