光的偏振.ppt
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1、1,第四章 光的偏振,2,4.1 自然光和偏振光,线偏振光,自然光和部分偏振光,光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性,光的偏振证实光的横波性,偏振态:电场矢量在与光传播方向垂直的平面内的振动状态,线偏振光 自然光 部分偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光,3,线偏振光:光的振动方向始终在一个平面内。,自然光:没有哪一个方向振动更占优势。,普通光源如太阳、烛焰、灯泡发出的光都是自然光。,4,部分偏振光:介于线偏振光和自然光之间。,部分偏振光可分解成两个振动方向互相垂直、振幅不等的线偏振光,光的偏振度,式中Imax,Imin分别是与最大振幅和最小振幅相应的光强。,5,圆偏振光和椭圆偏振光,迎着光观察,光矢量
2、向左或向右匀速旋转 光矢量大小不变,为圆偏振光; 光矢量大小变化,为椭圆偏振光。,按旋转的方向分为左旋和右旋。 右旋对应顺时针方向, 左旋对应逆时针方向。,6,圆偏振光和椭圆偏振光可以看成是两个同频、振动方向相互垂直,并且有稳定的相位关系的线偏振光合成的结果。反之,任何一个圆偏振光和椭圆偏振光可以分解成两个同频、振动方向相互垂直,并且有稳定的相位关系的线偏振光。,光传播方向,横平面,7,4.2 起偏振器与检偏振器 马吕斯定律,某些晶体,如电气石,存在一个方向,光矢量与之平行入射时 被吸收很少;与之垂直入射时则被强烈的吸收。 晶体的这一性质称为二向色性,相应的方向称为光轴。,自然光入射,透射线偏
3、振光,光轴方向,天然的电气石晶体很小,透光面积不大。,8,偏振片(Polaroid):获得线偏振光的平面片状器件,1928年由一位19岁的美国大学生(E. H. Land at Harvard College)发明,二向色性的微小有机晶体,如碘化硫酸奎宁沉淀在聚乙烯醇薄膜或其它塑料膜内,在高温下拉伸,然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片。它有一个特定的方向,只让平行于该方向的振动通过。,49mm Polarizer Filter,9,七对小电极的某一对充电后,其间的液晶失去螺状相,阻光。,液晶显示器原理,10,11,马吕斯定律,线偏振光射到偏振片上,透过的线偏振光的强度遵从马吕斯定律,Etie
4、nne Malus 1775 - 1812,12,利用偏振片,可以区分线偏振光、自然光和部分偏振光。 起偏振器其实就是检偏振器,在线偏振光的光路中插入检偏器,检偏器旋转一周,光强两亮两暗,13,在自然光和圆偏振光的光路中插入检偏器,检偏器旋转一周,在光路中插入检偏器,屏上光强减半。检偏器旋转,屏上亮暗无变化。,14,部分偏振光和椭圆偏振光的光路中插入检偏器,检偏器旋转一周,检偏器旋转一周,屏上光强两强两弱,15,根据上面的实验,检偏振器可以区分出线偏振光,但是无法区分自然光和圆偏振光,也无法区分部分偏振光与椭圆偏振光。关于自然光和圆偏振光、部分偏振光和椭圆偏振光的区分,以后讲解。,Polari
5、zer Puzzle,16,4.3 反射和折射时的偏振,自然光在两种各向同性介质分界面上反射、折射时,反射光和 折射光都是部分偏振光。反射光中垂直振动(s)多于平行振动(p), 折射光中平行振动(p)多于垂直振动(s)。,布儒斯特角与入射角之和为90,当入射角等于某一特定角度 iB 时, 反射光为线偏振光,其振动方向与 入射面垂直。该角称为布儒斯特角。,从空气到玻璃,从空气到水,17,反射和折射时的偏振现象以及布儒斯特定律,在理论上可以从 电磁波在介质分界面上应满足的边界条件导出。,反射光强,18,反射光的偏振态和入射光的偏振态、入射角和介质的折射率有关,举一特例-自然光入射(从光疏介质到光密
6、介质),19,20,21,22,4.4 散射光的偏振,光的散射现象,当阳光射入地球大气层时,遇到大气 分子而被散射,在高空没有尘埃,故 以分子散射(瑞利散射)为主,散射光 的光强与入射光的波长四次方成反比。 阳光所含的七种色中,紫、蓝光等的 波长短,被分子散射强烈,而波长较长的橙光、红光等被散射较弱, 在高空的散射光便以紫、蓝光等为主,综合的效果使天空呈蔚蓝色。,尘粒和水滴的尺度一般大于等于可见光波长,这时的散射以米氏散 射为主,米氏散射不遵从分子散射那样的散射规律而是遵从更复杂 的规律,和波长没有明显的关系,阳光被散射后基本上仍为白光, 比如白云。,23,瑞利散射,瑞利散射适用于散射体的尺度
7、比光的波长小。光作用在散射体上的电场可视为交变的均匀场。在入射光的激励下,分子感生电偶极矩,辐射为电偶极辐射。,电偶极辐射,24,辐射光强,自然光散射强度,为辐射与入射光的夹角,25,瑞利散射和米氏散射的比较,26,散射引起的偏振,入射线偏振光散射时的偏振,27,自然光散射偏振,在垂直入射光方向的x-y平面内,沿各方向的散射光都是线偏振光,在原入射光方向和其相反方向的散射光都仍是自然光,在其它方向的散射光为不同偏振度的部分偏振光,28,太阳光本身并不是偏振光,但当它穿过大气层,受到大气分子或尘埃等颗粒的散射后,便变成了部分偏振光。根据天空偏振光的图形,就可以确定太阳的位置。蜜蜂的偏光导航仪是在
8、头部的复眼中。它的复眼是由6300只小眼组成的,每只小眼里有8个作辐射状排列的感光细胞,蜜蜂就是靠这些小眼来感受天空偏振光的。,散射偏振光和导航,29,4.5 双折射现象,30,o光(寻常光)遵守折射定律 e光(非常光)不遵守折射定律,如垂直入射时折射角不为零 所谓o光和e光,只在双折射晶体的内部才有意义,射出晶体以后,就无所谓o光和e光了。,双折射光的偏振特点,双折射的两条光线都是线偏振光。,转动方解石,e光绕着o光转动,31,光轴:光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双折射现象,这一方向称为晶体的光轴.,天然方解石晶体是一六面棱体,每一面都是菱形,大角约为102o, 小角约为78o. 六面体
9、中有两个相对的分别由三个钝角围成的顶角, 连接这两个顶角, 与连线平行的方向既是方解石光轴的方向.,单轴晶体:只有一个光轴(如方解石、石英)的晶体 双轴晶体:有两个光轴(如云母、硫磺)的晶体,32,主截面:光轴和晶体表面光入射点的法线组成的平面。,主平面:晶体中光(o光或e光)的传播方向与晶体光轴构成的平面,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。当o光和e光的主平面相互平行时,两光的振动互相垂直.,说明:当入射面和主截面重合一致时,e光的偏折依然在入射面内;当入射面和主截面不一致时,则e光射线就可能不在入射面内。o光的偏折总在入射面内。,33,寻常光(o光),(1
10、) 振动面垂直与自己的主平面的线偏振光; (2) 符合折射定律和反射定律; (3) 沿各个方向折射率相同(no) 传播速度相同.,非常光(e光),振动面平行于自己的主平面的线偏振光; 一般不符合折射定律,在垂直于光轴的方向传播时符合折射定律. 沿不同的方向折射率不同, 传播速度不同.沿光轴的方向折射率和速度为no,与o光相同.沿垂直于光轴的方向的折射率称为ne. no 和ne成为晶体的主折射率。,34,4.6 惠更斯作图法,单轴晶体中的波面,(2)回转椭球面外切于球面, neno的晶体, 称为正晶体. 如石英.,(1)回转椭球面外切于球面,ne no的晶体, 称为负晶体. 如方解石.,单轴晶体
11、可分为两类,o光的波面是球面,e光的波面是回转椭球面。 两者相切,相切的方向就是光轴。,35,几种单轴晶体的主折射率和双折射率,双轴晶体的波面形状更为复杂,36,光在晶体内传播的波面,O-xyz是方解石晶体内的三维坐标, t=0时刻自原点发出的光振动, 在t=t时刻, o光振动传到以v0t为半径的球面上. 因此 ,o光的波面图是球面. e光波面图是长轴为vet, 短轴为vot, 在光轴方向上外切球面的椭球面.,负晶体,37,正晶体,38,用惠更斯作图法确定光在晶体中的传播,惠更斯作图法要点,(1)根据给定情况,作出光在 介质1中的波面AB; (2)在A点作光在介质2中的次 波波面,次波波面的半
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