物理光学第五章-光偏振

1 偏振测定技术可揭晓系外行星大气层神秘面纱

据美国物理学组织网站报道，每当系外行星环绕主恒星运行，从我们的观测角度，系外行星凌日位于主恒星前方时，主恒星的光线将穿过这些行星的大气层射向我们的地球观测视角。系外行星大气层中的分子可以吸收一些恒星光线，所形成的光谱可使科学家能够确定其具体模型。

美国加州大学圣塔克鲁兹分校天文学家斯隆-威克托罗威斯兹称，我们知道一些行星并不会出现凌日其主恒星，因此我们便无法了解掌握这些行星大气层的状况。现仅探测到不足10%拥有大气层的系外行星，这是因为行星要比主恒星光线暗淡至少上千倍。

而不是以地球视角观看恒星光线穿过系外行星大气层，斯隆和同事现着眼于寻找系外行星大气层散射的光线。这种策略同样适用于凌日和非凌日行星，她解释称，通过观测寻找系外行星大气层散射光线，这将有助于我们重新审视一些之前未作研究的系外行星。

为了更好地理解这一策略，我们可以认为所有光波像电场出现上下左右起伏，或者以任何方向波动的涟漪，这种性质被称为偏振。当恒星光线散射在行星的大气层上，从一定程度上将出现偏振变化，使其与恒星直线光线和恒星反射光线具有显著差异。分析这种偏振光线的技术叫做偏振测定，不仅能够详细探测到系外行星的大气层，而且还能分析大气层的组成和不同分层的结构。

首位提议对系外行星进行偏振测定研究的美国麻省理工学院天体物理学家莎拉·西格尔说：“偏振测定为光度测定(以不同色彩测量行星的亮度)提供了额外信息，这是因为额外的 2 信息编码在偏振散射光线之中。偏振测定所提供的信息可以告诉我们系外行星是否存在大气云层或者阴霾，以及云层或者阴霾的性质。”

莎拉解释，一个具有权威性的例子就是金星大气云层，在非常早期的行星大气层研究中，人们认为金星可能潜在含有水份云层。虽然关于金星的光度测定不能独特确定其云层中的水滴，但是上世纪70年代初期地面上进行的几次关于金星的偏振测定研究发现金星大气层中存在着硫酸液滴。之后发射至金星的航天器也证实了这一结果。她指出，通过偏振测定，将揭晓系外行星大气层中的成份，是否存在水份，这将为未来探索发现系外行星生命提供重要线索。

光学精品课程习题解

第五章 光的偏振 - 52 -

第五章 光的偏振

1.试确定下面两列光波

10[cos()cos()]2xyEAetkzetkz

20[sin()sin()]2xyEAetkzetkz

的偏振态。

解：（1）10[cos()cos()]2xyEAetkzetkz

0[cos()sin()]xyAetkzetkz

为左旋圆偏振光

（2）20[sin()sin()]2xyEAetkzetkz

0[cos()sin()]22xyAetkzetkz

所以为左旋圆偏振光

2．为了比较两个被自然光照射的表面的亮度，对其中一个表面直接进行观察，另一个表面通过两块偏振片来观察。两偏振片的透振化方向的夹角为060。若观察到两表面的亮度相同，则两表面实际的亮度比是多少？已知光通过每一块偏振片后损失入射光能量的10％。

解：根据马吕斯定律，通过第一个偏振片光的强度

'2002(110)2II

通过第二个偏振片光的强度

"'2022000022211(110)cos60(110)0.124IIIII

则两表面实际的亮度比为： 2110II

3．两个尼可耳1N和2N的夹角为060，在它们之间放置另一个尼可耳3N，让平行的自然光通过这个系统。假设各尼克耳对非常光均无吸收，试问1N和3N的夹角为何值时，通过系统的光强最大？设入射光的强度为0I，求此时所能通过的最大光强。

解：设1N和3N的夹角为，光通过尼可耳1N的光强度 012II 光学精品课程习题解

第五章 光的偏振 - 53 -

通过尼可耳3N的光强度 203cos2II

通过尼可耳2N的光强度 22002coscos(60)2II

第五章 光的偏振

1 试确定下面两列光波的偏振态。

)]2/cos()cos([01kztekzteAEyx

)]2/sin()sin([02kztekzteAEyx

解：（1）两分振动的振幅：Ax=Ay=A0 ，相位差：φy -φx = -π/2

所以该光为左旋圆偏振光。

（2）振动方程可写为：

)]2/2/cos()2/cos([01kztekzteAEyx

两分振动的振幅：Ax=Ay=A0 ，相位差：φy -φx = -π/2

该光仍然为左旋圆偏振光。

2 为了比较两个被自然光照射的表面的亮度，对其中一个表面直接进行观察，另一个表面通过两块偏振片来观察。两偏振片的透振方向的夹角为600，若观察到两表面的亮度相同，则两表面的实际亮度比是多少？已知光通过每一块偏振片后损失入射光能量的10%。

解：设直接进行观察的表面的强度为I0，用偏振片进行观察的表面的强度为I；已知两偏振片透振方向的夹角θ=600。

表面反射的光经过第一个偏振片后的光强度：III209%)101(21

经过第二个偏振片后的光强度：III80081%)101(cos2

因观察到两表面的亮度相等，则有：0II

解得两表面的实际亮度之比：10:1800:81:0II

3 两个尼科耳N1和N2的夹角为600，在它们之间放置另一个尼科耳N3，让平行的自然光通过这个系统。假设各尼科耳对非常光均无吸收，试问N3和N1的透振方向的夹角为何值时，通过系统的光强最大？设入射光强度为I0，求此时所能通过的最大光强。

解：设第三个尼科尔N3与第一个N1的夹角为θ，则与第二个N2的夹角有两种情况：

（1）β= 600 -θ （2）β= 600 +θ

在β= 600 -θ的情况下：

设平行自然光的强度为I0，

通过N1的光强度为：

0121II

精品

可编辑

第五章 光的偏振

=

精品

可编辑 1.试确定下面两列光波

201kztekzteAEyxcoscos

202kztekzteAEyxsinsin

的偏振态。

已知：201kztekzteAEyxcoscos，

202kztekzteAEyxsinsin

求：两列光波的偏振态。

解：由已知可知：两列波的振幅相同，即 0AAAyx

且两列波中的xE和yE的相位差 2

所以两列波均为左旋圆偏光。

2.为了比较两个被自然光照射的表面亮度，对其中一个表面直接进行观察，另一个表面通过两块偏振片来观察。两偏振片的透振方向的夹角为60。若观察到两表面的亮度相同，则两表面实际的亮度比是多少？已知光通过每一块偏振片后损失入射光能量的10%。

已知：如图所示，1P与2P的夹角为60，吸收率为10%，自然光入射 精品

可编辑 求：?02II 解： %10120211IAI

00222121222108104126010110160IIAAAI..cos%%cos

即 1002.II

3.两个尼科耳1N和2N的夹角为60，在它们之间放置另一个尼科耳3N，让平行的自然光通过这个系统。假设各尼科耳对非常光均无吸收，试问3N和1N的透振方向的夹角为何值时，通过系统的光强最大？设入射e光强为0I，求此时所能通过的最大光强。

已知：1N和2N的夹角为60，0I

求：3N和1N的透振方向的夹角为何值时，通过系统的光强最大？?maxI

解： 20211IAI

20212222coscosIAAI