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上海交通大学大学物理课件16光学(偏振)PPT
§16.1 光的传播与偏振 §16.2 光的干涉 §16.3 光的衍射 十七世纪下半叶 牛顿:光的微粒说 惠更斯:光的波动说 十九世纪初 托马斯 ? 杨:双缝干涉实验、直边衍射现象 菲涅尔:光的波动理论 十九世纪中叶 麦克斯韦:光的电磁波理论 十九世纪末二十世纪初 爱因斯坦:光子假设 光的量子说 简短的历史回顾 几何光学: 以光的直线传播为基础,研究光在透明介质中的传播问题。 波动光学: 以光的波动性为基础,研究光的传播及其规律。 量子光学: 以光和物质相互作用时所显示出的粒子性为基础,来研究光的一系列规律。 现代光学: 反映了光学进一步与各个科技领域的紧密结合。 §16.1 原子发光模型 一、光源和光谱: 光源:发光的物体 类型: · 普通光源(自发辐射) · 激光光源(受激辐射) 热(辐射)光源 白炽灯、弧光灯、太阳… 非热辐射光源(冷光源) 气体放电管、日光灯、萤火虫… 原子发光 激发态寿命 10-11~10-8 s 自发辐射 ?一定频率,长度有限的光波列 二、原子发光模型 E1 E2 基态 激发态 能级 普朗克常数: 原子光波列 普通光源发光的两个特点: 随机性:不同原子的发光是随机的,同一原子先后每次的发光也是随机的, 所发出的各波列在振动方向, 频率, 振幅和振动初位相都各不相同。 间歇性:各原子发光是断断续续的,平均发光时间?t 约为10-8秒,所发出的是一段一段长为 L=c?t 的光波列。 普通光源发光: 大量原子持续、随机地发射的光波列 :频谱宽度 或 理论可证明: 波矢 ? 0 ? o I I0 I0 /2 ?? 有限长的单色波列 单色波: 或 16.2 光的偏振现象 一、(完全)偏振光 1、线偏振态(平面偏振态) 光矢量在传播中始终保持在一个固定平面上振动。 垂直 平行 2、圆偏振态 光矢量绕着光的传播方向旋转,光矢量的端点轨迹是一个圆 右旋圆偏振光与左旋圆偏振光: 右旋圆偏振光 迎着光线看,矢量顺时针转的称右旋圆偏振光, 光矢量逆时针转的称左旋圆偏振光 y y ?/2 某一时刻 E 的波形图如下,判断是左旋还是 旋圆偏振光 右旋 y z 0 左旋 x y 圆偏振态可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、周相差为?/2 线偏振光。 圆偏振光波不仅携带能量和动量,还有角动量 3、椭圆偏振态 光矢量绕着光的传播方向旋转,光矢量的端点轨迹是一个椭圆。 也有右旋椭圆偏振光与左旋椭圆偏振光 右旋椭圆 偏振光 椭圆偏振态可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、周相差恒定的 线偏振光的叠加。 二个相互垂直、同频率、相位差确定的线偏振光的叠加 当 时为椭圆偏振光 当 ,且振幅相等时为圆偏振光 椭圆(圆)偏振光 光源上一个原子一次发出的是一个线偏振光 波列,持续时间约10-8秒。 各原子是独立地、随机地发光的。光矢量的大小、方向、初位相等等也是随机的。 在我们观察的时间?t 内,在哪个方向都不占优势了,它们对其传播方向形成轴对称分布。 二、自然光(非偏振光) 这种大量振幅相同、有各种振动方向、彼此没有固定相位关系的光矢量的组合叫非偏振光或自然光 没有优势方向 自然光的光强 自然光用图表示为 一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。 自然光的分解 三、部分偏振光 光强的分布不是轴对称 光矢量的振动方向不具有轴对称分布,而是在某一方向占优势,称部分偏振光,它介于自然光与线偏振光之间。 部分偏振光的分解 ? 部分偏振光 部分偏振光的图示 四、偏振片 偏振片是以利用晶体的各向异性(对某一方向的光振动有强烈吸收:消光方向,另一方向可以通光:称为偏振化方向)起偏. 类似机械波通过狭缝 通光方向 线偏振光通过偏振片P前后的光强关系: 五、 Malus 定 律 ? I0 I P 式中? ?是线偏振光的光振动方向与检偏器透振方向间的夹角 P E0 ? E=E0cos? ——消光 改变?,I 随之改变 线偏振光 偏振片 屏 一束光强为I0的线偏振光,透过检偏器以后,透射光的光强为 I=I0cos2 ? ? 称为马吕斯定律。 若光源为自然光 自然光 偏振片 屏 自然光入射,出射光强为 证明: 六、 检偏 用偏振器件分析、检验光束的偏振状态称“检偏”。偏振片既可“起偏” 设入射光是自然光、线偏振光、或部分偏振光,如何用偏振片来区分它们? 又可“检偏” 例:如图, 在两偏振化方向垂直的P1与P2之间放置另一偏振片P3,求 I2=?, 但,对部
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