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光学知识整理-偏振光

news 2025/6/25 16:29:14

偏振光

  • 目录
    • 基础概念
    • 基础概念的补充
    • 平面偏振光（线偏振光）
    • 部分偏振光
    • 圆偏振光
    • 椭圆偏振光
    • 菲涅耳公式
      • 相位关系
    • 反射折射所引起的偏振态的改变
    • 斯托克斯倒逆关系
    • 重要参数

目录

基础概念

  1. 光是横波：光是电磁波,其电场分量(电场强度)E、磁场分量(磁感应强度)B都与光的传播方向(用波矢k表示)垂直,所以光波是横波.（P62）
  2. 偏振：振动方向相对于传播方向的不对称性（P62）
  3. 二向色性：只有振动方向和透振方向一致的光才能从晶体透射
  4. 起偏：通过某种方法或使用某种光学元件,使光变为具有偏振特性.
  5. 检偏：检偏通过某种方法或使用某种光学元件,检验光的偏振特性.
  6. 透偏方向：透振方向从偏振器件通过的光的电矢量的振动方向.例如,上述金属线栅中垂直于金属丝的方向就是透振方向.
  7. 超声波：超出人正常能听到的频率的声波
  8. 自然光通过起偏器后,如果不考虑起偏器对光强的吸收,则透射光强为入射光强的一半.

基础概念的补充

证明光是横波的两种方法

  • 双散射实验
  • 二向色性晶体透射实验

光波和其他的波的区别

  • 比普通的电磁波和机械波频率要高的多
  • 不可控，是通过原子或者离子跃迁自发进行的

证明：自然光通过起偏器后,如果不考虑起偏器对光强的吸收,则透射光强为入射光强的一半.

在这里插入图片描述

平面偏振光（线偏振光）

概念

自然光经过起偏器(二向色性晶体、偏振片等)后,由于只有平行于起偏器透振方向的电矢量能够通过,因而透射光只包含单一振动方向的电矢量.这种电矢量始终在一个平面内振动的光,或者电矢量振动的投影是一条直线的光,就是平面偏振光(plane-polarized light)或线偏振光(linearly polarized light).

马吕斯定律

在这里插入图片描述
其中，如果使平面偏振光垂直地射向偏振片，而该偏振片的透振方向与入射光的偏振平面之间的夹角为ɵ

部分偏振光

概念

如果光的偏振特性介于自然光和线偏光之间,则被称作部分偏振光

偏振度

在这里插入图片描述
其中，用偏振片检验透过的光强,则在某个方向,透射光强最大,记为Imax ;在与其垂直的方向,透射光强最小,记为Imin.

结果分析：偏振度0≤P≤1.如果Imax=Imim ,就是自然光，即每个方向都一致,偏振度P=0;如果Imin=0,就是平面偏振光,偏振度P=1，即于平面偏振光方向垂直光强为0.

圆偏振光

概念

圆偏振光正确的物理图像应该这样描述:在一个与波矢垂直的固定平面内,其光矢量(电矢量)以固定的角速度绕波矢旋转.

分解为两个平面偏振光

由波的矢量叠加可以判断,圆偏振光可以分解为两个振幅相等的相互垂直的平面偏振光,这两个平面偏振光具有Π/2的相位差，分解后场强表示为：
在这里插入图片描述
其中k是波长的倒数，w是角速度

椭圆偏振光

概念

与圆偏振光相比，旋转时光矢量数值变化如椭圆

正交分解

在这里插入图片描述

椭圆长轴或短轴与坐标轴的夹角为

在这里插入图片描述

计算方法：先转化为标准形式，再按照下列公式计算
在这里插入图片描述

椭圆旋转方向

在这里插入图片描述
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联系

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例题

在这里插入图片描述
计算方法：将偏振光分解为两个平面偏振光，并假设光强最大透射方向为椭圆长轴方向，计算光强投影分量即可

菲涅耳公式

数学表达式

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透射率和反射率

在这里插入图片描述
3.3.5等式的转换方式是根据根据斯涅尔定律（Snell’s Law）进行转化，即折射角和入射角之间的关系可以由下式给出：
n1 * sin(θ1) = n2 * sin(θ2)

能流透射率

在这里插入图片描述

相位关系

折射角

在这里插入图片描述

反射角

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结论：
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反射折射所引起的偏振态的改变

垂直入射

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布儒斯特定律

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例题3.4.2总结

  • 折射光振幅计算是根据i1+i2=Π/2转换
  • 光强其实就是振幅的平方乘以透射率
  • 折射光的偏振度就是比较两个分量，相当于是椭圆

折射光变为偏振光

在这里插入图片描述

布儒斯特窗

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斯托克斯倒逆关系

在这里插入图片描述

重要参数

消光比

消光比=最小透射光强/最大透射光强
其中，透射光强的计算用马吕斯定律

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