利用折射反射获得线偏振光

左旋光和右旋光如果一束光的电矢量E的端点在波面内描绘的轨迹为一圆或椭圆，这样的光称为圆偏振光或椭圆偏振光，它们可以看成是相互垂直并且具有一定位相关系的两个线偏振光的合成。

左旋：逆时针方向右旋：顺时针方向（逆着光线方向看）。

一、垂直振动的合成在光波的波面中，取一直角坐标系，将电矢量E分解为两个分量Ex、Ey，它们是同频的，设Ey相对于Ex的位相差为δ，则：1、合成的偏振态仍为线偏振光其振幅：振动方向：2、（标准椭圆方程）即：时，轨迹方程是一样，但旋转方向不同。

若： 矩形框变为正方形框，椭圆退化为与此方框内切的圆—圆偏振光，其也存在右旋和左旋，其判断与椭圆偏振光一样。

3、普遍情形ϕϕ2222sin cos A E A E A E A E e e o o e e o o =-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛这是一个一般椭圆方程，它是以为边界的矩形相内切的椭圆，不过其主轴可以是倾斜的，至于主轴究终朝哪一边倾斜以及是左旋还是右旋，与δ在哪一象限有关。

结论：一般情形下为椭圆偏振光， 只有在一定条件下，才退化为圆偏振光和线偏振光。

10光波在各向同性介质界面上的反射和折射光在介质界面上的反射和折射，实质上是光与介质相互作用的结果。

简化处理- -不考虑光与介质的微观作用，根据麦克斯韦方程组和电磁场的边界条件进行讨论。

一．反射定律和折射定律条件：（1）两介质为均匀、透明、各向同性； （2）分界面为无穷大的平面；（3）入射、反射和折射光均为平面光波。

)r t k t t (i e t E n ))r r k t r (i e r E )r i k t i (i e i E (n E n )r E i E (n )H H (n )E E (n )D D (n )B B (n )r t k t t (i e t E t E )r r k t r (i e r E r E )r i k t i (i e i E i E t ⋅--⨯=⋅--+⋅--⨯⇓⨯=+⨯⇒⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=-⨯=-⨯=-∙=-∙⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⋅--=⋅--=⋅--=ωωωωωω0100得021*********由电电磁场边界条000电场表示式⏹ 上式对任何时刻t 成立，所以有t r i ωωω==，光在不同的介质中频率相同⏹上式应对整个界面的位置矢量r成立，所以有r k r k r k t r i ∙=∙=∙，入射光、反射光和折射光均在入射面内。

1、怎样利用波片将一个圆偏振光变成线偏振光？1、怎样利用波片将一个圆偏振光变成线偏振光,答使圆偏振光通过一块l/4波片，就能变成振动面与波片光轴成450角的线偏振光(圆偏振光可以分解成振动面沿波片光轴方向和垂直于光轴方向的两互相垂直的线偏振光，在波片的前表面，二者有?p/2相位差，过l/4波片后，又有了?p/2的相位延迟量，所以，这两互相垂直的线偏振光过波片后相位差非零即p，合成光仍为线偏振光(2、用怎样的措施获得圆偏振光,答让自然光通过起偏镜，得到振动方向平行于起偏镜透振方向的线偏振光(再让线偏振光通过一块 /4波片，波片晶轴z与线偏振光振动方向成450角，自l/4波片出射的就是圆偏振光(选取l/4波片使分解的o光和e光有?p/2的相位差，光轴z与入射线偏振光振动方向450的夹角，可使分解的o光和e光有相等振幅(3、有四束光，它们的偏振态分别是:线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和自然光，怎样鉴别它们,答:用一块检偏振器分别对四束光迎光旋转检验，当检偏振器旋转一周，发现出射光强两个方位最大，两个方位为零时，该光就是线偏振光;出射光强两个方位最大，两个方位变小时，该光即是椭圆偏振光;当出射光强不变时为圆偏振光和自然光(然后再区别圆偏振光和自然光(将这两束光分别通过l/4波片(通过l/4波片后，自然光还是自然光，用旋转的检偏振器检验，仍然光强不变;而圆偏振光通过l/4波片后变为线偏振光，用检偏振器检验，出现两次最大，两次零光强(4、实验室中有三块偏振器件, 偏振片、λ/2波片和λ/4波片, 其中λ/2波片和λ/4波片外形完全相同，但未标明记号(现在有一盏与之相应的钠光灯, 试问用什么方法和怎样的步骤能将它们辨认出来，并标明它们的特征方向(即透振或晶轴方向)(答:用实验室中的光滑桌面(或玻璃板面)反射钠光，透过三块未知的偏振器件观看反射的钠光，在此过程中，一边旋转偏振器件，一边改变反射光方向，三块偏振器件中必有一块出现:两明两零:的现象，它就是偏振片(此时，钠光的入射角就是布儒斯特角，反射光是振动面垂直于入射面的线偏振光(另两块是波片，无论怎样旋转它，无论怎样改变反射光线的方向，光强都不发生变化(现在有了一块偏振片，还有已知振动方向的线偏振光(将两块波片分别迎着线偏振光旋转，用偏振片检验出射光强的变化(如果不管在什么方位，总是出现:两明两零:的现象，这块波片一定是l/,波片，因为线偏振光经过l/,波片后仍然是线偏振光(而线偏振光通过l/4波片，仅在线偏振光的振动方向平行(或垂直)l/4波片晶轴的情况下，才会出射线偏振光(在线偏振光振动方向与晶轴成450角时，出射圆偏振光，一般情况下出射椭圆偏振光( 5、一束自然光通过偏振片后再通过λ/4波片射到反射镜上，欲使反射光不能透过偏振片，波片的快慢轴与偏振片的透振方向应该成多大角度,为什么,答:如图所示，欲使反射回来的光不能通过,片，光的偏振态必需是线偏振光，且振动面垂直于,片的透振方向(将偏振片的透振方向与波片C 的快(慢)轴成450角放置，自然光过偏振片后，所成的线偏振光振动面与波片快轴也成450角(因此，线偏振光过λ/4波片后成为圆偏振光(若所成的圆偏振光是右旋的(如图b)，则波片快轴沿竖直方向，光过波片后,竖直方向的振动超前水平方向振动p/2(右旋圆经反射镜反射后将变为左旋圆,迎着反射光看，竖直方向振动落后水平方向振动p/2(左旋圆偏振经过波片后,水平振动与竖直振动同相位，合成的线偏振光与入射光振动方向垂直，因此不能再次通过偏振片了(若波片快轴沿水平方向，也有同样结果。

产生线偏振光的方法
有多种方法可以产生线偏振光：
1. 通过偏振片：最常见的方法是使用偏振片来过滤非偏振光。

偏振片是一种具有定向分子结构的材料，可以选择性地吸收或透射特定方向上的光波。

当光通过一个偏振片时，它将只允许一个方向上的光通过，其他方向上的光将被吸收或减弱，从而产生线偏振光。

2. 通过自然光的反射、折射和透射：自然光在与界面接触时，通常会发生反射、折射和透射。

当自然光以特定角度入射到一个界面上时，反射光的振动方向与折射光的振动方向分离，这样就可以产生线偏振光。

3. 通过液晶器件：液晶是一种具有有序分子结构的材料，可以通过电场的作用来调整光的偏振状态。

通过将液晶材料置于适当的电场中，可以使光线发生相位差，并产生线偏振光。

4. 通过波片：波片是一种具有调整相位差的功能的光学元件，可以将自然光转换为线偏振光。

通过适当选择波片的厚度和材料，可以实现将自然光转换为特定方向上的线偏振光。

这些方法都可以用来产生线偏振光，具体选择哪种方法取决于实际需求和应用场景。

§17-10偏振光的获得和检测一、偏振光的获得1. 布儒斯特定律如果让自然光从折射率为n 1的介质射向折射率为n 2的介质而被界面反射，反射光中垂直于入射面的光振动成分将大于处于入射面内的光振动成分，当入射角等于某一特定角i 0时，反射光成为振动面垂直于入射面的线偏振光，并且i 0满足, (17-69)这个规律称为布儒斯特定律，i 0称为布儒斯特角或起偏角。

当入射角为i 0时，折射角为r 0，根据折射定律，应有. (17-70)将这个关系代入式(17-69)，得,即,这表示，当入射角为起偏角时，反射光与折射光互相垂直，如图17-40所示。

如果自然光从空气射到折射率为1.50的玻璃片上，根据布儒斯特定律，可以求得起偏角为56.3︒，此时的折射角为33.7︒。

当自然光以起偏角从一种介质入射到第二种介质的表面上，反射光成为线偏振光，而如果第二种介质没有特殊的吸收作用，那么折射光将成为部分偏振光，并且在入射面内的光振动成分将大于垂直于入射面的光振动成分。

假如让这样的部分偏振光连续几次作同样的反射和折射, 最后获得的折射光也必定是线偏振光。

2. 晶体的双折射现象在§8-7中讨论固体的一般性质时，曾涉及过晶体具有的一种普遍性质，即各向异性。

这里我们所要说的各向异性，是在某些透明晶体中光沿不同的方向具有不同的传播速率，具有这种性质的晶体，称为双折射晶体。

我们设想在各向同性的均匀介质中有一点光源s ，在任意瞬间光波的波面总是球面。

而在均匀的双折射晶体中，点光源s 发出的光波波面却有两组，一组是球面，另一组是旋转椭球面，如图13-41所示。

这两组波面在某一方向上彼此相切，如图中qq '的方向，这个方向称为晶体的光轴。

图 17-41在一般情况下，当平行自然光垂直入射到晶体的表面时，根据惠更斯原理，被照射的晶体表面上各点都是发射子波的波源，而子波的波面有球面和椭球面两种，所以子波波面的包络面也应有两种，即球面的包络面和椭球面的包络面。

实验报告学生姓名：学号：指导教师:实验地点：实验时间：一、实验室名称：偏振光实验室二、实验项目名称：偏振光实验三、实验学时：四、实验原理：光波的振动方向与光波的传播方向垂直。

自然光的振动在垂直与其传播方向的平面内，取所有可能的方向；某一方向振动占优势的光叫部分偏振光；只在某一个固定方向振动的光线叫线偏振光或平面偏振光。

将非偏振光（如自然光）变成线偏振光的方法称为起偏，用以起偏的装置或元件叫起偏器。

（一）线偏振光的产生1 •非金属表面的反射和折射光线斜射向非金属的光滑平面（如水、木头、玻璃等）时，反射光和折射光都会产生偏振现象，偏振的程度取决于光的入射角及反射物质的性质。

当入射角是某一数值而反射光为线偏振光时，该入射角叫起偏角。

起偏角的数值:与反射物质的折射率n的关系是：tan = n （1）称为布如斯特定律，如图i所示。

根据此式，可以简单地利用玻璃起偏，也可以用于测定物质的折射率。

从空气入射到介质，一般起偏角在53度到58度之间。

非金属表面发射的线偏振光的振动方向总是垂直于入射面的；透射光是部分偏振光；使用多层玻璃组合成的玻璃堆，能得到很好的透射线偏振光，振动方向平行于入射面的。

2. 偏振片分子型号的偏振片是利用聚乙烯醇塑胶膜制成, 子平行地排列在同一方向上。

线偏振光，如图2所示。

的偏振光束，是常用的起偏元件。

它具有梳状长链形结构的分子,---这些分因而产生用它可得到较宽片时，可观察到不同的现象， 如图3所示，图中（a ）表示旋转P ,光强不变，为自然光；（b ） 表示旋转P ,无全暗位置，但光强变化，为部分偏振光； （c ）表示旋转P ,可找到全暗位置，为线偏振光。

（二）圆偏振光和椭圆偏振光的产生线偏振光垂直入射晶片，如果光轴平行于晶片的表面，会产生比较特殊的双折射现象。

这时，非常光e 和寻常光o 的传播方向是一致的，但速度不同，因而从晶片出射时会产生相 位差2（n°-n e ）d（ 2）■ 0式中■ o 表示单色光在真空中的波长， n 。

偏振光产生的方法
偏振光产生的方法有以下几种：
1. 通过偏振片：偏振片是一种具有特定方向的光透过的光学装置。

当自然光通过偏振片时，只有与偏振片方向相同的光能透过，其他方向的光则被阻挡，从而产生偏振光。

2. 通过反射或折射：当光线以特定角度入射到介质界面上时，会发生反射和折射。

反射和折射现象会导致光的偏振，具体偏振方向取决于入射角度和介质特性。

3. 通过散射：当光与物体表面或介质中的微粒相互作用时，会发生散射现象。

根据散射过程中光的偏振特性，可以产生偏振光。

例如，光在大气中散射时，偏振方向与光入射方向垂直。

4. 通过受激辐射：在某些材料中，当受到外界激发或电场作用时，电子的跃迁会导致产生偏振光。

这种偏振光产生的方式被称为受激辐射。

5. 通过吸收和发射过程：某些物质在吸收特定波长的光后，会发射特定偏振方向的光，从而产生偏振光。

这种偏振光产生方式常见于染料或荧光物质。

需要注意的是，以上方法只是一些常见的偏振光产生方式，实际应用中还有其他更复杂的方法。

12.2线偏振光的获得与检验马吕斯定律1-线偏振光的获得与检验「利用选择吸收获得线偏振光Y利用反射获得线偏振光、利用晶体的双折射获得线偏振光某些物质能强烈地吸收某个方向的光振动，当自然光照射上时，只允许某个特定方向的光振动通过，形成偏振光。

勢二向色性：某些物质能吸收某一方向的光振动，而只让与这个方向垂直的光振动通过，这种性质称二向色性.(1)偏振片涂有二向色性材料的透明薄片。

如：聚乙烯醇浸碘后拉成薄膜，夹在两玻璃片间制成偏振片。

偏振化方向：当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向・(2)起偏偏振片用来产生偏振光时叫起偏器。

将自然光转变成偏振光的过程称为起偏。

偏振化方向I人眼是不能直接区分自然光与偏振光的，而利用偏振片能够检验一束光是否是偏振光，此时偏振片就叫做检偏器・(3)检偏偏振片用来检验光的偏振状态时叫检偏器。

当P\〃 P、2时，0 = 07 F 当尸1丄尸2时，^ = 2透射光为0。

(消光)自林检测偏振光的过程称为检偏。

透射光最强2■马吕斯定律马吕斯(Etienne Louis Malus 1775-1812 )•法国物理学家及军事工程师.1808年起在巴黎工艺学院工作.1810年被选为巴黎科学院院士.曾获得过伦敦皇家学会奖章.马吕斯从事光学方面的研究。

1808年发现反射时光的偏振，确定了偏振光强度变化的规律(现称为马吕斯定律)。

他研究了光在晶体中的双折射现象.1811年，他与J.毕奥各自独立地发现折射时光的偏振”提出了确定晶体光轴的方法, 研制成一系列偏振仪器.4 P将通过p、的光矢量振幅八1, 分解为平行于巴的分量八2和垂直于巴的分量九o垂直分量心不能通过& ,平行分量心可通过/。

A,两偏振片偏振化方向夹角为0。

o \由于光强与光振幅平方成正比,I OC 厶OC 普=cos20马吕斯定律I2 = I] cos2& = £ 厶cos" & 讨论：1•当& = 0或0 =兀时，=厶2•当& =管或& =琴时，/ 02 2 「人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的，但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。

自然光获得线偏振光的方法自然光是指没有经过任何处理的光线，它是由各种波长的光线组成的，具有无规律的振动方向和振幅。

而线偏振光则是指光线中只有一个方向的振动方向，具有明显的偏振性质。

在实际应用中，我们经常需要将自然光转化为线偏振光，以满足不同的需求。

本文将介绍几种以自然光获得线偏振光的方法。

1. 偏振片法偏振片是一种具有偏振性质的光学元件，它可以将自然光转化为线偏振光。

偏振片的原理是利用了光的波动性质，将振动方向与偏振片的分子结构相同的光线透过，而将振动方向与偏振片的分子结构垂直的光线吸收掉。

因此，只有与偏振片的分子结构相同的光线通过偏振片，其他光线都被吸收了。

这样，我们就可以通过偏振片来获得线偏振光。

2. 偏振器法偏振器是一种具有偏振性质的光学元件，它可以将自然光转化为线偏振光。

偏振器的原理是利用了光的波动性质，将振动方向与偏振器的分子结构相同的光线透过，而将振动方向与偏振器的分子结构垂直的光线吸收掉。

与偏振片不同的是，偏振器可以调节透过的光线的偏振方向，因此可以获得不同方向的线偏振光。

3. 偏振棱镜法偏振棱镜是一种具有偏振性质的光学元件，它可以将自然光转化为线偏振光。

偏振棱镜的原理是利用了光的波动性质和折射性质，将振动方向与偏振棱镜的分子结构相同的光线折射，而将振动方向与偏振棱镜的分子结构垂直的光线反射。

因此，只有与偏振棱镜的分子结构相同的光线通过偏振棱镜，其他光线都被反射了。

这样，我们就可以通过偏振棱镜来获得线偏振光。

4. 偏振滤波器法偏振滤波器是一种具有偏振性质的光学元件，它可以将自然光转化为线偏振光。

偏振滤波器的原理是利用了光的波动性质和吸收性质，将振动方向与偏振滤波器的分子结构相同的光线透过，而将振动方向与偏振滤波器的分子结构垂直的光线吸收掉。

与偏振片不同的是，偏振滤波器可以调节透过的光线的偏振方向，因此可以获得不同方向的线偏振光。

以上几种方法都可以以自然光获得线偏振光。

在实际应用中，我们可以根据具体需求选择不同的方法来获得所需的线偏振光。

反射光与折射光的偏振自然光可分解为振动方向互相垂直的两种光。

自然光射到两种透明介质的分界面上发生反射和折射时，由于反射率和折射率与光的振动方向有关，反射光和折射光都将成为部分偏振光，在特殊情况下，反射光将是线偏振光。

用E P 表示平行于入射面的电矢量振动的振幅，E P1、E ’P1、E ’P2分别代表入射光、反射光和折射光的电矢量振动的振幅；i 表示入射角，r 表示折射角，则根据菲涅耳公式（参见“菲涅耳公式”），反射比,)tan()tan(p1p1p r i r i E E r +-='=（1） 透射比).cos()sin(cos sin 2p12p p r i r i ir E E t -+==(2)用S E 表示垂直于入射面的电矢量振动的振幅,1S E 、1S E '、2S E 分别代表入射光、反射光和折射光的电矢量振动的振幅，则反射比,)sin()sin(11r i r i E E r S S S +--='=（3） 透射比).sin(cos sin 212r i ir E E t S S S +==（4）由（1）式可知，当2π=+r i时，0/11P ='E E P。

这表示反射光中没有平行于入射面的电矢量，即反射光成为垂直于入射面的线偏振光。

所以这是利用反射从自然光得到偏振光的一种方法。

这时的入射角i 叫做偏化角，通常用p i 表示。

由于rr n i n r i sin ,sin sin ,22p 1p ==+πp cos i =，所以.arctan ,tan 12p 12p n ni n n i ==（5） 这个公式所表示的规律叫做布儒斯特定律，p i 又叫布儒斯特角。

反射引起偏振的现象是法国物理学家马吕斯（Malus,Etienne Louis,1775～1812）在1808年发现的。

反射起偏的规律，即布儒斯特定律，是英国物理学家布儒斯特（Breuster,D.B.1781～1868）在1812年发现的。