大學(xué)光學(xué)經(jīng)典課件l12 光的橫波性與五種偏振態(tài)

1、§9 光的橫波性與五種偏振態(tài),1．光的偏振現(xiàn)象,1）光的偏振的含義,光波振動(dòng)方向的不全面和振幅不均等的現(xiàn)象稱為光的偏振現(xiàn)象,第二章 波動(dòng)光學(xué)基本原理,2）偏振片,（1）晶體的二向色性（選擇吸收性）,（2）偏振片及其透振方向和消光方向,（3）偏振片的制造,（4）偏振片的起偏和檢偏性能,2．光的橫波性,1）機(jī)械波的橫波性的檢驗(yàn),2）光波的橫波性的檢驗(yàn),3．光的五種偏振態(tài),1）光是橫波，才有不同的偏振狀態(tài),2）光波的五種偏振態(tài)：

2、,線偏振光、自然光、部分偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。,4．線偏振光,1)線偏振光的定義：,在垂直光傳播方向的平面上，只有單一方向的振動(dòng)矢量，隨著時(shí)間的推移，振動(dòng)矢量只改變大小、不改變方向。,線偏振光：光矢量 E 只沿一個(gè)固定方向振動(dòng)。,2)振動(dòng)面與平面偏振光,振動(dòng)面：線偏振光的傳播方向與振動(dòng)方向構(gòu)成的平面。,同一波線上的線偏振光的光振動(dòng)均處于同一振動(dòng)面上，又稱線偏振光為平面偏振光。,線偏振光是偏振程度最強(qiáng)的光，又稱線偏振

3、光為全偏振光。,,,,,3）線偏振光通過偏振片后的光強(qiáng)度,,若入射的線偏振光強(qiáng)為：,旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，出射光強(qiáng)的變化為：,存在一個(gè)消光方向,, 在垂直 P 的透振方向上,4）馬呂斯定律,稱上式為馬呂斯定律,注意：,（1）只適用于線偏振光,（2）馬呂斯定律公式上的 三角函數(shù)項(xiàng)是平方項(xiàng)。,由于：,就有：,5）起偏器和檢偏器,起偏器：任何偏振態(tài)的光通過后透射 光都變?yōu)榫€偏振光的器件。,檢偏

4、器：檢查入射光偏振態(tài)的器件 線偏振射光通過此器件后光 強(qiáng)變?yōu)榱恪?偏振片既是起偏器，又是檢偏器。,自然光通過偏振片后，光強(qiáng)為原來的二分之一。 旋轉(zhuǎn)起偏器，屏幕上光強(qiáng)不變。,檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，透射光光強(qiáng)出現(xiàn)兩次最強(qiáng)，兩次消光，說明入射到 P2 上的光是線偏振光。,P2,P1,6）一束線偏振光可以分解為兩束 互相垂直的線偏振光,,若將

5、 帶入?yún)⒘糠匠滔⒘縯，,就有： ，這正是直線方程,結(jié)論：,（1）線偏振光可以分解為兩個(gè)互相垂直 的相位差為 0 或 的線偏振光，,（2）可以由這兩束線偏振光代替這束線偏振光。,5．自然光,1）自然光的定義：,在垂直光傳播方向的平面上，所有方向均有橫振動(dòng)，,各個(gè)方向的振動(dòng)幅度均相等，形成如圖所示的軸對(duì)稱振幅分布。,自然光：,由于原子發(fā)光的獨(dú)立性與隨機(jī)性，對(duì)于普

6、通光源所發(fā)的光，光矢量分布各向均勻。,各光矢量之間無固定的相位關(guān)系。,可用兩個(gè)相互垂直的光矢量表示自然光，但兩者之間也無固定的相位關(guān)系。,2）自然光通過偏振片后的光強(qiáng)度,若入射的自然光強(qiáng)為：,旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，出射光強(qiáng)均為：,（非相干迭加）,3）試證明自然光通過偏振片后 出射光強(qiáng)為入射光強(qiáng)的一半。,,自然光由無數(shù)條非相干的線偏振光組成,數(shù)密度： 單位夾角內(nèi)包含的 線偏振光的條數(shù),角內(nèi)包含的線偏振光的條數(shù)：,角內(nèi)包含的線偏

7、振光的總強(qiáng)度：,,入射的自然光的總光強(qiáng)：,,設(shè)偏振片的透振方向與 角內(nèi)線偏振光的夾角為：,依據(jù)馬呂斯定律：,角內(nèi)的線偏振光通過偏振片后的光強(qiáng)為：,透過偏振片后自然光的光強(qiáng)變?yōu)椋?因此有：,注意：已經(jīng)將公式中的 改寫為,6．部分偏振光,1）部分偏振光的定義：,在垂直光傳播方向的平面上，所有方向均有橫振動(dòng)，但不同方向的振動(dòng)幅度不相等，形成如圖的振幅分布。,部分偏振光:,介于線偏振光與自然光之間的情形，可看成線偏

8、振光與自然光的混合。,若入射的部分偏振光強(qiáng)為,旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，出射光強(qiáng)的變化為：,與 的振動(dòng)方向互相垂直,，沒有消光現(xiàn)象出現(xiàn),2）部分偏振光通過偏振片后的光強(qiáng)度,3）部分偏振光的總光強(qiáng),4）偏振度：,時(shí)， ，為自然光,＝,,時(shí)， ，是線偏振光,注意： 與 是所有線偏振光在這兩個(gè)互相 垂直方向上的投影分量的非相干疊加。,例題1 自然光通過兩個(gè)偏振化方向的夾角

9、為 60°的偏振片后，透射光強(qiáng)為 I . 若在兩偏振片間再插入另一偏振片，它與前兩者的偏振化方向的夾角均為 30°，則此時(shí)透射光光強(qiáng)為多少？,解,例題2 一束光由自然光和線偏振光混合組成，當(dāng)它通過一轉(zhuǎn)動(dòng)的偏振片時(shí)，透射光光強(qiáng)的最大值是最小值的 5 倍。求入射光中自然光和線偏振光的光強(qiáng)各占入射光光強(qiáng)的幾分之幾？,解,設(shè)入射光光強(qiáng)為 I0 ，其中自然光光強(qiáng)為 I10 ，線偏振光強(qiáng)度為 I20,設(shè)通過偏振片后的

10、光強(qiáng)分別為 I ，I1 ，I2,為什么？,,例題3: P309例5.1,7．圓偏振光,1）圓偏振光的定義：,在垂直光傳播方向的平面上，只有單一的振動(dòng)矢量，,振動(dòng)矢量的大小不變，振動(dòng)方向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，,振動(dòng)矢量的端點(diǎn)描繪成一個(gè)圓形軌跡。,2）圓偏振光通過偏振片后的光強(qiáng)度,若入射光強(qiáng)為：,旋轉(zhuǎn)偏振片P一周， 出射光強(qiáng)不變化,3）圓偏振光能夠分解成兩束互相 垂直的線偏振光,,,結(jié)論：,（1）圓偏振光可以分解為兩個(gè)互相垂直

11、 的振幅相等、相位差為 的線偏振光。,（2）可以由這兩束線偏振光來代替 這束圓偏振光。,4）圓偏振光的總光強(qiáng)：,5）左旋圓偏振光與右旋圓偏振光,若振動(dòng)矢量 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)就稱為右旋圓偏振光，此時(shí)：,若振動(dòng)矢量 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)就稱為左旋圓偏振光，此時(shí)：,（2）證明：若圓偏振光的 ， 則振動(dòng)矢量 逆時(shí)針

12、旋轉(zhuǎn)。,證明：,已知：,,,如圖所示，由 到,旋轉(zhuǎn)走向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。,8．橢圓偏振光,1）橢圓偏振光定義：,在垂直光傳播方向的平面上，只有單一的振動(dòng)矢量，振動(dòng)矢量的大小和方向不斷地改變，振動(dòng)矢量的端點(diǎn)描繪成一個(gè)橢圓形軌跡。,2）橢圓偏振光通過偏振片后的光強(qiáng)度,若入射的部分偏振光強(qiáng)為,旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，出射光強(qiáng)的變化為：,與 的振動(dòng)方向垂直。,,沒有消光現(xiàn)象出現(xiàn),3）橢圓偏振光能夠分解成兩束互相

13、 垂直的線偏振光,,當(dāng) 時(shí)，,若消去參量方程中的t,有：,這正是橢圓方程式,結(jié)論：,（1）橢圓偏振光可以分解為兩個(gè)互相 垂直的振幅不相等的相位差固定、 但不等于 或 0的線偏振光。,（2）可以由這兩束線偏振光來代替這 束橢圓偏振光。,4）橢圓偏振光的總光強(qiáng)：,,5）左旋與右旋橢圓偏振光,定義：,迎著光線傳播的方向觀看，,若振動(dòng)矢量

14、 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)就稱為右旋橢圓偏振光，,若振動(dòng)矢量 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)就稱為左旋橢圓偏振光。,6）各種相位差對(duì)應(yīng)的橢圓偏振態(tài)圖,（1）當(dāng)坐標(biāo)系為如圖所示時(shí),（2）參量方程為：,（3）就有如下的各種相位差對(duì)應(yīng)的橢圓偏振態(tài)圖,,（4）若參量方程用復(fù)振幅表示，則為：,，,,。,，,7）自然光能夠分解成兩束線偏振光,兩束線偏振光的關(guān)系是：,（1）分解的方向可以任意，但兩束線偏振光 的方向必須互相垂直,（2）兩束線偏振光的光強(qiáng)相等

15、，均為,（3）兩束線偏振光的相位差隨時(shí)間變化， 不穩(wěn)定。,（4）可以用分解成的兩束線偏振光代替 這束自然光,8）為什么自然光只能由相位差不 穩(wěn)定的兩束線偏振光代替。,若兩束線偏振光之間有穩(wěn)定的相位差，,就能合成線偏振光、圓偏振光或橢圓偏振光，不是自然光了。,9）部分偏振光能夠分解成兩束線偏振光,兩束線偏振光的關(guān)系是：,（1）分解的方向可以任意，但兩線偏振 光的方