普通物理学知识结构分析：光的偏振

5.6.1 结构图

5.6.2 光的偏振概述

1.光的波动性

光的干涉和光的衍射揭示了光的波动性。光的波动分横波和纵波。横波指波的振动方向和波的传播方向相互垂直。纵波指波的振动方向和波的传播方向相同。

2.偏振

(1)波的振动方向对于波的传播方向具有不对称性,这种不对称性称为偏振。只有横波具有不对称性,这是区别于纵波的一个最明显的标志。光的偏振揭示了光是横波。

图5-51 横波与纵波

(2)从另外一个角度看:光波是电磁波,光的传播方向就是电磁波的传播方向。光波中含有电振动矢量E和磁振动矢量H,它们都与传播速度v垂直,所以光波是横波。

(3)能够引起感光作用的是光波中的电振动矢量E。所以,E又称为光矢量,E的振动称光振动。E的振动只限于某一个确定平面内的光,称平面偏振光(又称线偏振光)。

图5-52中,a表示E垂直于纸面的平面偏振光,振动面垂直于纸面;b表示E在纸面内的平面偏振光,振动面平行于纸面。振动面指电矢量和光的传播方向所构成的平面。

图5-52 E的振动

小结:

(4)偏振现象实验:光源、起偏器(P1)和检偏器(P2),如图5-53所示。

图5-53 偏振现象实验

图5-54 马吕斯定律

马吕斯定律:强度为I1的平面偏振光透过偏振器后的光强为I2

I2=I1cos2θ

式中,θ为偏振光的光矢量方向与偏振器的偏振化方向之间的夹角。

(5)自然光和偏振光

如图5-55(a)所示,沿z轴传播的是自然光,即由通常光源所辐射的光波,其电矢量在垂直于光波的传播方向上既有时间分布的均匀性,又有空间分布的均匀性。

图5-55 自然光和偏振光

①如果I最小=0,则P=1,即为平面偏振光。

如图5-55(b)所示,沿z轴传播的是自然光,可以分解为相互垂直的两个方向(x方向和y方向),这是强度相同、振动方向相同的两个平面偏振光。

(6)部分偏振光:电矢量E在某一确定方向最强,与它正交的方向最弱。

图5-56 部分偏振光

偏振度:

②如果I最小≠0,则P＜1,即为部分偏振光。

5.6.3 偏振光获得

偏振光获得可分为从自然光获得和从偏振仪器获得。

1.从自然光获得

(1)从反射光获得

如图5-57所示,S为起偏器,S1为检偏器,ab为平行入射光束,入射角为i。

图5-57 从反射光获得偏振光

①当S和S1相互平行时(图5-57实线),反射光束cd强度最大;

当S和S1相互垂直时(图5-57虚线),反射光束cd强度最小。

②当S和S1相互垂直时,改变入射角i的大小,反射光束cd强度最小值也会发生变化。

③当平行入射光束ab的反射光束bc和进入玻璃板S的折射光束的传播方向垂直时,则完全没有光从玻璃板S1中反射出来,即:反射光束cd的强度为0。这个入射角称全偏振角,用i1O表示,也称布儒斯特角。

④布儒斯特定律:(www.xing528.com)

式中,n1和n2分别为入射光束和反射光束所在介质的折射率。

图5-58

图5-59 单折射

⑤结论:当自然光以布儒斯特角入射到介质表面时,反射光为平面偏振光,但强度很弱。

(2)从折射光获得

①单折射

如上所述,折射获得的偏振光强度较大,但是偏振度很低。

如果许多玻璃片相互平行叠在一起,经过多次反射和折射后,最后透射出的光波几乎完全成为平面偏振光,而且强度很高。

图5-60 双折射

②双折射

一束光波照射到石英等单轴晶体内时,会分成两束折射光,这种现象称为双折射,如图5-60所示。其中:一束光遵守折射定律,称寻常光,简称o光;一束光不遵守折射定律,称非常光,简称e光。o光和e光都是平面偏振光。晶体对o光的折射率no=c/vo,晶体对e光的折射率ne=c/ve。

2.从偏振仪器获得

(1)尼科耳棱镜

图5-61 尼科耳棱镜

尼科耳棱镜是利用双折射现象,将自然光分成寻常光O和非常光e,再利用全反射把寻常光O反射到棱镜,被四面涂黑的侧壁吸收,只让非常光e通过棱镜,从而获得一束振动方向固定的平面偏振光,如图5-61所示。

还可通过尼科耳棱镜获得椭圆或圆偏振光,方法如下所述。

①如图5-62(a)所示,我们利用一束自然光通过尼科尔棱镜a后产生平面偏振光e,再通过晶体d,形成偏振光f。

②如图5-62(b)所示,平面偏振光e的振动方向BB1与光轴OO1之间的夹角为θ,在晶体d中寻常光o和非常光e这两束光的位相差为:

图5-62 椭圆或圆偏振光的获得

式中,λ为该光在真空中的波长;no和ne分别为寻常光o和非常光e的折射率;r为光波进入晶体内部某点与晶体表面的距离;l为晶体d的厚度。

③在光学中,晶体内的o光和e光是频率相同、振动方向相互垂直的两束平面偏振光波。如果它们在叠加时,只要相位恒定,将形成椭圆偏振光;如果它们在叠加前振幅相等,将形成圆偏振光。

④波片

光程差等于λ/4的晶片称为1/4波片,即Δφ=π/2时,形成一个正椭圆偏振光;如果θ=45°时,形成一个圆偏振光。

光程差等于λ/2的晶片称为半波片,即Δφ=π时,仍然形成一个平面偏振光。

图5-63 波片

偏振光的实验检定——补偿器此处不做介绍,读者可查阅相关教材。

(2)渥氏棱镜

渥氏棱镜由两个直角棱镜ABC和DBC组成,产生两束相互分开的、振动相互垂直的平面偏振光(第一光线和第二光线),如图5-64所示。

图5-64 渥氏棱镜

式中,no为ABC的折射率;ne为DBC的折射率。

(3)人造偏振片

人造偏振片能够产生双折射,而且对寻常光和非常光具有不同的吸收本领,称为二向色性。

3.偏振光干涉

(1)不论是自然光还是偏振光,光波干涉产生的条件是频率相同的两束光具有恒定的位相差,而且振动方向必须(至少近似地)沿同一直线。实际上,自然光可以看成是许多平面偏振光的混合。

(2)实验证明:两束位相差恒定的平面偏振光叠加时,如果振动面相互垂直,就形成椭圆偏振光;如果振动面相互平行,就出现相长相消的干涉现象。

(3)实验可以采用两个尼科尔棱镜进行。

(4)光强计算(略)。