15-7光的偏振现象

15-7光的偏振现象 2012-05-24 1 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 重点、难点::1.理解偏振光的概念,了解产生偏振光的几种主要方法, 掌握马吕斯定律和布儒斯特定律及其应用。 相关知识:光的电磁理论;光的折射和反射定律;振动的合成与分解。 授课路径:?自然光及 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示-- 偏振光及表示?部分偏振光--偏振片--偏振 化 方向?起偏?检偏--马吕斯定律--例题1-3--偏振片应用(看立体电影); ?光反射与折射时的偏振--布儒斯特定律(两种表述)--玻璃片堆?消除反 射偏振光--例题--小结?作业布置。 教学内容:光的偏振性;自然光、偏振光、部分偏振光、偏振片、起偏与 检偏;马吕斯定律、反射和折射的偏振态;布儒斯特定律; 教学要求: 1.理解光的偏振性,理解自然光与偏振光的概念及表示方法2.理 解线偏振光获得和检验方法(起偏与检偏);掌握马吕斯定律及应用。 3.理解光在反射和折射时偏振态的变化,掌握布儒斯特定律并会应用解题。 15-7 光的偏振现象 2012.5.24 2 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 光的波动性 光的干涉、衍射光波是横波光的偏振机 械 波 穿 过 狭 缝 偏振现象是横波独有的特性,光的偏振现象说明光是横波。 机 械 横 波 与 纵 波 的 区 别 3上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 一、横波的偏振性 振动面:通过波的传播方向且包含振动矢量的平面。 偏振: 波的振动方向相对传播方向的不对称性。 光矢量 振动面 v 0 H E 光的偏振态: 光矢量在与光传播方向垂直的 平面内的振动状态。 15.7.1 自然光 偏振光 4上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 二、自然光 一束自然光可分解为两束振动方向相互垂 直的、等幅的、不相干的线偏振光。 自然光的表示法: 自然光 :一般光源发出的光,包含各个方向的光矢量在所有 可能的方向上的振幅都相等既有时间分布的均匀性,又有 空间分布的均匀性。 符号表示 自然光可用两个相互独立、没有固 定相位关系、等振幅且振动方向相 互垂直的线偏振光表示。 5上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 三、偏振光(线偏振光) 1.线偏振光---光振动只沿某一固定方向的光振动面 v E 2.部分偏振光 :某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动 占优势的光为部分偏振光光振动平行板面 光振动垂直板面? 线偏振光符号表示: 符号表示 平行板面的光振动较强 垂直板面的光振动较强 面对光的传播方向观察 6上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 偏振化方向 : 当自然光照射在偏振片上时,它只让某一 特定方向的光通过,这个方向叫此偏振片的偏振化方向 起 偏 02 1 I 偏振化方向 0I 起偏器 2、起偏:使自然光(或非偏振光)变成线偏振光的过程。 15.7.2 偏振片 马吕斯定律 1、偏振片: 二向色性 :某些物质能吸收某一方向的光振动 ,而只让与这 个方向垂直的光振动通过, 这种性质称二向色性 偏振片 :涂有二向色性材料 的透明薄片7上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 检偏器 检 偏 起偏器 3、检偏:检查入射光的偏振性。 将待检查的入射光垂直入射偏振片,缓慢转动偏振片,观 察光强的变化,确定光的偏振性。 8上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先. 起偏器 检偏器 自然光 线偏振光 偏振光通过旋转的检偏器, 光强发生变化 9上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先. 起偏器 检偏器 自然光 线偏振光 偏振光通过旋转的检偏器, 光强发生变化 10 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先. 起偏器 检偏器 自然光 线偏振光 偏振光通过旋转的检偏器, 光强发生变化 11 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先. 起偏器 检偏器 自然光 线偏振光 偏振光通过旋转的检偏器, 光强发生变化 12 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先. 起偏器 检偏器 自然光 线偏振光 偏振光通过旋转的检偏器, 光强发生变化 13 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先. 起偏器 检偏器 自然光 线偏振光 偏振光通过旋转的检偏器, 光强发生变化 14 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先. 起偏器 检偏器 自然光 线偏振光 偏振光通过旋转的检偏器, 光强发生变化 15 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先. 起偏器 检偏器 自然光 线偏振光 偏振光通过旋转的检偏器, 光强发生变化 两偏振片的偏振化方向相互垂直 光强为零 16 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先. 检偏器 自然光通过旋转的检偏器,光强不变 自然光 17 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先. 检偏器 自然光 自然光通过旋转的检偏器,光强不变 18 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先. 检偏器 自然光 自然光通过旋转的检偏器,光强不变 19 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先. 检偏器 自然光 自然光通过旋转的检偏器,光强不变 20 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 α N M 2 马吕斯定律(1880 年) E 0E αcos0EE 2 0 2 0 E E I I 检偏器起偏器 0I I E 0E N M ----马吕斯定律 α 2 0 cosII 如果入射线偏振光的光强为I 0 ,透过检 偏器后,透射光的光强I为 α---线偏振光的振动方向与检偏器的透光轴方向 之间的夹角。 αsinE0αcosE0 ? 消光 0π0 IIIα ,1 当 讨论: 0 2 3π 2 π Iα ,2 当 偏振化方向 21 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先解设两束单色自然光的强度分别为I10 和 I20 经过起偏器后光强分别为 和 2 20I 2 10I 经过检偏器后 o30cos 2 210 1 I I o60cos 2 220 2 I I 3 1 60cos 30cos 2 2 20 10 21 ? o o Q I I II 例 1 有两个偏振片,一个用作起偏器, 一个用作检偏 器.当它们偏振化方向间的夹角为 时 , 一束单色自然光穿 过它们, 出射光强为 ; 当它们偏振化方向间的夹角为 600时,另一束单 色自然光穿过它们 , 出射光强为 且求两束单色自然光的强度之比o30 1I 2I 21 II 22 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 α 2 12 cosII 3p1p 0I 0I 1I 3p2p1p 2I 3I 2p α 3p 1p 01 2 1 II α 20 cos 2 I 在两块正交偏振片p1,p3 之间插入另一块偏振片p2 ,光 强为I 0 的自然光垂直入射于偏振片p1 ,讨论转动p2 透过p3 的光 强I与转角的关系讨论 23 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 2 π cos223 α? IIα 20 2 cos2 I I ααα 22 0 2 23 sincos2 1 sin III α2sin 8 1 2 03 II 0I 1I 3p2p1p 2I 3I 2p α 3p 1p 24 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 解:依题意 0I 2 0I I ′ 1I α 2 1 cosII ′ ?′ 60cos 2 I I ′ 4 1 14 II ′? I ′ I I ′′ ?′′′ 30cos 2II ? 30cos4 21I 13I ?′′ 4 3 330cos 1 2 III 14 9 I 例2,15-24类似.已知自然光通过两个偏振化方向相交60?的偏 振片,透射光强为I1,今在 这两偏振片之间再插入另一偏振 片,它的偏振化方向与前两个偏振片的偏振化方向均夹30?角, 则透射光强为多少? 25 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 解:设入射光强度:I0 ; 自然光强度:I10 ; 偏振光强度:I20 20100 III + 设通过偏振片后的光强分别为:I , I1 , I2 101 2 1 II α 2 202 cosII α 2 201021 cos2 1 IIIII ++ 2010 2 1 0 IIII +? 时α 10min 2 1 90 III ?? 时α min 5 II 102010 2 1 5 2 1 III ×+? 1020 2II 3 1 0 10 I I 3 2 0 20 I I 20100 III + 21 III + 例3 15-25类似.一束光由自然光 和线偏振光混合组成,当它通过 一偏振片时,发现透射光的强度 随偏振片的转动可以变化到5倍. 求入射光中自然光和线偏振光的 强度各占入射光强度的几分之 几? 26 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 偏振片的应用 立体电影 27 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 入射面 入射光线和法线所成 的平面反射光 部分偏振光,垂直 于入射面的振动大于平行于 入射面的振动1、光反射与折射时的偏振 空气 i 1n i 玻璃 2n γ 15.8 反射光和折射光的偏振、布儒斯特定律 自然光 部分偏振光 部分 偏振光 反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化 折射光部分偏振光,平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动2、布儒 斯特定律 1 2 0tan n n i 当时,反射光为完全偏振光,且 振动面垂直入射面,折射光为部分偏振光. 0i 起偏振角 布儒斯特角 28 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 1反射光和折射光互相垂直1 20 sin sin n ni γ 0 0 1 2 0 cos sin tan i i n n i 2 π cossincos 0 γγ ?i 20 π γ +i 3、讨论 i 0 ? 布儒斯特角或起偏角 当 i0+γ90o 时,反射光为线偏振光---布儒斯特定律 注意: 线偏振光? 2n 1n γ 很小反I b i b i29 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 γtan 2 π tancot 0 2 1 0 ? i n n i 2根据光的可逆性,当入射光以角从介质入射于界面时,此角即为布儒斯特 角γ γ 2n 1n γ γ 2n玻 璃 0i 0i 1n 玻璃 2n 0i γ 例如 n1 1.00空气, n2 1.50玻璃,则 8156 00.1 50.1 arctan ′ o b i空气 玻璃 2433 50.1 00.1 arctan ′ o b i 玻璃 空气 30 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 注意 对于一般的光学玻璃 , 反射光的强度约占入射 光强度的7.5% , 大部分光将透过玻璃. 利用玻璃片堆产生线偏振光 0i 折射线偏振光 反射光能量很小 最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光 31 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 讨论 讨论光线的反射和折射起偏角 0i 0i 0i 0i i i i 32 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 例一自然光自空气射向一块平板玻 璃,入射角为布儒斯特角 ,问 在界面 2 的 反射光是什么光? 0i 0i 0i 1n 1 空气 玻璃 2n 2 γ 33 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先注意:一次起 偏垂直入射面的振动 仅很小部分被反射 (约15%)所以反射 偏振光很弱 .一般应 用玻璃片堆产生偏振 光. 0i 0i 1n 1 空气 玻璃 2n 2 γ 在界面 2 的反射光也是偏振光。 34 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先用偏光镜消除了 反射偏振光,使玻 璃门内的人物清晰 可见. 35 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 光的偏振 小 结 一、自然光 、 线偏振光、部分偏振光 ; 二、起偏和检偏 偏振片偏振化方向 三、马吕斯定律 α 2 0 cosII 光强为I0的线偏振光,透过偏振片后,透射强度为: 五、布儒斯特定律 若 ,则反射光是光振动垂直于入射面的线偏振 光,折射光仍为部分偏振光, 且折射光和反射光的传播方向相互垂直。 tan 1 2 0 n n i 四、反射光和折射光都是部分偏振光 α---线偏振光的振动方向与检偏 器的透光轴方向 之间的夹角。 36 上 海 第 二 工 业 大 学 刘 传 先 作业提示: 15-24: 强度为I0的自然光通过偏振片后,变为光强度 I0/2的线偏振光;用马吕斯定律求解。 15-25:解法与15-24相同; 15-27:用布儒斯特定律求解; 15-28:自然光只有用布儒斯特角入射时,反射光才 是线偏振光; tan 1 2 0 n n i