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(三)光的偏振

1.自然光和偏振光

 (1)基本概念

1)偏振: 波的振動方向,在垂直于波的傳播方向的平面內(nèi),沿著一個固定方向的振動, 稱為偏振,它是橫波所具有的特性。

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2)振動面:由波的振動方向和波的傳播方向組成的平面稱為振動面。

 (2)自然光

光是電磁波,是橫波。以e矢量(振動)表示光矢量(振動) ,光振動在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)。自然光光源包含大量原子,發(fā)出的光具有彼此獨立以及間歇性,每個原子發(fā)出的光,其光振動(e振動),在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)沿著各方向的取向幾率相等,形成的光振動(e振動)在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)沿各個方向的強度相等(振幅相等) 。自然光不具有偏振性,所以是非偏振光。

              

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自然光可分解為兩束互相獨立的、等振幅的、振動方向垂直的、不相干的線偏振光," . "表示垂直于紙面的光振動,"  "表示在紙面內(nèi)的光振動,自然光如圖19所示。

(3)偏振光和部分偏振光

1)偏振光

在一束光中,只有某個固定方向的光振動,稱為偏振光或完全偏振光。

                

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線偏振光的分解,

 

 

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2)部分偏振光

某一方向上的光振動比另一方向上的光振動要占優(yōu)勢,稱為部分偏振光,可分解為兩束振動方向相互垂直的、不等幅的不相干的線偏振光。

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2.反射和折射時光的偏振

(1)反射和折射時光的偏振

自然光以入射角i自折射率為n1的介質(zhì)射向折射率為n2的介質(zhì)界面,將自然光以入射面(由入射線與兩種介質(zhì)分界面的法線所組成的平面)為基準, 正交分解為垂直于入射面的光振動(以·表示)和平行于入射面的光振動(|表示)。在分界面上的反射光是部分偏振光,其中垂直于入射面的光振動較強, 折射光也是部分偏振光,其平行于入射面的光振動較強, 它們的偏振程度與入射角i有關(guān)。

       

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(2)布儒斯特定律

當入射角ib滿足                25

,在分界面上反射光為光振動垂直于入射面的()偏振光,折射光仍為平行于入射面的光振動較強的部分偏振光。入射角ib稱為布儒斯特角或起偏振角。式(25)稱為布儒斯特定律。此時,反射線與折射線相互垂直,。

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自然光以布儒斯特角入射到玻璃片堆(它由折射率分別為n1n2的兩種介質(zhì)交替疊置而成,如圖28所示。) ,最終可獲得反射光為光振動垂直于入射面的 ()偏振光和折射光為光振動平行于入射面的()偏振光。                                   

3.偏振片的起偏和檢偏

(1)起偏和檢偏的方法

透明薄膜或玻璃片上涂上一層具有吸收某一個方向光振動的物質(zhì)后,就成為偏振片。

偏振片只允許與上述吸收方向相垂直的光振動通過, 這個被允許通過的光振動方向叫做偏振片的偏振化方向。

  

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自然光通過偏振片p后,成為偏振光,其光振動方向與偏振片的偏振化方向一致,透射的偏振光的光強是入射的自然光光強的一半,這時的偏振片p稱為起偏振器。為了檢查通過偏振片的光是否為偏振光, 如圖30所示,在偏振片p1之后光的傳播方向上再放一個偏振片p2 ,p2的偏振化方向和p1的偏振化方向一致時,由于通過偏振片p1的光將全部通過偏振片p2, 屏上的光點亮度最大。當p1的偏振化方向與p2的偏振化方向正交,則通過偏振片p1的光全部不能通過偏振片p2 ,屏上亮點消失,說明通過偏振片的光為偏振光。

(2)馬呂斯定律

若起偏振器的偏振化方向與檢偏振器的偏振化方向之間的夾角為α, 通過起偏振器后的偏振光的強度為i1, 通過檢偏振器后的偏振光的強度為i2,

i2 = i1cos2α    (26)

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【例題】一束光強為i0的自然光垂直穿過兩個偏振片,此兩個偏振片的偏振化方向成45度角,則穿過兩個偏振片后的光強i

a                  b                  c                 d

答案 b

分析:本題目中共有兩個考察點,第一,自然光穿過偏振片后光強變?yōu)樵瓉淼囊话?;第二,馬呂斯定律在計算中的應(yīng)用。

穿過第一個偏振片后,光強變?yōu)?/span>,再根據(jù)馬呂斯定律,穿過成45度角的第二個偏振片,強度為

4.光的雙折射現(xiàn)象

(1)光的雙折射現(xiàn)象

光通過各向異性晶體出現(xiàn)兩束折射光線,這種現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象。其中一束光線遵從折射定律,稱為尋常光線,o表示,也稱o;另一束光線不遵從折射定律,稱為非常光線,e表示,也稱e光。雙折射現(xiàn)象的原因是由于o、e光在晶體中沿各個方向的傳播速度不同(因而折射率也不同)。

(2)光軸

光沿該某一特定方向通過各向異性晶體時,不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象,在這個方向,o、e 的傳播速度相同,這個特定的方向就是晶體的光軸。注意,光軸代表一個方向,不是一條直線。

若光通過晶體,只有一個方向不發(fā)生雙折射,這種晶體稱為單軸晶體,如方解石、石英等。若光通過晶體,有兩個方向不發(fā)生雙折射,這類晶體稱為雙軸晶體,如云母等。

 (3)主截面

通過光軸,并與晶體的任一晶面正交的面,稱為該晶體的主截面。

當入射光線在主截面內(nèi)時,oe光均在主截面內(nèi),o光的振動方向垂直于主截面, e光的振動方向平行于主截面,兩者都是偏振光。

(4)利用雙折射現(xiàn)象獲得偏振光

1)某些晶體,對尋常光線能全部吸收,而允許非常光線通過,晶體的這種性質(zhì)稱為二色性。例如電氣石,利用電氣石的二色性可以獲得偏振光。偏振片就是在用透明物質(zhì)制成的薄片表面上,涂上一層(0.lmm)二色性很強的材料組成的。

2)利用方解石晶體制成的一種稱為尼科耳起偏振棱鏡的器件,能把尋常光線用全反射方法除去,只讓非常光線透過,來獲得偏振光。

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尼科爾棱鏡出射的偏振光的振動面在其主截面內(nèi),知道尼科爾棱鏡主截面的方位,也就知道了出射偏振光光振動的方位。

3)人為雙折射現(xiàn)象

凡是在外界人為條件下產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象稱為人為雙折射現(xiàn)象。例如,各向同性物質(zhì)受到脅變時的某種非晶體,或者液體在強電場作用下產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象。

5.橢圓偏振光和圓偏振光

振幅為a1的偏振光,垂直入射至光軸平行于晶面的厚度為d的晶片,形成的o(振動面與晶體的主截面垂直)和e光(振動面與晶體的主截面平行),兩者頻率相同且沿同一方向傳播。若晶體光軸與偏振片的偏振化方向夾角為α,則o e光的振幅分別為,如圖33所示,兩束光通過晶體后的相位差為,

式中,o光在晶體中的折射率;nee光在垂直于晶體光軸方向上的主折射率。

1)若k為整數(shù),通過晶體后兩束光合成為線偏振光。

2,通過晶體后兩束光合成為橢圓偏振光。

3=45o (ae=ao),通過晶體后兩束光合成為圓偏振光。

使oe光光程差為λ/4,也就是相位相差π/2的晶片稱為λ/4波片,其厚度應(yīng)為,不同波長的光,1/4波片的厚度不同。同樣使得o e光光程差為λ/2,也就是相位差為π的晶片稱為1/2波片,其厚度應(yīng)該為。它也是對一定波長而言的,在=π/4時,這種1/2波片可以用來使線偏振光的振動面旋轉(zhuǎn)π/2

                  

33                                              34

6. 偏振光的干涉

振幅為a1的偏振光通過晶體后形成oe光,這兩束光頻率相同,存在一定的相位差,只是由于振動方向相互垂直而不相干,如圖34利用偏振片ii(偏振化方向與偏振片i的偏振化方向正交)把oe光的振動方向引到同一方向,這樣就成為兩束相干的偏振光,通過iioe光的振幅為,oe光的總相位差為:

oe的光程差為

二、相關(guān)練習(xí):

(一)歷年真題

記住,零級條紋的位置,是兩光束光程相同的位置。加上介質(zhì)后,下面光程增加, 要保持光程一樣,只能通過下移位置來實現(xiàn)。這個結(jié)合楊氏雙縫干涉的裝置圖,很容易理解。

 

c,一級明紋是3個,兩個抵消,剩下一個貢獻亮度。二級是5個半波帶,四個相互抵消,剩下一個。3級是7個半波帶,6個相互抵消,剩下一個半波帶有貢獻。

   譜線重疊,依據(jù)主極大公式,(a+bsinθ1=k1λ1, a+bsinθ2=k2λ2,  k1 ,k2都應(yīng)為整數(shù),

重合也就意味著θ相同,應(yīng)有重合的級k1 k2滿足k1λ1=k2λ2, 代入波長得k1450=k2750,即3 k1 =5k2

  這個在解題時注意給的角度是哪個,是折射角還是入射角。布儒斯特定律中的i0,是指的入射角。