1、本章内容本章内容15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生15.5 晶体偏振器件晶体偏振器件15.6 偏振的矩阵表示偏振的矩阵表示15.7 偏振光的变换和测定偏振光的变换和测定15.8 偏振光的干涉偏振光的干涉*15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n回顾两个回顾两个频率相同振动方向垂直频率相同振动方向垂直的单色光波的叠加的单色光波的叠加n 合振动的大小和方向随时间合振动的大小和方向随时间有规律地变化有规律地变化 偏振态偏振态取决于：取决于：)cos()cos(2211tkraEtkraEyx，设设：（正交分量）（正交分量）EyEx)cos()cos(2211tkraytkraxyExEEyxEy
2、Ex3 /2 2 EyEx =0EyEx0 /2EyEx = /2EyEx /2 EyEx = EyEx 3 /2EyEx =3 /212aa振振幅幅比比：1212krkr 相位差：相位差：15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n偏振光偏振光 v.s. 自然光自然光n按偏振性，光一般可分为按偏振性，光一般可分为偏振光偏振光、自然光自然光和和部分偏振光部分偏振光n偏振光：光矢量的偏振光：光矢量的大小和方向有规则变化大小和方向有规则变化的光的光 由两个振动方向由两个振动方向垂直垂直、相位有关联相位有关联的分量合成的分量合成n自然光：光矢量的自然光：光矢量的大小和在各个方向上振动的几率相同大小和在各
3、个方向上振动的几率相同 由两个振动方向由两个振动方向垂直垂直、相位无关联相位无关联的分量合成的分量合成n部分偏振光：光矢量在各个振动方向上的大小不等部分偏振光：光矢量在各个振动方向上的大小不等 使某一方向的振动比其他方向占优势使某一方向的振动比其他方向占优势00yExEEyx即：即：（偏振光方程）（偏振光方程）)(exp)exp(21kziaEikzaEyx，其中：其中：15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n偏振光偏振光 v.s. 自然光自然光1. 偏振光偏振光： 特点：光矢量的大小和方向有规则变化特点：光矢量的大小和方向有规则变化 根据根据变化规律变化规律分类：分类： 线偏振光：线偏振光：
4、光矢量方向不变，大小呈余弦变化光矢量方向不变，大小呈余弦变化 矢量末端轨迹为直线矢量末端轨迹为直线 圆偏振光：圆偏振光：大小不变，方向绕传播方向匀速转动大小不变，方向绕传播方向匀速转动 矢量末端轨迹为圆矢量末端轨迹为圆 椭圆偏振光：椭圆偏振光：大小和方向都在有规律地变化大小和方向都在有规律地变化 矢量末端轨迹为椭圆矢量末端轨迹为椭圆（Polarized Light）EyExzy x15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n偏振光偏振光 v.s. 自然光自然光1）线偏振光线偏振光： 【例例】如如a2=0时，光矢量时，光矢量 定义定义振动平面振动平面： 光矢量与传播方向组成的平光矢量与传播方向组成的
5、平 面称为线偏振光的振动平面面称为线偏振光的振动平面（Linearly Polarized Light）)exp()(exp)exp(221ikzakziaEikzaEyx，即：即：or0条件：正交分量相位差条件：正交分量相位差（偏振方向）（偏振方向）)exp()(020100ikzyaxayExEEyx01)exp(xikzaE EyExzy x15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n偏振光偏振光 v.s. 自然光自然光2）圆偏振光圆偏振光：（Circularly Polarized Light）)2/(exp)exp(11kziaEikzaEyx，即：即：2/21、相位差、相位差条件：正交
6、分量振幅条件：正交分量振幅aa)sin()cos(11kzaEkzaEyx，)tan(tan2122kzEEaEExyyx，右旋右旋2)exp(1ikzia（沿（沿-z方向看方向看 顺时针）顺时针）EyEx15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n偏振光偏振光 v.s. 自然光自然光3）椭圆偏振光椭圆偏振光：（Elliptically Polarized Light）zy xor021、相位差、相位差条件：正交分量振幅条件：正交分量振幅aa221222212sincos2aEaEaEaEyxyx2右旋右旋)(exp)exp(21kziaEikzaEyx，即：即：（沿（沿-z方向看方向看 顺时针）
7、顺时针）15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n偏振光偏振光 v.s. 自然光自然光2. 自然光自然光： 特点：振动方向无规则；各振动方向上强度相等特点：振动方向无规则；各振动方向上强度相等 表示：由两个振动方向垂直、表示：由两个振动方向垂直、振幅相等振幅相等的分量合成的分量合成 但两分量的但两分量的相位无关联相位无关联3. 部分偏振光部分偏振光： 特点：振动方向无规则特点：振动方向无规则 各方向强度不等各方向强度不等 某一方向振动占优势某一方向振动占优势（自然光传播自然光传播时受时受外界作用外界作用所致所致）（Natural Light）（Partial Polarized Light）15
8、.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n偏振光偏振光 v.s. 自然光自然光n部分偏振光的部分偏振光的偏振度偏振度概念：概念：部分偏振光部分偏振光 =（完全）偏振光（完全）偏振光 + 自然光自然光其中偏振光的强度：其中偏振光的强度： 偏振度：偏振度：minmaxminmaxIIIIIIPP总总minmaxIIIP15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n偏振光的产生方法偏振光的产生方法 n主要方法：反射和折射、二向色性、散射、双折射主要方法：反射和折射、二向色性、散射、双折射1.反射和折射反射和折射方法产生偏振光：方法产生偏振光：由麦克斯韦方程组和电磁场边界条件由麦克斯韦方程组和电磁场边界条件 菲涅
9、耳公式菲涅耳公式：E1pn2 1n1xzo 1 2E 1pE2pE 1sE2s s波：振动方向波：振动方向 入射面入射面 p波：波：振动方向振动方向 / 入射面入射面)sin(cossin2)sin()sin(211212212111ssssssAAtAAr)cos()sin(cossin2)tan()(tan21211212212111ppppppAAtAArs波波p波波E1s15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n偏振光的产生方法偏振光的产生方法 n主要方法：反射和折射、二向色性、散射、双折射主要方法：反射和折射、二向色性、散射、双折射1.反射和折射反射和折射方法产生偏振光：方法产生偏振光
10、：由麦克斯韦方程组和电磁场边界条件由麦克斯韦方程组和电磁场边界条件 菲涅耳公式菲涅耳公式：)sin(cossin2)sin()sin(211212212111ssssssAAtAAr)cos()sin(cossin2)(tan)(tan21211212212111ppppppAAtAArs波波p波波02/ 21pr时，时，当当121arctannnB12212221sinsinsincoscottannn此时：此时：（反射光无（反射光无p分量）分量）15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n偏振光的产生方法偏振光的产生方法 n主要方法：反射和折射、二向色性、散射、双折射主要方法：反射和折射、二向
11、色性、散射、双折射1.反射和折射反射和折射方法产生偏振光：方法产生偏振光：布儒斯特定律：布儒斯特定律： 当自然光投射到两种介质的分界面上时，若入射角和折射角满当自然光投射到两种介质的分界面上时，若入射角和折射角满足关系足关系 1+ 2= /2，则反射光中没有振动方向平行于入射面的分量。则反射光中没有振动方向平行于入射面的分量。 此时的入射角此时的入射角 ，称为，称为布儒斯特角布儒斯特角（Brewsters Law ）)/arctan(121nnB)cos()sin(cossin2)(tan)(tan21211212212111ppppppAAtAArp波波02/ 21pr时，时，当当121ar
12、ctannnB12212221sinsinsincoscottannn此时：此时：（反射光无（反射光无p分量）分量）15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n偏振光的产生方法偏振光的产生方法 n主要方法：反射和折射、二向色性、散射、双折射主要方法：反射和折射、二向色性、散射、双折射1.反射和折射反射和折射方法产生偏振光：方法产生偏振光：即自然光即自然光以布儒斯特角入射以布儒斯特角入射时，得到：时，得到：1）反射光：反射光：线偏振光线偏振光 偏振方向垂直入射面偏振方向垂直入射面2）透射光：透射光：部分偏振光部分偏振光 平行入射面方向的振动占优势平行入射面方向的振动占优势 且偏振度且偏振度P一般较高
13、一般较高n2 Bn1xzo B90 B15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n偏振光的产生方法偏振光的产生方法 n主要方法：反射和折射、二向色性、散射、双折射主要方法：反射和折射、二向色性、散射、双折射1.反射和折射反射和折射方法产生偏振光：方法产生偏振光：实例实例1：用：用玻璃片堆玻璃片堆获得偏振光获得偏振光 B15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n偏振光的产生方法偏振光的产生方法 n主要方法：反射和折射、二向色性、散射、双折射主要方法：反射和折射、二向色性、散射、双折射1.反射和折射反射和折射方法产生偏振光：方法产生偏振光：实例实例2：偏振分光镜偏振分光镜思考：思考：膜层材料、厚度膜层材
14、料、厚度 层数等如何定？层数等如何定？ZnS (nH)冰晶石冰晶石(nL)n345 2LHmnh2cos22o3sin45sinsinHHLLnnn15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n偏振光的产生方法偏振光的产生方法 n主要方法：反射和折射、二向色性、散射、双折射主要方法：反射和折射、二向色性、散射、双折射2.利用利用二向色性二向色性产生偏振光：产生偏振光：二向色性：二向色性：某些各向异性晶体对某些各向异性晶体对不同振动方向不同振动方向的偏振光有的偏振光有不同的不同的 吸收系数吸收系数的性质的性质晶体的二向色性与波长有关，即具有选择吸收特性晶体的二向色性与波长有关，即具有选择吸收特性一些各
15、向同性介质受外界作用可产生各向异性，并具有二向色性一些各向同性介质受外界作用可产生各向异性，并具有二向色性利用该性质可制备利用该性质可制备人造偏振片人造偏振片，如：，如：H偏振片：聚乙烯醇薄膜偏振片：聚乙烯醇薄膜 + 碘溶液碘溶液 拉伸拉伸K偏振片：聚乙烯醇薄膜偏振片：聚乙烯醇薄膜 + 氯化氢氯化氢 加热加热15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n偏振光的产生方法偏振光的产生方法 n主要方法：反射和折射、二向色性、散射、双折射主要方法：反射和折射、二向色性、散射、双折射3.利用利用散射散射产生偏振光：产生偏振光：光的散射：光的散射：由于物质（气体、液体或固体）中存在的微小粒子对由于物质（气体、
16、液体或固体）中存在的微小粒子对 光束的作用，使光波偏离原传播方向而向四周散开的光束的作用，使光波偏离原传播方向而向四周散开的 现象现象性质：性质：一束非偏振光入射到气体上，被散射到与入射光束垂直方向一束非偏振光入射到气体上，被散射到与入射光束垂直方向 上的光是线偏振光，振动方向在光线传播方向的垂直平面内上的光是线偏振光，振动方向在光线传播方向的垂直平面内4.利用利用双折射晶体双折射晶体产生偏振光：产生偏振光：什么是双折射？什么是双折射？如何产生偏振光？如何产生偏振光？（15.5 ）方解石晶体方解石晶体15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n晶体的晶体的双折射双折射现象现象n光束在某些晶体中传播
17、时，由于晶体对两个相互垂直的光束在某些晶体中传播时，由于晶体对两个相互垂直的振动分量折射率不同而产生振动分量折射率不同而产生两束折射光两束折射光，称为，称为双折射双折射n寻常光寻常光与与非寻常光非寻常光：两束折射光中，两束折射光中， 寻常光寻常光：遵守折射定律遵守折射定律（o光）光） 非寻常光非寻常光：一般不遵守一般不遵守折射定律（折射定律（e光）光）注意：注意：1. o光和光和e光与晶体密不可分光与晶体密不可分 2. 遵守折射定律的含义：遵守折射定律的含义： A. 角度关系；角度关系；B. 入射光线和折射光线与法线在同一平面入射光线和折射光线与法线在同一平面（CaCO3）15.1 偏振光及其
18、产生偏振光及其产生n晶体的晶体的双折射双折射现象现象n双折射晶体的双折射晶体的光轴：光轴：晶体中的一个特殊晶体中的一个特殊方向方向光束沿光轴传播光束沿光轴传播不发生双折射不发生双折射 o光和光和e光均遵守折射定律光均遵守折射定律 且有：且有：vo=ven主平面：主平面：光线光线和和光轴光轴所组成的平面所组成的平面n主截面：主截面：光轴光轴和晶体和晶体表面法线表面法线组成的平面组成的平面方解石晶体的结构方解石晶体的结构光轴光轴o光主平面光主平面e光主平面光主平面o光和光和e光主平面一般光主平面一般不同；但当入射光线不同；但当入射光线在主截面内时，在主截面内时， o光光和和e光主平面重合光主平面重
19、合（各棱等长时）（各棱等长时）15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n晶体的晶体的双折射双折射现象现象n入射光在主截面内的情形：入射光在主截面内的情形： 此时此时o光和光和e光主平面也均与主截面重合光主平面也均与主截面重合2 n表面法线表面法线1 n15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n晶体的晶体的双折射双折射现象现象no光光与与e光的光的偏振态偏振态：no光和光和e光均为光均为线偏振光线偏振光n振动方向：振动方向： o光：与光：与o光主平面光主平面垂直垂直 总是总是与光轴垂直与光轴垂直 e光：在光：在e光主平面内光主平面内 与光轴夹角和传播方向有关与光轴夹角和传播方向有关n若入射光线在主截
20、面内，主平面与主截面重合，则：若入射光线在主截面内，主平面与主截面重合，则： o光振动方向垂直于主截面光振动方向垂直于主截面 e光振动方向在主截面内光振动方向在主截面内15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n单色平面波在晶体中的传播单色平面波在晶体中的传播n晶体的双折射现象晶体的双折射现象 晶体在光学上的各向异性晶体在光学上的各向异性即：对不同方向的光振动表现出不同的性质即：对不同方向的光振动表现出不同的性质具体：振动方向互相垂直的两个线偏振光，在晶体中传播速度不同具体：振动方向互相垂直的两个线偏振光，在晶体中传播速度不同n本质：本质：晶体与入射光电磁场相互作用的各向异性晶体与入射光电磁场相互
21、作用的各向异性n电磁场与介质相互作用的描述：电磁场与介质相互作用的描述：电位移矢量电位移矢量n各向同性介质：各向同性介质：n各向异性介质：各向异性介质： 波面法线速度（相速度）波面法线速度（相速度） 能量传播速度能量传播速度 （光线速度）（光线速度）EEDr0ED/ED/一般一般用介电张量描述用介电张量描述Skvv/15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n单色平面波在晶体中的传播单色平面波在晶体中的传播n对应一个对应一个k有两种不同折射率的光波：有两种不同折射率的光波：n双折射晶体的分类：双折射晶体的分类：光轴光轴e光光o光光e光光o光光（o光波面光波面=球面；球面；e光波面光波面=椭球面）椭
22、球面）onn 12/122222)cossin(eoeonnnnneonnnn22900时，时，时，时，（o光）光）（e光）光）（其中：（其中： 为为 k 与光轴夹角与光轴夹角）（但沿着光轴无双折射！）（但沿着光轴无双折射！）正晶体正晶体：nove负晶体负晶体：none vove15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n马吕斯定律和消光比马吕斯定律和消光比n几个概念：几个概念：n起偏器：用来产生偏振光的偏振器件起偏器：用来产生偏振光的偏振器件n检偏器：用来检验偏振光的偏振器件检偏器：用来检验偏振光的偏振器件n透光轴：偏振器允许透过的光矢量的方向透光轴：偏振器允许透过的光矢量的方向n马吕斯定律：马
23、吕斯定律：若入射线偏振光的电矢量振动方若入射线偏振光的电矢量振动方向和检偏器的透光轴成向和检偏器的透光轴成 角，则角，则通过检偏器后的光强通过检偏器后的光强 I 为：为：20cosII I0yx（透（透光轴方向光轴方向）（Polarizer）（Analyser）cos0Asin0A15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n马吕斯定律和消光比马吕斯定律和消光比n验证马吕斯定律的实验装置：验证马吕斯定律的实验装置： 自然光自然光起偏器起偏器检偏器检偏器光电接收器光电接收器P1P2A0cos 线偏振光线偏振光15.1 偏振光及其产生偏振光及其产生n马吕斯定律和消光比马吕斯定律和消光比n验证马吕斯定律的实验装置：验证马吕斯定律的实验装置：n定义定义消光比消光比：最小透射光强和最大透射光强之比：最小透射光强和最大透射光强之比n练习：练习：P529 No.1、No.315.1 偏振光及其产生偏振光及其产生
