下载文档原格式
光的偏振概念1. 概念定义光的偏振是指光波在传播过程中，电矢量振动方向固定的特性。
光波是由电场和磁场构成的电磁波，而光的偏振则是指电场振动方向的特定取向。
通常情况下，光波中的电场矢量可以沿着任意方向振动，这种情况下称为自然光或非偏振光。
然而，在某些情况下，光波中的电场矢量会沿着特定方向进行振动，这种现象被称为偏振。
2. 重要性2.1 揭示光的本质通过对光的偏振进行研究，可以更深入地理解和揭示光的本质。
在19世纪初期，法国物理学家菲涅耳提出了“以波解释光”的观点，并通过对偏振现象的研究来支持这一观点。
他发现了自然光通过某些材料后会发生偏振现象，并提出了“法布里-珀罗”效应来解释这种现象。
这一发现推动了光的波动理论的发展，为后来的光学研究奠定了基础。
2.2 应用于光学器件光的偏振现象在许多光学器件中起着重要作用。
例如，偏振片可以通过选择性地透过或阻挡特定方向的偏振光来实现光的分离、滤波和调制等功能。
在液晶显示器中，通过控制液晶分子的偏振方向来实现图像显示。
而在激光器中，通过选择合适的偏振方式可以提高激光束的质量和稳定性。
2.3 在生物和医学领域中的应用光的偏振也在生物和医学领域中得到广泛应用。
例如，在显微镜技术中，通过使用偏振滤波器可以增强对细胞组织结构和分子取向等细节信息的观察。
此外，由于某些生物组织具有特定的偏振特性，因此通过对其偏振状态进行测量可以实现对组织病理变化、肿瘤诊断等方面提供有价值的信息。
3. 应用举例3.1 光通信光通信是一种高速、大容量的通信方式，广泛应用于现代通信系统中。
在光纤传输中，光信号被编码为脉冲序列，并通过光纤进行传输。
而这些光脉冲可以通过调制光的偏振来实现信息的传输和解调。
例如，利用偏振分束器和偏振旋转器等器件，可以将不同偏振方向的光脉冲进行分离和复用，从而提高光纤传输的容量和效率。
3.2 光学显微镜在生物学和医学研究中，显微镜是一种重要的工具。
其中偏振显微镜常常被用于观察材料的组织结构、晶体取向等信息。
《光的偏振》讲义一、光的偏振现象在日常生活中，我们可能不太会留意到光的偏振现象，但它其实无处不在。
当阳光透过云层的缝隙洒下来，或者汽车前挡风玻璃反射的光线，都可能包含着偏振的信息。
光的偏振，简单来说，就是光振动方向的规律性。
普通的自然光，比如太阳光，它的振动方向是随机的，向各个方向都有。
而偏振光则具有特定的振动方向。
为了更直观地理解偏振现象，我们可以做一个简单的实验。
拿两块偏振片，让自然光先通过第一块偏振片，这时我们会发现光的强度减弱了一半。
这是因为只有与偏振片透光轴方向一致的光振动能够通过。
然后，再让通过第一块偏振片的光通过第二块偏振片，如果两块偏振片的透光轴方向平行，光能够顺利通过；如果两者的透光轴方向垂直，就几乎没有光能够通过。
二、偏振光的产生偏振光不是自然存在的，通常需要通过一些特殊的方法来产生。
一种常见的方法是反射和折射。
当自然光以一定的角度从一种介质入射到另一种介质时，反射光和折射光都会成为部分偏振光。
而且，当入射角满足特定条件时，反射光会成为完全偏振光，其振动方向垂直于入射面。
另一种产生偏振光的方法是利用偏振片。
偏振片是一种具有特殊光学性质的材料，它只允许特定方向振动的光通过。
还有双折射现象也能产生偏振光。
比如方解石等晶体，当一束光入射到晶体中时，会分解成两束折射光，这两束光就是偏振方向相互垂直的偏振光。
三、偏振光的类型偏振光主要有三种类型：线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。
线偏振光的振动方向始终保持在一个固定的方向上。
我们通过前面提到的偏振片得到的通常就是线偏振光。
圆偏振光的电场矢量端点在垂直于光传播方向的平面内描绘出一个圆。
当两个相互垂直、振幅相等、相位差为±π/2 的线偏振光叠加时，就会形成圆偏振光。
椭圆偏振光则是电场矢量端点描绘出一个椭圆。
它是两个相互垂直、振幅不相等、相位差不为±π/2 的线偏振光叠加的结果。
四、光的偏振在生活中的应用光的偏振在我们的生活中有许多重要的应用。
178第6章 波动光学（Ⅲ）——光的偏振一．基本要求1．理解光的偏振的概念，光的五种偏振态的获得和检测方法； 2．掌握马吕斯定律及其应用；3．掌握反射光和折射光的偏振，掌握布儒斯特定律及其应用； 4．了解光的双折射现象；5．了解偏振光的应用。
二．内容提要和学习指导（一）光的五种偏振状态：自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。
（二）线偏振光的获得和检验 1．线偏振光的获得：①利用晶体的选择性吸收，可以制造偏振片。
偏振片可用作起偏器，也可用作检偏器。
②利用反射和折射偏振。
布儒斯特定律：自然光在两种介质的界面发生反射和折射时，一般情况下，反射光和折射光都是部分偏振光，在反射光中，垂直入射面的光振动较强，在折射光中，平行入射面的光振动较强。
当自然光以布儒斯特角121tan b i n -=入射（或/2i γπ'+=，或反射光线垂直于折射光线）时，反射光是线偏振光，其光振动垂直于入射面，此时折射光仍然是部分偏振光。
③利用晶体的双折射。
一束光射入各向异性介质时，折射光分成两束。
其中一束光遵守折射定律，称为寻常光（o 光）。
另一束光不遵守折射定律，称为非常光（e 光）。
o 光和e 光均是线偏振光。
o 光的振动方向垂直于o 光的主平面，e 光的振动方向在e 光的主平面内。
光线沿光轴方向入射时，o 光和e 光的传播速度相同。
在晶体内，o 光的子波波面为球面波，e 光的子波波面为旋转椭球面，利用惠更斯原理作图，可确定o 光和e 光的传播方向。
利用晶体的双折射现象，可以制造偏振棱镜和波片。
2．线偏振光的检验：①利用偏振片：由马吕斯定律可得，线偏振光经过检偏器后，出射光强I 与入射光强0I 的关系为：α20cos I I =，其中α是入射线偏振光偏振方向和偏振片通光方向的夹角。
②利用反射和折射偏振。
③利用偏振棱镜。
（三）圆偏振光或椭圆偏振光的获得和检验：线偏振光经过四分之一波片后出射的为椭圆偏振光，当平面偏振光的振动方向与四分之一波片的光轴方向成450角时，出射的为圆偏振光。
光的偏振的定义光的偏振是指光波在传播过程中振动方向的特性。
光波是由电磁波构成的，它的电场和磁场在垂直方向上振动，且振动的方向可以是任意的。
当光波的电场振动方向保持不变时，我们称其为偏振光。
光的偏振可以分为线偏振、圆偏振和椭圆偏振三种类型。
线偏振是指光波的电场振动方向沿着一条直线，而圆偏振是指电场振动方向在平面上沿着一个圆周运动。
椭圆偏振则介于线偏振和圆偏振之间，电场振动方向在平面上沿着一个椭圆轨迹运动。
光的偏振与光的产生和传播过程有着密切的关系。
光的产生源可以是自然光源，如太阳光，也可以是人工产生的光源，如激光器。
自然光是由多种频率和振动方向的光波叠加而成的，因此是无偏振的。
而人工产生的光源可以通过一系列的操作，如偏振片、偏振器等，将无偏振光转化为偏振光。
光的偏振在许多领域中都有着广泛的应用。
在光学仪器中，偏振光可以用于测量和分析光的性质，如光的强度、相位等。
在光通信中，偏振光可以提高信息传输的容量和质量。
在光学材料中，偏振光的传播特性与材料的结构和性质有关，因此可以用于研究材料的光学性质。
在生物医学领域，偏振光可以用于显微镜成像和组织检测等应用。
光的偏振还可以通过一些特殊的现象和效应来观察和研究。
例如，当偏振光通过晶体或液晶等具有双折射性质的材料时，会发生光的偏振方向的改变，这种现象被称为偏振旋光。
另外，光的偏振还可以受到外界的影响而发生改变，例如在光的传播过程中遇到的介质的折射率不同，会导致光的偏振方向发生改变，这种现象被称为偏振色散。
光的偏振是光波振动方向的特性，可以分为线偏振、圆偏振和椭圆偏振三种类型。
光的偏振在科学研究和工程应用中都有着重要的作用，可以用于测量和分析光的性质，提高光通信的质量，研究材料的光学性质，以及在生物医学领域的应用等。
通过观察和研究光的偏振现象和效应，可以深入理解光的本质和光与物质相互作用的机制。
光的偏振的应用原理1. 什么是光的偏振？光的偏振是指光的振动方向在空间中的分布情况。
正常的自然光是指所有方向的光振动都存在，振动方向是随机的，即没有固定的偏振方向。
而偏振光则是指光的振动方向只沿着某个方向振动。
光的偏振是由光的波动性质所决定的。
2. 光的偏振的产生原理光的偏振可以通过多种方式产生，其中最常见的方式是通过滤波器和吸收器。
滤波器可以选择性地通过某个特定方向的偏振光，而吸收器则可以吸收其他方向的光。
另一种常见的产生偏振光的方式是通过反射与折射。
当光线从介质的表面发生反射或折射时，如果入射光的角度等于特定的角度（称为布儒斯特角），那么反射或折射的光将呈现出偏振性质。
3. 光的偏振的应用光的偏振具有广泛的应用，下面列举了一些常见的应用领域：3.1 光学器件光的偏振在光学器件中起到非常重要的作用。
例如，在液晶显示器中，利用光的偏振性质可以控制液晶分子的取向，从而实现显示效果；偏振片则可以用作光的选择性传输和过滤器，常用于相机镜头保护、太阳镜、3D电影等。
3.2 光通信光的偏振也在光通信领域中发挥着重要作用。
光纤通信中，利用光的偏振可有效地减少模式间串扰，提高通信质量和速度。
3.3 材料检测光的偏振在材料检测中有广泛应用。
例如，偏振显微镜可以用于分析晶体的结构和性质；偏光干涉仪可以用于非破坏性材料检测，如检测材料的应力分布。
3.4 医学领域在医学领域，光的偏振也被广泛应用。
例如，通过检测组织中的偏振光的旋转角度，可以获取组织的一些信息，如脑部组织的排列情况，从而对疾病的诊断和治疗提供帮助。
3.5 其他领域此外，光的偏振还应用于光学测量、天文学、材料加工等领域。
4. 结论光的偏振是光学中重要的概念，可以通过滤波器和吸收器，以及反射与折射等方式产生。
光的偏振在光学器件、光通信、材料检测、医学领域等多个领域都有广泛的应用。
充分理解和应用光的偏振性质，将有助于推动光学技术的发展和应用。
实验 07 光的偏振实验光波是特定频率范围内的电磁波。
在自由空间中传播的电磁波是一种横波，光波的偏振特性清楚地显示了光的横波性，是光的电磁理论的一个有力证明。
本实验研究光的一些基本的偏振特性，通过实验深入学习有关光的偏振理论。
【实验目的】1、理解偏振光的基本概念，偏振光的起偏与检偏方法；2、学习偏振片与波片的工作原理与使用方法。
【仪器用具】SGP-2A 型偏振光实验系统【实验原理】1、光波偏振态的描述一般用光波的电矢量（又称光矢量）的振动状态来描述光波的偏振。
按光矢量的振动状态可把光波偏振态大体分成五种：自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。
这里重点讨论偏振光的描述。
一个单色偏振光可分解为两个偏振方向互相垂直的线偏振光的叠加，即E x a1 cos t（ 1）E y a2 cos( t)式中为 x 方向偏振分量相对于y 方向偏振分量的位相延迟量，a1、 a2分别是两偏振分量的振幅，为光波的圆频率。
对于单色光，参数 a1、a2、就完全确定了光波的偏振状态。
以下讨论中，取 a1、 a20 ，。
当0，时，式（ 1 ）描述的是一个线偏振光，偏振方向与 x 轴的夹角a21 所示）。
a rc t an ( c o s ) 称为线偏振光的方位角（如图a1E y E ya2a2a1O Oa1E x E xE y E yO OE x E x/ 2/ 2图 1 线偏振光图 2 圆偏振光E y当/ 2， / 2 且a1a2时，式（1）描述的是一个圆偏振光，其特点是光矢量为角速度旋转，光a2矢量的端点的轨迹为一圆。
的正负决定了光矢量的旋向，/ 2 时为右旋圆偏振光，/ 2 时为左旋圆偏振光（迎着光的方向观察，如图 2 所示）。
a1 E x 除了上述特殊情况，式（1）表示的是椭圆偏振光O（如图 3 所示）。
偏振的一个重要应用是研究光波通过某个光学系统后偏振状态的变化来了解此系统的一些性质。
图 3椭圆偏振光2、偏振片和马吕斯定律偏振片有一个透射轴（即偏振化方向）和一个与之垂直的消光轴，对于理想的偏振片，只有光矢量振动方向与透射轴方向平行的光波分量才能通过偏振片。
第六章 光 的 偏 振§1光的横波性与五种偏振态一、偏振现象与光的横波性产生感光作用和生理作用的是光波中的电矢量()ωcos 0E t E E ==t偏振：横波的振动方向对传播方向的不对称性。
光有五种偏振态：线偏振光、自然光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。
二、平面偏振光（线偏振光）电矢量的振动只限于某一确定平面上的光。
线偏振光的E 矢量的末端的轨迹是一条直线，故得名。
振动面――振动方向与传播方向所确定的平面()xoz偏振面――与振动面垂直且过z 轴的平面()yoz线偏振光的图示法： a.振动面垂直于图面 b.振动面即是图面三、 自然光某一辐射原子或分子发出的是平面偏振光，但由于辐射原子或分子是众多的，每个原子或分子的辐射是短暂的()s 810-，故一般光源所发出的光是自然光――各线偏振光的电矢量在各个方向上的时间平均值是相同的。
任一矢量可分解为互相垂直的两个方向上的矢量。
自然光可用强度相等，振动面互相垂直的两个独立的线偏振光表示。
四、部分偏振光E 的平均值在某个方向上最强，在与其垂直的方向上最弱的光。
a.图面内最强b. 图面内最弱五、椭圆偏振光 E 矢量末端的轨迹在垂直于光的传播方向的平面上的投影为（椭）圆的光称为（椭）圆偏振光。
椭圆偏振光 圆偏振光六、偏振度P ＝minmax min max I I I I +- --------(5-1) 线偏振光0m i n =I P=1 也称完全偏振光) 自然光和圆偏振光 m i n m a x I I = P=0部分偏振光和椭圆偏振光 0<P<1§2 反射和折射时的偏振 马吕斯定理*一．菲涅耳公式二．布儒斯特定律光照射到两种介质的分界面上,若入射光与反射光垂直,则反射光是线偏振光,此时的入射角叫布儒斯特角,它满足关系式1210arctan n n i =，这一规律称为布儒斯特定律。
︒=+90210i i()10210222101cos 90sin sin sin i n i n i n i n =-︒==1210tan n n i =∴ 布儒斯特定律可由菲涅耳公式推出，因为︒=+90210i i 时,0,0≠=s p t t .另外，因为0≠p t ,0≠s t 故折射光是部分偏振光。
一般p r 、s r 较小（反射光较弱），故为得较强的偏振光，可采用如下玻璃堆：若入射光（自然光）与布儒斯特角射到玻璃堆上，则反射光为S 光。
经多次反射后可认为透射光为P 光。
三、马吕斯定理线偏振光照射到偏振片上时，若振动面与偏振化方向的夹角为θ，则透过偏振片的光强：θ20cos I I =若起偏器与检偏器垂直()90=θ，则透视光的光强：00＝I产生线偏振光的过程称为起偏，检验线偏振光的过程称为检偏。
§3 光在晶体中的传播一、双折射现象光照射到各向同性介质（如波璃、水等）上时，只产生一束折射光，光照射到各向异性介质（如方解石、石英等）上时，将产生两束折射光，其中一束光遵从折射定理，称为寻常光，简称o 光（ordinary-ray ），另一束光不遵从折射定理，称为非寻常光，简称e 光（exordinary-ray ）。
二、光轴与主截面1．光轴：晶体中存在的一些特殊方向，光沿这些特殊方向传播时，不产生双折射现象。
单轴晶体：只有一个光轴的晶体，如：方解石.石双轴晶体：具有两个光轴的晶体，如：云母. 硫磺。
2．主截面：包括晶体的光轴和（晶体内）光线的平面。
也称为主平面。
o 光的振动面垂直于自己的主截面；e 光的振动面平行于自己的主截面。
o 光和e 光的振动面几乎垂直（两者的主截面几何重合）。
三、o 光和e 光的相对强度1．若入射光线为自然光，则o e I I ＝2．若入射光线为线偏振光时，且其振动面与晶体光轴的夹角为θ则⎪⎩⎪⎨⎧==θθ220cos sin I Ie I I （马吕公式） 90=θ时，I I o =，0=e I180.0=θ时，0=o I =e I Iθ2t a n =eo I I 四、正晶体与负晶体晶体中一个发光点发出的寻常光线的波面是球面，非常光的波面是旋转椭球面（惠更斯，1890）。
球面和旋转椭球面相切于光轴上，如图所示。
o 光 ==o v v Constant ==o o v c n Constante 光 ≠'e v Constant ≠'='ee v c n Constant 设e v 是e 光在垂直于光轴方向的传播速度，则将ee v c n =称为e 光的主折射率。
若e o v v > ,即e o n n <,则称晶体为正晶体。
如：电气石. 石英等。
若e o v v < ,即e o n n >,则称晶体为负晶体。
如：冰. 方解石等。
多数晶体的o n 与e n 差别不大。
五、惠更斯作图法1.光轴在入射面内并且平行于晶体表面2. 光轴在入射面内与晶体表面垂直3. 光轴垂直入射面并且平行于晶体表面4. 光轴在入射面内与晶体表面成一角度§4.偏振仪器一．尼科耳（棱镜）尼科耳棱镜用3：1：1的方解石晶体制作，如图所示。
晶体中O 光在分界面C A ''发生全反射，只剩下e 光从尼科耳棱镜透出。
出射线偏振光的振动面即棱镜的主截面D C B A ''.二．渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜也由方解石晶体制作，如图所示。
两块直角棱镜的光轴均平行于直角棱镜的表面，但第一块直角棱镜的光轴在图面内，而第二块直角棱镜的光轴垂直于图面。
在第一块直角棱镜中的o 光进入第二块直角棱镜中成为e 光，而在第一块直角棱镜中的e 光进入第二块直角棱镜中成为o 光，故o光与e 光会被分开。
利用渥拉斯顿棱镜可获得振动面互垂的两束线偏振光。
三．波晶片波晶片的光轴平行于晶体表面，o 光与e 光不分开，但位相不相同。
1.四分之一波片满足以下三式的波晶片，我们将其称为四分之一波片，也叫做λ/4片。
2.二分之一波片（半波片）⎪⎩⎪⎨⎧-=∆-=d n n d n d n e o e o λπϕδ2,2,1,014)12(2)12(4)12(±±=⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-+=+=∆+=-=k n n k d k k d n n e o e o λπϕλδ⎪⎩⎪⎨⎧+±=∆Φ-+=πλ)12(12)12(0k n n k d e这种晶片称为半波片。
上式中的 2,1,0±±=k注意：平面偏振光垂直入到半波片而透射后，仍为平面偏振光。
若入射偏振光的振动面和晶体主截面之间的夹角为θ，则透射出来的平面偏振光的振动面从原来的方位转过θ2角。
§5椭圆偏振光一．椭圆偏振光。
E 矢量末端的轨迹在垂直于光的传播方向的平面上的投影为（椭）圆的光称为（椭）圆偏振光。
频率相同、振动方向互相垂直且传播方向相同的两列光波：)(010kz t E E X X -+=ϕω)(020kz t E E Y Y --=ϕω叠加后光波E 矢量末端的轨迹在垂直于光的传播方向的平面上的投影满足方程：为直线，，， ππϕ20±±=∆二．(椭)圆偏振光的产生将一束平面偏振光垂直照射在波晶片上，电矢量可分解为振动方向与波晶片光轴平行或垂直的两个分量，波晶片所分解出来的o 光和e 光正好满足频率相同、振动方向互相垂直，且传播方向相同的条件，而且由于o 光和e 光的传播速度不同，经波晶片出射时，两束光具有恒定的附加位相差，故出射后两束光叠加的结果，一般情况下是斜椭圆偏振光。
平面偏振光经过四分之一波片后成为正椭圆偏振光。
另一种特殊的情况是入射平面偏振光的振动面与四分之一波片的光轴成450角，这时o 光和e 光的振幅相等，从四分之一波片出射的光成为圆偏振光。
况下为斜椭圆为正椭圆，而在一般情， 232ππϕ±±=∆ϕϕ∆=∆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛2002020sin cos 2Y Y X X Y Y X X E E E E E E E E如右图所示。
三、偏振态的检定1．偏振光经过四分之一波片偏振态的变化自然光或部分偏振光通过四分之一波片时仍为自然光或部分偏振光；线偏振光通过四分之一波片时成为（正）椭圆偏振光；圆偏振光通过让未知光束经过偏振片P，旋转P一周：时成为线偏振光；椭圆偏振光通过适当位置的四分之一波片时可以成为线偏振光。
2．偏振光经过偏振片后光强的变化自然光或圆偏振光通过偏振片后光强不变；部分偏振光或椭圆偏振光通过偏振片后光强有变化但不消光；线偏振光通过偏振片后光强有变化且会消光。
3．偏振态的检定步骤A．让未知光束经过偏振片P，旋转P一周：若光强不变，则为自然光或圆偏振光；若光强变化，则为部分偏振光或椭圆偏振光；若有消光，则为线偏振光。
B．让未知光束先经过（适当位置的）四分之一波片再经过偏振片P，旋转P一周：若有消光，则为圆偏振光或椭圆偏振光；否则为自然光或部分偏振光。
