1、2020物理競賽光的偏振1712 光的偏振性 馬呂斯定律1713 反射光和折射光的偏振1714 雙折射 偏振棱鏡1715 旋光現象1716 偏振光的干涉1717 非線性光學現象2020物理競賽光的偏振1712 光的偏振性 馬呂斯定復 習圓孔衍射 光學儀器的分辨率衍射光柵X射線的衍射全息照相復 習圓孔衍射 光學儀器的分辨率一、光的偏振性1、橫波和縱波的區別偏振縱波：振動方向與傳播方向一致，不存在偏振問題； 橫波：垂直，存在偏振問題。定義：振動方向對于傳播方向的不對稱性稱為偏振性。說明：只有橫波才具有偏振現象，偏振現象是橫波區別于縱波的最明顯的特征。1712 光的偏振性 馬呂斯定律一、光的偏振性1

2、、橫波和縱波的區別偏振定義：振動方向對于2、光的偏振性：對于平面電磁波，電場強度矢量光矢量的振動方向于傳播方向垂直。光矢量的振動方向總是與光的傳播方向垂直的，即光矢量的橫向振動狀態，相對于傳播方向不具有對稱性，這種光矢量的振動相對于傳播方向的不對稱性，稱為光的偏振性。光的偏振性說明光波是橫波2、光的偏振性：光矢量的振動方向總是與光的傳播方向垂直的，即二、偏振態的分類1、自然光 各個方向上光振動振幅相同的光，稱為自然光。特點：在所有可能的方向上，光矢量的振幅都相等；自然光可分解為振動方向相互垂直但取向任意的兩個線偏振光，它們振幅相等，沒有確定的相位關系，各占總光強的一半。自然光的表示方法：圓點與

3、短線等距離地交錯、均勻地畫出。.xy二、偏振態的分類1、自然光 特點：.xy2、線偏振光定義：在垂直于傳播方向的平面內，光矢量只沿某一個固定方向振動，則稱為線偏振光，又稱為平面偏振光或線偏振光。3、部分偏振光定義：光波中不同方向上的光振動振幅不等，在某一方向上振幅最大，而與之垂直的方向上的振幅最小，則稱為部分偏振光。特點：部分偏振光兩垂直方向光振動之間無固定的相位差。偏振光的表示法部分偏振光的表示法2、線偏振光定義：在垂直于傳播方向的平面內，光矢量只沿某一個4、橢圓偏振光和圓偏振光： 光矢量末端的運動軌跡是橢圓或圓。圓偏振光線偏光橢圓偏振光在迎光矢量圖上，光矢量端點沿逆時針方向旋轉的稱為左旋偏

4、振光；沿順時針方向旋轉的稱為右旋偏振光。4、橢圓偏振光和圓偏振光：圓偏振光線偏光橢在迎光矢量圖上，光三、偏振度1、定義：若與最大和最小振幅對應的光強分別為Imax和Imin，則偏振度的定義為2、光的偏振度自然光： Imax=Imin，P=0，偏振度最??；線偏振光： Imin=0，P=1，偏振度最大；部分偏振光： 0P1。三、偏振度1、定義：2、光的偏振度四、偏振片 起偏和檢偏1、基本概念普通光源發出的是自然光，用于從自然光中獲得偏振光的器件稱為起偏器。人的眼睛不能區分自然光與偏振光，用于鑒別光的偏振狀態的器件稱為檢偏器2、偏振片是一種人工膜片，對不同方向的光振動有選擇吸收的性能，從而使膜片中有

5、一個特殊的方向，當一束自然光射到膜片上時，與此方向垂直的光振動分量完全被吸收，只讓平行于該方向的光振動分量通過，即只允許沿某一特定方向的光通過的光學器件，叫做偏振片。這個特定的方向叫做偏振片的偏振化方向，用“ ”表示。四、偏振片 起偏和檢偏1、基本概念2、偏振片3、起偏器自然光通過偏振片后成為線偏振光，線偏振光的振動方向與偏振片的偏振化方向一致。4、檢偏器用來檢驗某一束光是否偏振光。方法：轉動偏振片，觀察透射光強度的變化。自然光：透射光強度不發生變化3、起偏器4、檢偏器偏振光：透射光強度發生變化部分偏振光：偏振光通過偏振片后，在轉動偏振片的過程中，透射光強度發生變化。偏振光：透射光強度發生變化

6、部分偏振光：偏振光通過五、馬呂斯定律馬呂斯 ( Etienne Louis Malus 1775-1812 )法國物理學家及軍事工程師。出生于巴黎。1808年發現反射光的偏振，確定了偏振光強度變化的規律；1810年被選為巴黎科學院院士，曾獲得過倫敦皇家學會獎章。1811年，他發現折射光的偏振。五、馬呂斯定律馬呂斯 ( Etienne Louis Mal1、馬呂斯定律的內容強度為I0的偏振光，通過檢偏器后，透射光的強度為： I=I0 cos2其中為檢偏器的偏振化方向與入射偏振光的偏振化方向之間的夾角。AII01、馬呂斯定律的內容AII0為線偏光的光振動方向ON與檢偏器透振方向OM間的夾角。一束光

7、強為I0的自然光透過檢偏器，透射光強為I0 /22、解釋I=I0 cos2為線偏光的光振動方向ON與檢偏器透振方向OM間的夾角。3、討論當檢偏器以入射光為軸轉動時，透射光強度將有變化。起偏器與檢偏器偏振化方向平行時：=0 或=，I=I0，透射光強度最大；起偏器與檢偏器偏振化方向垂直時：=/2 或=3/2，I=0，透射光強度最??；為其它角度時，透射光的強度介于0I0之間。 馬呂斯定律是對偏振光的無吸收而言的，對于自然光并不成立。若是自然光I0，通過偏振片后，II0/2，偏振片在這里實際上起著起偏器的作用。當兩個偏振片互相垂直時，光振動沿第一個偏振片偏振化方向的線偏振光被第二個偏振片完全吸收，出現

8、所謂的消光現象。3、討論例題：在透振方向正交的起偏器M和檢偏器 N 之間，插入一片以角速度旋轉的理想偏振片P，入射自然光強為I0，試求由系統出射的光強是多少？每旋轉偏振片P一周，輸出光強有“四明四零”。t=00,900,1800,2700時，輸出光強為零。t=450,1350,2250,3150時，輸出光強為 。例題：在透振方向正交的起偏器M和檢偏器 N 之間，插入一片以附、偏振光的應用附、偏振光的應用1713 反射光和折射光的偏振一、反射光和折射光的偏振自然光在兩種各向同性介質的分界面上反射和折射時，不但光的傳播方向要改變，而且光的偏振狀態也要改變，所以反射光和折射光都是部分偏振光。in1n

9、2在一般情況下，反射光是以垂直于入射面的光振動為主的部分偏振光；折射光是以平行于入射面的光振動為主的部分偏振光。1713 反射光和折射光的偏振一、反射光和折射光的偏振自然二、布儒斯特定律1、布儒斯特定律內容反射光的偏振化程度與入射角有關，若光從折射率為n1的介質射向折射率為n2的介質，當入射角滿足這實驗規律可用電磁場理論的菲涅耳公式解釋。時，反射光中就只有垂直于入射面的光振動，而沒有平行于入射面的光振動，這時反射光為線偏振光，而折射光仍為部分偏振光。這就是Brewster定律。其中i0叫做起偏角或布儒斯特角。2、利用反射和折射時的偏振可以做起偏和檢偏n1n2i0二、布儒斯特定律1、布儒斯特定律

10、內容這實驗規律可用電磁場理論3、說明當入射角是布儒斯特角時，折射光與入射光垂直。由折射定律： n1sini0=n2sin0 布儒斯特定律： tg i0= n2 /n1即： n1sini0=n2cosi0相比較： cosi0= sin0故 i0= sin0=/2理論實驗表明：反射所獲得的線偏光僅占入射自然光總能量的7.4%，而約占85%的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。1.51.51.51.01.01.01.0反射光能量較弱，透射光較強。為了獲得一束強度較高的偏振光，可以使自然光通過一系列玻璃片重疊在一起的玻璃堆，并使入射角為起偏角，則透射光近似地為線偏振光。n1n2i03、說明理論實驗表

11、明：反射所獲得的線偏光僅占入射自然光總能量例題：已知某材料在空氣中的布儒斯特角 ip=580， 求它的折射率？若將它放在水中（水的折射率為 1.33），求布儒斯特角？該材料對水的相對 折射率是多少？解：設該材料的折射率為 n ，空氣的折射率為1放在水中，則對應有所以：該材料對水的相對折射率為1.2。例題：已知某材料在空氣中的布儒斯特角 ip=580， 求它的1714 雙折射 偏振棱鏡一、光的雙折射現象天然的方解石晶體是雙折射晶體AB1、光的雙折射現象一束自然光射向石英、方解石等各向異性介質時，其折射光有兩束，這種現象稱為雙折射現象。1714 雙折射 偏振棱鏡一、光的雙折射現象天然的方解AB2、

12、光軸某些晶體內有一個確定的方向，在這個方向上，o光和e光的傳播速度相同，這個方向稱為晶體的光軸。MMNN說明：沿光軸方向入射的光束，通過晶體不分為兩束光，仍沿入射方向行進。它是一個特征方向。具有一個光軸的晶體，稱為單軸晶體。例如：方解石、石英等。具有兩個光軸的晶體，稱為雙軸晶體。例如：云母、硫黃等。光軸光軸AB2、光軸MMNN說明：光軸光軸若沿光軸方向入射，o光和e光具有相同的折射率和相同的波速，因而無雙折射現象。3、尋常光（o光）和非常光（e光）尋常光：對于晶體一切方向都具有相同的折射率，且在入射面內傳播，簡稱它為o光。非常光：它的折射率（即波速）隨方向而變化，并且不一定在入射面內傳播，簡稱

13、為 e 光。 o光振動方向垂直于該光線（在晶體中）與光軸組成的平面。e 光振動方向平行于該光線（在晶體中）與光軸組成的平面。若光軸在入射面內，實驗發現：o光、 e光均在入射面內傳播，且振動方向相互垂直。oe若沿光軸方向入射，o光和e光具有相同的折射率和相同的波速，因4、晶體的主截面由光軸和晶體表面的法線所組成的平面，稱為晶體主截面。例如，方解石的主截面是一平行四邊形。5、光的主平面由光軸和晶體內已知光線組成的平面，稱為該光線的主平面。o光和e光有各自的主平面。o光和e光都是線偏振光，o光的振動方向垂直于自己的主平面，e光的振動方向平行于自己的主平面。當入射光的入射面與晶體的主截面重合時，o光和

14、e光都在入射面內且振動方向互相垂直。4、晶體的主截面5、光的主平面二、尼科耳棱鏡ACNM2、結構兩塊特殊要求加工的直角方解石，光軸在ACNM平面內方向與AC成480，入射面取ACNM面方解石的折射率n0=1.658, ne=1.486，加拿大樹膠的折射率n=1.55，O光入射角大于其臨界角為69012，被全反射，在CN處為涂黑層所吸收。出射偏振方向在ACNM平面內的偏振光。e760O2206801、引入天然方解石厚度有限，不可能把o光和e光分得很開。二、尼科耳棱鏡ACNM2、結構方解石的折射率n0=1.653、尼科耳棱鏡可以起偏和檢偏三、惠更斯原理對雙折射現象的解釋3、尼科耳棱鏡可以起偏和檢偏

15、三、惠更斯原理對雙折射現象的解釋四、波片 1、四分之一波片 能使出射的兩束線偏振光產生/2相位差的波片稱為四分之一波片 2、二分之一波片 能使出射的兩束線偏振光產生相位差的波片稱為二分之一波片四、波片 1、四分之一波片 2、二分之一波片 光彈現象 五、人為雙折射現象透明的各向同性介質在機械應力作用下，顯示出光學上的各向異性，與OO為光軸的雙折射類似，這種現象叫做光彈效應。實驗表明，在一定脅強強范圍內：S為材料 E受力的面積。 k為脅強光學系數 光彈現象 五、人為雙折射現象透明的各向同性介質在機械 克爾效應某些各向同性的透明介質（如非晶體和液體），在外電場的作用下，顯示出雙折射現象，稱為克爾效應

16、。當外電場撤消時，這種性質立即消失，因此，也稱為電致雙折射現象。光軸沿電場強度的方向+ -cc兩光通過厚度為l 的液體時，光程差為：若去掉盒內電場，則沒有光從N透出。整個系統起“光開關”的作用。通過控制外加電壓，可調節輸出的光脈沖的長短和頻率，把電訊號轉變成光訊號。由于光電效應幾乎沒有慣性，電訊號的控制速度可達10-9 m/s?！肮忾_關”,“光調制器”、“光斷續器”有極快的速度啟閉光路或調制光強，目前廣泛應用于高速攝影、電影、電視和激光通訊等許多領域。 克爾效應某些各向同性的透明介質（如非晶體和液體），在外電1715 旋光現象一、旋光現象偏振光通過某些透明物質后，其振動面方將以光的傳播方向為軸

17、線轉過一定的角度，這種現象稱為旋光現象。能夠產生旋光現象的物質稱為旋光物質。如石英、糖、酒石酸鉀鈉等。右旋物質：迎著光的傳播方向觀看，使振動面按順時針方向轉動的物質，如葡萄糖、石英等。左旋物質：迎著光的傳播方向觀看，使振動面按逆時針方向轉動的物質，如果糖等。不同的氨基酸和DNA等也有左右旋的不同，這些是目前生物學研究的課題。二、旋光物質1715 旋光現象一、旋光現象偏振光通過某些透明物質后，C是旋光物質；F為濾色片；M為起偏器；旋光物體放在兩個正交的偏振片M與N之間，將會看到視場由原來的零變亮，把檢偏器 N 旋轉一個角度，又可得到零視野。三、實驗裝置實驗證明：振動面旋轉的角度與材料的厚度d、濃

18、度C 以及入射光的波長 有關。對于固體：定義為旋光系數，它是入射光波長的函數對于液體：式中C為溶液的濃度。四、應用：制糖工業，測定糖液濃度的糖量計C是旋光物質；F為濾色片；M為起偏器；旋光物體放在兩三、實驗1716 偏振光的干涉一、橢圓偏振光和圓偏振光橢圓偏振光和圓偏振光都是完全偏振光，均可等效為兩個具有恒定相位差、相同振動頻率、振動方向相互垂直的線偏振光。波片可以將垂直入射的線偏光分解成同頻率、相互垂直振動的O 光和 e光，它們沿同一方向傳播。eO光軸d波片厚度d 決定O 光、 e光恒定相位差的大小。因此，可用它來產生橢圓偏振光、圓偏振光或改變入射的偏振態。1716 偏振光的干涉一、橢圓偏振光和圓偏振光橢圓偏振光M是起偏器，經它可從自然光中獲得垂直射向波片C的線偏光。雙折射晶體C光軸平行于晶體表面，透振方向與光軸方向之間的夾角 垂直射入波片的線偏光，分解成O光，其振動方向垂直于入射面，垂直光軸；分解成的 e光，振動方向平行于入射面，平行于光軸。 若C為1/4波片，即=/2，且若=450，則出射圓偏振光若C為1/4波片，且450、 900或00，則出射橢圓偏振光 若C不為波長片也不是半波片，即 k 時，且450、 900或、 00 時，則從C垂直出射橢圓偏振光。經