光学5(光的偏振)

§12.9

光的偏振横波和纵波都能产生干涉和衍射现象，而偏振是横波所特有的性质。光的偏振现象表明光是横波。波的振动方向相对于传播方向的不对称性，叫偏振。S自然光

普通光源发出的光，光矢量E在垂直于传播方向的平面内的取向完全随机分布，没有哪一个方向占优势。从统计上看E

的平均振幅在平面内沿任一方向都相等，这样的光叫自然光。XYZXYZOZO一、自然光与偏振光简单表示法

自然光经过某些物质的反射、折射或吸收后，可能只保留某一方向的光振动。这种只有某一固定方向振动的光叫做线偏振光或完全偏振光，简称偏振光。完全偏振光光振动平行屏幕光振动垂直屏幕振动面u部分偏振光垂直屏幕的光振动较强平行屏幕的光振动较强部分偏振光的各方向光矢量之间也没有固定的相位关系，可以把部分偏振光看成是线偏振光与自然光的叠加。椭圆偏振光：在传播过程中，光矢量围绕传播方向旋转，其末端在垂直于传播方向的平面上的投影是一椭圆。椭圆偏振光和圆偏振光圆偏振光：光矢量末端在垂直于传播方向的平面上的投影是圆。

右旋椭圆偏振光：迎着光的前进方向看时，光矢量顺时针旋转。

左旋椭圆偏振光：迎着光的前进方向看时，光矢量逆时针旋转。

右旋椭圆偏振光二、反射和折射时光的偏振自然光反射和折射后，反射光和折射光都变成部分偏振光。布儒斯特定律

(i0—布儒斯特角或起偏角)时，反射光为线偏振光反射光与折射光互相垂直，即：Brewster(1781—1868)（3）玻璃片堆：线偏振光（2）虽然入射角为布儒斯特角时，反射光是E矢量垂直于入射面的线偏振光，但反射光中的垂直分量只占入射光中全部垂直分量的15%，即反射偏振光非常微弱，此时折射光依然是部分偏振光。（1）反射光、折射光的偏振化程度随入射角i而变。讨论可提高反射光强度和折射光偏振化程度。例：下图中折射光和反射光各属于什么性质的光？i0ii0ii0i三、晶体双折射

《双折射狂欢》摄影：KatrinaPutker

2007年尤里卡科学摄影大赛的获奖作品。此图利用了双折射的光学现象：光穿过某种物质时，会经历两个折射率，产生彩虹效应。这一技术被应用到类似的餐桌背景中，作者用手对塑料材料进行了挤压，以提高整体效果。

方解石双折射现象

o光e光寻常光和非常光两折射光线中，一条遵从折射定律，称为寻常光，简称o光(Ordinary)；

另一条一般不在入射面内，其传播速度随入射光方向的不同而变化，不遵从折射定律，这条折射光称为非常光，简称e光(Extraordinary)。光线入射到各向异性介质后，出现两条折射光线的现象。o光和e光只有在双折射晶体的内部才有意义；两者都是线偏振光。如：方解石、石英、电气石、红宝石等。晶体的光轴：

光线沿晶体内某个特殊方向传播时，不产生双折射现象，这个方向称为晶体的光轴。光轴是一特殊的方向,凡平行于此方向的直线均为光轴；几何光学中透镜的光轴指通过透镜中心的直线。单轴晶体：只有一个光轴的晶体。双轴晶体:

有两个光轴的晶体。如方解石、石英、红宝石等。如云母、硫磺等。石英红宝石方解石云母正晶体和负晶体o光在各个方向上的传播速度相同：e光在各方向上的传播速度不相同：沿光轴方向：沿垂直光轴方向：其中no

，ne

叫作晶体的主折射率。正晶体：e光的波面是长椭球。负晶体：e光的波面是扁椭球。正晶体光轴负晶体o光e光光轴e光光轴

e

光的主平面o光光轴

o

光的主平面··光轴在入射面时,该入射面就称之为主截面。此时o光主平面和e

光主平面重合,此时o光振动和e

光振动相互垂直。一般情况下，两个主平面夹角很小，故可认为o光振动和e光振动仍然相互垂直。(o光振动垂直o

光主平面)(e

光振动平行于e

光主平面)主平面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面.光轴与

o

光构成的平面叫

o光主平面.光轴与

e

光构成的平面叫

e光主平面.晶体偏振器1.尼科耳棱镜尼科耳棱镜既可以作为起偏器，又可以作为检偏器。o光e光光轴加拿大树胶上述两种棱镜得到的偏振光质量非常好，但棱镜本身价格很高，因而使用较少。o光e光2.渥拉斯顿棱镜负晶体四、偏振片的起偏与检偏马吕斯定律偏振片晶体（如硫酸金鸡钠硷）对相互垂直的两个光振动分量具有选择吸收的性能，称为二向色性。将这种晶体涂敷于透明薄片上，就成为偏振片。偏振片是常用的起偏器和检偏器，每个偏振片上都标有偏振化方向。自然光I0线偏振光I偏振化方向线偏振光I'起偏器检偏器马吕斯定律(马吕斯定律)消光现象当当(分析透过起偏器或检偏器的光强)公式中入射光必须是线偏振光，不是自然光。Malus

(1775-1812)

用偏振片检验光的偏振态消光线偏振光强度变，无消光部分偏振光强度不变自然光偏振化方向偏振片转一周五、偏振光的应用1、制作偏振摄像镜头、太阳镜等光学器件。

在雪地、海洋上或夏日阳光充足的白天，反射光很强，由于光是横波，所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此，为保护视力，可戴一副只能透射竖直方向偏振光的眼镜，或在望远镜前加偏振片，可以便可挡住部分的散射光。

在强光下摄影时，反光强烈，为使成像后光线谐调、柔和，可在摄影机前头加偏振片，旋转偏振片可减少入射的反射光光强。相机镜头加偏振片前后照片对比2、汽车车灯、车窗、飞机舷窗等的制作。汽车夜间汇车时，为了避免双方车灯的眩目，司机需要打近光，放慢车速，以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成450角，那么，司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，既不要熄灯，也不要减速，可以保证安全行车。在大房间内的风洞上装上两块可自由旋转的偏振片，可使室内光线具有浪漫色彩。3、观看立体电影拍摄立体电影时，用两个摄影机从不同方向同时分别拍下同一物体的两个画像，放映时把两个画像同时映在银幕上。每个放像机镜头上放一个偏振片，两个偏振片的偏振化方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜，左、右眼偏振片的偏振化方向分别与左、右放像机上的偏振化方向相同，这样，银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体化的影像了。

人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的，但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。比如蜜蜂有五支眼，三支复眼、两支复眼，每个复眼包含有6300个小眼，这些小眼能根据太阳的偏光确定太阳的方位，然后以太阳为定向标来判断方向，所以蜜蜂可以准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛。4、生物的生理机能与偏振光

再如在沙漠中，如果不带罗盘，人是会迷路的，但是沙漠中有一种蚂蚁，它能利用天空中的紫外偏光导航，因而不会迷路。至少需要两块理想偏振片,如右图所示。其中P1透光轴与线偏振光振动方向的夹角为α，第二块偏振片透光轴与P1透光轴夹角为(90o－α)。设入射线偏振光原来的光强为I0，则透射光强解例要使一束线偏振光通过偏振片后振动方向转过90°，至少需要让这束光通过几块理想偏振片？在此情况下，透射光强最大是原来光强的多少倍？当时，设自然光的光强为I0,偏振光的光强为I一束自然光和线偏振光的混合光，垂直通过一偏振片。当偏振片以光线为轴旋转一周时,发现其最大光强为最小光强的5倍。解例求入射光中两种光线光强的比值入射光中自然光与线偏振光的光强之比为1/2解例求有两个偏振片，一个用作起偏器，一个用作检偏器。当它们的偏振化方向之间的夹角为30o时，一束单色自然光穿过它们，出射光强为I1

；当它们的偏振化方向之间的夹角为60o时，另一束单色自然光穿过它们，出射光强为I2

，且I1=I2

。两束单色自然光的强度之比。

设第一束单色自然光的强度为I10

，第二束单色自然光的强度为I20

，根据马吕斯定律

(1)

无吸收时，有(1)两偏振片对光振动平行于其偏振化方向的光线均无吸收(2)

有吸收时，有(2)

两偏振片对光振动平行于其偏振化方向的光线分别吸收了10%

的能量透射光的光强与入射光的光强之比是多大？平行放置两偏振片，使它们的偏振化方向成60夹角。让自然光垂直入射后,下列两种情况下：解例求（1）该材料的折射率;已知某材料在空气中的布儒斯特角（1）设该材料的折射率为n，空气的折射率为1，(2)放在水中，则对应有(3)该材料对水的相对折射率为解例求（2）若将它放在水中（n水=1.33），求布儒斯特角;（3）该材料对水的相对折射率是多少？对吗？用方解石切割成正三角形截面的棱镜，自然光以i角入射，定性画出o光、e光的振动方向和传播方向。光轴方解石为负晶体，则在垂直于光轴的方向上ve>voo光e光ie光o光o光、e光只在晶体内部才有意义！只有在晶体内部才有意义例解DavidBrewster1781--1868苏格兰物理学家，主要从事光学方面的研究：(1)1812年发现了布儒斯特定律；(2)发现人为各向异性介质中的双折射；(3)1816年发明万花筒；1818年发现双轴晶体，1826年制造出马蹄形电磁铁，1835年制造出灯塔用透镜，1849年改进了体视镜。KaleidoscopesEtienneLouisMalus(1775-1812)

(2)研制成一系列偏振仪器。法国物理学家及军事工程师，主要从事光学方面的研究。(1)1808年发现反射光的偏振，确定了偏振光强度变化的规律，即马吕斯定律；(3)1811年，他与J.毕奥各自独立地发现折射时光的偏振，提出了确定晶体光轴的方法；