第十七章 - 光的偏振(20131103)

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第七章 光的偏振

电磁理论预言，光和所有电磁辐射一样是横波，光振动的电矢量与磁矢量都和光的传播方向垂直。但光波是横向振动这一特点并不能由前两章所描述的干涉与衍射实验推出，因为声波这一类纵波也表现出干涉与衍射效应。英国科学家杨氏在1817年首先提供了确证光为横波的实验基础，同时代的法国科学家阿拉果和菲涅耳在实验中，让一光束投射到一块方解石晶体上，产生了两条互相分离的光束（见本章光的双折射现象一节），令人惊奇的是，产生于同一光束的两条光却不能产生干涉条纹，而只是产生均匀的照度。杨氏由此推断，光一定是横波，并且这两束光的振动方向一定是相互垂直的，因为互相垂直的两个振动才不会表现出干涉效应。本章将研究光的偏振现象，着重介绍光的偏振态概念，重点讨论几种获得和检验线偏振光的方法。在工程应用领域，许多光学仪器的工作原理以及光学检测技术都是利用偏振光知识作为基础的。

17.1 自然光和偏振光

17.1.1自然光

在光波的传播路径上每一点振动的电场强度矢量E和磁场强度矢量?互相垂直，且

??E、?与光波的波矢量?的方向也是互相垂直的，三者构成右手螺旋关系， 如图17-1所示。E、?中能够引起感光作用和生理作用的是电场强度矢量E，所以将E称为光矢量。

在普通光源中，光是由构成光源的大量分子或原子独立发出的光波列的振动叠加。由于发光的原子或分子很多，不可能把一个

原子或分子所发射的光波分离出来，因为 图17-1 电磁波的E、?和传播方向? 每个分子或原子发射的光波是独立的，所以，从振动方向上看，所有光矢量不可能保持一定的方向，而是以极快的不规则的次序取所有可能的方向，每个分子或原子发光是间歇的，不是连续的。平均地讲，在垂直于波矢量且环绕于波矢量的一切可能的方向上，都有光振动，并且没有一个方向比另外一个方向占优势，即在一切可能方向上光矢量振

??????????2

动强度相等，光矢量E对光的传播方向是轴对称分布的，这便是自然光的定义, 如图17-2所示。

图17-2 自然光的光矢量轴对称分布

??K ( 传播方向）

我们把光矢量E的振动方向和光的传播方向所构成的面称之为光的振动面。显然，自然光没有确定的振动面，但在任意时刻，我们可以把各个光矢量分解成两个互相垂直的光矢量，如图17-3所示，这两个方向是平均振幅和强度相等的非相干光振动，分解后两方向的振动由于没有固定的相位差，故不能叠加成某一单方向的光振动。为了简明表示光振动的偏向性，常用和传播方向垂直的等距离分布的短线表示图面内的光振动，而用等距离分布的小圆点表示与图面垂直的光振动。如图17-4所示。

?K ?? K

图17-3 自然光光矢量的分解 图17-4 自然光的表示法

17.1.2 线偏振光与部分偏振光

由上可知，自然光可表示成二互相垂直的独立的光振动，实验指出，自然光经过某些物质反射、折射或吸收后，只保留沿某一方向的光振动。

只包含有单一方向的光振动，振动面是确定的光束称为线偏振光（或完全偏振光或平面偏振光），图17-5分别表示的是光振动面平行于图面及垂直于图面的线偏振光。

?K ( 光振动平行图面）

?

K ( 光振动垂直图面）

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图17-5 线偏振光的表示法

某一方向的光振动比与之互相垂直的方向的光振动占优势且两方向的光振动没有确定的相位关系，这种光称为部分偏振光。部分偏振光可看成是由自然光和线偏振光混合而成，图17-6分别表示了平行图面振动占优势以及垂直图面振动占优势的部分偏振光的表示方法。需要指出的是，这种表示只具有光强定性的意义，并非光强大小的定量化表示。

?

K ( 平行图面振动较强）

?

K ( 垂直图面振动较强）

图17-6 部分偏振光的表示法

17.2 起偏和检偏 马吕斯定律

太阳光通常意义来说就是自然光，太阳光经过物体的反射、折射及散射后，一般会变成部分偏振光或偏振光。光是横波，在自然光中，由于一切可能的方向都有光振动，因此产生了以传播方向为轴的对称性，为了考虑光振动的本性，我们设法从自然光中分离出沿某一特定方向的光偏振，也就是把自然光改变为线偏振光。光的偏振现象在技术中有很多应用．例如拍摄水下的景物或展览橱窗中的陈列品的照片时，由于水面或玻璃会反射出很强的反射光，使得水面下的景物和橱窗中的陈列品看不清楚，拍摄出来的照片也不清楚．如果在照相机镜头上加一个偏振片，使偏振片的透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以把这些反射光滤掉，而摄得清晰的照片. 17.2.1．偏振片

现今在工业生产中广泛使用的是人造偏振片，它利用某种只有二向色性的物质的透明薄体做成，它能吸收某一方向的光振动，而只让与这个方向互相垂直的光振动通过（实际上也有吸收，但吸收不多）,它是由偏振膜、保护膜、压敏胶层及外保护膜层压成的复合材料，一般用高分子化合物聚乙烯醇薄膜作为基片，再浸染具有强烈二向色性的碘，经硼酸水溶液还原稳定后，再将其单向拉伸4~5倍制成。为了便于使用，我们在所用的偏振片上标出记号“”，表明该偏振片允许通过的光振动方向，这个方向称做“偏振化4

方向”，也叫透光轴方向。如图17-7所示情况，自然光经偏振片P变成了线偏振光。

P ? K

17.2.2．起偏和检偏

P ? K

图17-7 偏振片及偏振片的起偏

通常把能够使自然光成为线偏振光的装置称为起偏振器。如图17-7所示的偏振片P就属于起偏振器。

用来检验一束光是否为线偏振光的装置通常称为检偏振器，如图17-8所示的P也可做检偏振器。让一束线偏振光入射到偏振片P上，当 P的偏振化方向与入射线偏振光的光振动方向相同时，则该线偏振光仍可继续经过P而射出，此时视场观察是明亮的；把P沿入射光线为轴转动?角（0????2）时，线偏振光的光矢量在P的偏振化方向

有一分量能通过P，可观测到视场是非暗的；当P转动??时，则入射P上线偏振光2振动方向与P偏振化方向垂直，故无光通过P，此时视场观测是暗的（消光）。在P转动一周的过程中，可发现视场观测从明到暗（消光），然后再从暗（消光）到眀变化。

P

?K（最明）

?=0 P ??K（明，但非最明）

0????2

P ?K（最暗：消光）

?=?2

5

P ?K（最明）

?=? P

?K（最暗：消光）

?=3?2

图17-8 偏振片的检偏

显然，经过偏振片检偏后：（1）线偏振光入射到偏振片上后，偏振片旋转一周（以入射光线为轴）过程中，发现透射光两次最明和两次最暗（有消光现象）。（2）若自然光入射到偏振片上，则以入射光线为轴转动一周，则透射光光强不变。（3）若部分偏振光入射到偏振片上，则以入射光线为轴转动一周，则透射光有两次最明和两次最暗（但没有消光现象）。 17.2.3 马吕斯定律

如图17-9所示，自然光入射到偏振片P1上，P1的透射光又通过偏振片P2，这里P1

为起偏振器，P2相当于检偏振器。透过P2的线偏振光其光强的变化规律如何？马吕斯（Malus）研究了这一规律。

图17-9 马吕斯定律

P1 P2 ? K 自然光

起偏振器 偏振光

I o 检偏振器

I P透过 2 偏振光

设P1 、P2 的二偏振化方向为P1P1?、P2P2?，夹角为?，如图17-10所示。自然光经P1后变成线偏振光，光强为??，光矢量振幅为??。光振动??分解成与P2平行及垂直的二个分矢量，标量形式分量为：

??||???cos? ???????sin?

因为只有?||能透过P2，所以透过光的光振动振幅

P2 ??P1 ? Ao ? ? A? ? P2 ? A// 为???||???cos?(不考虑吸收)。由于光强正比于 光振动振幅的平方，故透射光与入射光光强之间的关系为：

? P1

图17-10 马吕斯定律推导

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