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第五章光的偏振

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1 第五章 光的偏振

§1 光的横波性及偏振态

一、偏振现象

日常生活中可发现光的许多偏振现象。如：电视接收天线方向与电磁振动方向一致时，信

号最清晰，而不是与传播方向一致时；又如：超快开关，利用光波偏振的电光效应，可制成s9

10

的高速开关；量糖汁，利用偏振光在糖溶液中振动面的旋转，测量糖溶液的浓度。

干涉和衍射揭示光的波动性，但波有给、横波之分，干涉、衍射并不能体现这种区别。

二、偏振定义

横波

纵波：

区别：横波有偏振，纵波无偏振

波的偏振：振动方向相对于传播方向不对称

例：机械波

横波

（1）能通过 （2）不能通过

纵波：装置无论怎样摆置，均能通过

可看出：纵波的振动方向对传播方向有对称性；

横波的振动方向对传播方向没有对称性；

例：光学实验，两块偏振片P

1、P

2；

21pp

透光

21pp

消光

光发生类似的偏振现象，光是横波

电矢量与光的传播方向垂直

但在与传播方向垂直的二维空间里电矢量可以有各种不同的振动状态（称为偏振态）

如：（用一块偏振片）

从普通光源出来的光，通过P

1，有光，（转动P

1）。而从P

1出来的光射入P

2，（转动P

2，有

时有光，某位置又无关），说明普通光源的光与从P

1出来的光的偏振态是不同。

有五种偏振状态：

自然光（非偏振奋光），平面偏振

光（线编光）部分偏振光、圆偏

光，椭圆偏光。

三、偏振态

1、平面偏振光（线偏光）

只包含一种振动方向的光，即

振动方向只限于某一确定方向，平偏 2 光的数学表达式（一般）

ykytAE：

yxkytAE：

x

yyxx



)cos( )cos(





方向方向

而对于任意方向振动的平偏光，

可将此振动分解，用两个位相相同，

振方互相垂直的光波迭加来描述，其与x

轴夹角为

。



sin ,cos)cos()(

AAAAkytyAxAyExEE

yxyxyx



)cos()(kytyAxAE

yx

2、自然光

实验：普通光源，转动偏振片，都有光，且光强一样。说明普通光源（太阳光、灯光、

烛光等）各方向都有振动。

解释：

（1）微观

每一原子发光每次发射的是一理想单色谐波，各原子发光是随机的，其偏振方向、位

相分布都是无规则的、彼此无关联的。

（2）宏观

大量原子发光，那么入射光中包含了所有方向的横振动，迎着光看，振动方向对光的传

播方向形成轴对称分布（见图）

（3）特点：

A、光矢量振动分布呈现时间、空间均匀性

B、自然光不是偏振光、大量原子的随机辐射掩盖了其偏振本性。

C、哪个方向也不比其他横方向更优越（演示实验）所以叫自然光。

（4）等效模型

为分析问题方便起见，把所有这些振动分解为两个互相垂直的分量（只要垂直，任意方

向均可）

振矢：

yiixaa ,

则 



iyyixxaAaA

因是大量平偏光的分解，无更优越的方向

有：

yxAA

注意：

yxAA ,

都是非相干的量（内部结构），是由许多彼此之

间无固定位相关系（不相干）的平偏光的和，

yxAA ,

不

能合成为一矢量。

因而，自然光可看成是两振动振幅相同，振动方向相互垂直的非相干的平偏光的迭加。

即 22

AyAxIII

yxn

3

2n

yxI

II

图表法：

3、平偏光的获得

（1） 偏振片

是由一些具有二向色性的晶体做成的具这样特性的晶体对不同方向的电磁振动有选择性

地吸收。

二向色性：与光轴平行的振动矢量吸收较少，与光轴垂直的吸收较多。

例：1、电气石晶体，电矢与晶体光轴平行时，吸收小，与之垂直时，光被强烈吸收。

2、另一种硫酸碘奎宁晶体，比电气石好，但晶体小，可在拉伸后的赛璐璐基片上蒸

镀一层奎宁晶体颗粒，基片应力使晶粒的光轴定向排列，便可得到较大面积的偏

振片。

偏振片上能透过电矢量振动的方向叫透振方向。

在自然界中，巨蟹星云座辐射线编光。

（2）马吕斯定律

P

1：起偏器（产生线偏光）

P

2：检偏器

P

1与P

2夹角为

设入射自然光

nI

，通过

1p后，

2nI

I

，其振幅为

A，则通过

2p

后，透振方向分量为

cosA

，即

cos

2AA

。

222

2coscosIAI

当

2 ,02

2nI

AII

任意22

2cos

2cos nI

II

例1：将两偏片P

1与P

2共轴放置，用强度I

1的自然光和I

2的平偏光同时垂直入射到P

1上，从

P

2透出后又射到P

2上。

（1）P

1放置不动，将P

2以光线方向为轴转一周，光强如何变化？

（2）欲使光强最大，如何放置P

1和P

2？

解：（1）设I

2的振动面与P

1的透振方向或

，则从P

1出射的光

2

21

1cos

2II

I

p

从P

2出射的光

4 变变IIII

p

,cos)cos

21

(22

212





0 270,90cos

2 360,180,0

max002

21

max00



III

I



（2）光强最大，0,360,180,000



实验步骤：先固定P

1，转P

2，到最大，0

180,0

，再同时转P

1、P

2（同步）达最大，此

时0

。

例：将一偏振片沿450角插入一对正交偏振器之间，自然光经过它们，强度减为原来的百分之

几？

解：设自然光为

nI

过

2 ,

11nI

IP

nIIIP

41

45cos:02

133

nIIIP

81

45cos:02

322

例：P

1、P

2正交，插入P

3，以

旋转，

nI

入射，求

nI

。

解：

)4cos1(

161

)

2(cos: cos:

2:

2

3222

13311

tItIIPtIIP，

tI

IP

nn



时某

33

3、部分偏振光

光振动方向各向均有，但方向不同，振幅不同，自然光可看成两相互垂直的等振幅的非相干

平偏光，那么部偏光可看成两相互垂直，但振幅不等的非相干平偏光的迭加。

振矢模型

maxminIIIII

yx

（1）偏振度

minmax

minmaxminmax

I I

IIII

P光沿某方向的最大光强



垂直方向的最小光强

当0 I

minmaxpI

自然光

5 当1 0I

minp

平偏光

（2） 部偏光相当于一平偏光与一自然光的迭加

pnp

n

pnn

pnnpn

pn

III

I

III

II

pI

III

IIIIII







222222

minmaxminmax

例：用偏振片观察一部偏光，当偏振片由对应光强最大的位置转过300，光强减为

54

，试

求其中自然光与平偏光强之比及光束的偏振度。

解：（1）部偏光强

pnIII

0过偏片后，最大光强

pnII

I

21

转300

pn

pnII

II

I

43

230cos

202

2

依题意

21

54

II

pn

pnII

II

43

2)

21

(

54



有

21

2

pn

np

II

II

（2）

minmaxminmax

IIII

p



nn

pII

II

25

2max

32

)

21

25

()

21

25

(21

min





nnn

II

PII

4、椭圆偏振光

5、圆偏光

三、反射光的偏振

1、偏振态

入射光（自然光）可分解为平行和垂直入射两个分量，由菲涅耳公式

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第五章 光的偏振

第五章 光的偏振

天津工程师范学院 第五章 光的偏振

第五章 光的偏振

● 学习目标

理解自然光和线偏振光，理解马吕斯定律及布儒斯特定律。了解线偏振光的获得方法和检验方法。

● 教学内容

5.1 光的偏振状态

5.2 线偏振光的获得与检验

5.3 反射和折射时光的偏振

5.4 双折射现象

● 本章重点

线偏振光的获得、反射折射光的偏振

● 本章难点

反射与折射光的偏振

5.1 光的偏振状态

光是横波，对横波的讨论包含对振动方向的讨论。在一个垂直于光传播方向的平面内考察，光振动的方向不一定是各向同性的，可能在某一个方向振动强，在另一个方向弱（甚至为零），这称为光的偏振现象。偏振是横波区别于纵波的一个最明显的特点，光的偏振现象是表明光是横波的直接证明。

一、自然光与线偏振光的定义

如果一束光的光矢量E只沿一个固定的方向振动，我们把这样的光称为线偏振光（或面偏振光），光矢量与光传播方向所组成的平面称为振动面。由原子（或分子）跃迁发出的每一个光波列，都有其自身的振动方向，故都是线偏振光。不过我们通常所说的线偏振光（简称偏振光），不是指某个波列，而是指一束光是偏振光，意即光束中所有的波列都有相同的振动方向。实际光源都由大量的分子、原子组成，由于自发辐射的随机性，普通光源发出的光，是大量的不同振动方向的光波列的集合。在一个与光传播方向垂直的平面内考察，光矢量沿各方向天津工程师范学院 第五章 光的偏振

的平均值相等，没有哪一个方向的光振动较其它方向占优势，这种光叫做自然光，自然光是非偏振的。较为定量的描述是：自然光中的每一波列的光矢量，都可以在任意给定的两个互相垂直的方向上进行分解，其结果是将自然光分成两束光强相等、振动方向互相垂直的，没有确定相位差的偏振光，如下图所示。

自然光可以分解成两个独立的振动方向互相垂直的偏振光

部分偏振光是介于偏振光与自然光之间的一种光，例如把一束偏振光与一束自然光混合，得到的光就属于部分偏振光。在垂直于光传播方向的平面内，光矢量的振动方向沿各个方向分布，但沿某一方向的振动最强，沿它的垂向振动最弱。相对于部分偏振光，线偏振光又叫完全偏振光。

2016-2017学年高中物理第5章光的波动性3光的衍射与偏振4激光教师用书教科版选修3-4

2016-2017学年高中物理第5章光的波动性3光的衍射与偏振4激光教师用书教科版选修3-4

3．光的衍射与偏振

4．激光

学

习

目 标 知 识 脉 络

1.观察光的衍射现象进一步认识光的波动性.

2.了解光明显衍射的条件，了解衍射图样．(重点)

3.观察光的偏振现象，了解自然光与偏振光的区别．(难点)

4.了解激光的特点及其应用，知道激光和自然光的区别.

光的衍射

[先填空]

1．单缝衍射现象

(1)当单缝较宽时，光沿着直线方向通过单缝，在光屏上可以看到一条跟单缝(或圆孔)宽度相当的亮线．

(2)把单缝调窄些，可以看到屏上亮线也随之减小．

(3)当单缝调到很窄时，光通过单缝后就明显地偏离了直线传播方向，到达屏上以后，不再是一条很窄的亮线，而是照到了相当宽的地方，并且出现了明暗相间的条纹；再调小单缝，条纹也随之变得清晰、细小．

2．光的衍射

光在传播过程中遇到障碍物或小孔(狭缝)时，绕过障碍物或通过小孔、狭缝传播到阴影区域的现象．

3．衍射图像

衍射时产生的明暗条纹或光环．

[再判断]

1．白光通过盛水的玻璃杯，在适当的角度，可看到彩色光，是光的衍射现象．(×)

2．菜汤上的油花呈现彩色，是光的折射现象．(×) 3．用两支圆柱形铅笔并在一起，形成一个狭缝，使狭缝平行于日光灯，会看到彩色的衍射条纹．(√)

[后思考]

1．白光经单缝衍射和双缝干涉产生的条纹有什么共同特点？

【提示】 都是中央为白色条纹，两侧为彩色条纹．

2．光遇到小孔、单缝或障碍物时，衍射现象可能发生，也可能不发生，这种说法对吗？

【提示】 不对．光遇到小孔、单缝或障碍物时，衍射现象只有明显与不明显之分，无发生与不发生之别．

1．三种衍射图样的比较

(1)单缝衍射图样(如图5­3­1所示)

单色光衍射 白光衍射

图5­3­1

①中央条纹最亮，越向两边越暗；条纹间距不等，越靠外，条纹间距越小．

②缝变窄通过的光变少，而光分布的范围更宽，所以亮纹的亮度降低．

③中央亮条纹的宽度及条纹间距跟入射光的波长及单缝宽度有关，入射光波长越大，单缝越窄，中央亮条纹的宽度及条纹间距就越大．

第五章光的偏振

第五章光的偏振

天津工程师范学院 第五章 光的偏振

第五章 光的偏振

● 学习目标

理解自然光和线偏振光，理解马吕斯定律及布儒斯特定律。了解线偏振光的获得方法和检验方法。

● 教学内容

5.1 光的偏振状态

5.2 线偏振光的获得与检验

5.3 反射和折射时光的偏振

5.4 双折射现象

● 本章重点

线偏振光的获得、反射折射光的偏振

● 本章难点

反射与折射光的偏振

5.1 光的偏振状态

光是横波，对横波的讨论包含对振动方向的讨论。在一个垂直于光传播方向的平面内考察，光振动的方向不一定是各向同性的，可能在某一个方向振动强，在另一个方向弱（甚至为零），这称为光的偏振现象。偏振是横波区别于纵波的一个最明显的特点，光的偏振现象是表明光是横波的直接证明。

一、自然光与线偏振光的定义

如果一束光的光矢量E只沿一个固定的方向振动，我们把这样的光称为线偏振光（或面偏振光），光矢量与光传播方向所组成的平面称为振动面。由原子（或分子）跃迁发出的每一个光波列，都有其自身的振动方向，故都是线偏振光。不过我们通常所说的线偏振光（简称偏振光），不是指某个波列，而是指一束光是偏振光，意即光束中所有的波列都有相同的振动方向。实际光源都由大量的分子、原子组成，由于自发辐射的随机性，普通光源发出的光，是大量的不同振动方向的光波列的集合。在一个与光传播方向垂直的平面内考察，光矢量沿各方向天津工程师范学院 第五章 光的偏振

的平均值相等，没有哪一个方向的光振动较其它方向占优势，这种光叫做自然光，自然光是非偏振的。较为定量的描述是：自然光中的每一波列的光矢量，都可以在任意给定的两个互相垂直的方向上进行分解，其结果是将自然光分成两束光强相等、振动方向互相垂直的，没有确定相位差的偏振光，如下图所示。

自然光可以分解成两个独立的振动方向互相垂直的偏振光

部分偏振光是介于偏振光与自然光之间的一种光，例如把一束偏振光与一束自然光混合，得到的光就属于部分偏振光。在垂直于光传播方向的平面内，光矢量的振动方向沿各个方向分布，但沿某一方向的振动最强，沿它的垂向振动最弱。相对于部分偏振光，线偏振光又叫完全偏振光。

第五章：光的波动性(含解析)

第五章：光的波动性(含解析)

光的波动性

一. 双缝干涉

1．双缝干涉实验

(1)实验：如图，让一束平行的单色光投射到一个有两条狭缝的挡板上，两狭缝相距很近，两狭缝就成了两个波源，它们的振动情况总是相同的，两个波源发出的光在挡板后面的空间互相叠加．

(2)现象：屏上得到了明暗相间的条纹．

(3)结论：证明光是一种波．

2．出现明、暗条纹的条件

(1)当光从两狭缝到屏上某点的路程差为波长λ的整数倍时，这些点出现明条纹；当路程差为半波长12λ的奇数倍时，这些点出现暗条纹．

(2)和一般波的干涉一样，光干涉的条件是两列光的频率相同，能发生干涉的两束光称为相干光．

3．计算波长的公式

设两缝间距为d，两缝到屏的距离为l，当d和l一定时，计算表明：当l≫d时，相邻两条明条纹(或暗条纹)的间距为Δx＝ldλ.

利用此式，测出条纹间距离Δx，即可求出光的波长．

（1）.双缝干涉示意图

（2）．单、双缝的作用

平行光照射到单缝S上后，又照到双缝S1、S2上，这样一束光被分成两束频率相同和振动情况完全一致的相干光．

（3）．明、暗条纹产生的条件

亮条纹：

屏上某点P到两缝S1和S2的路程差正好是波长的整数倍或半个波长的偶数倍．

即|PS1－PS2|＝kλ＝2k·λ2(k＝0,1,2,3…)时出现亮条纹．

暗条纹：

屏上某点到两缝S1和S2的路程差正好是半波长的奇数倍．

即：|PS1－PS2|＝(2k＋1)λ2(k＝0,1,2,3…)时出现暗条纹．

（4）．干涉图样的特点

(1)单色光：干涉条纹是间距相等、明暗相间的条纹，且中央为亮纹．红光的条纹间距最大，紫光的条纹间距最小．

(2)白光：干涉条纹是彩色条纹，且中央条纹是白色的．原因是各种色光都在中央条纹处形成亮条纹，从而复合成白色条纹，除中央条纹以外的其他条纹不能完全重合，便形成了两侧的彩色条纹．

(3)条纹间距：条纹间距与波长成正比，Δx＝ld·λ(其中d为两逢间距，l为两缝到屏的距离，λ为光的波长)．