第五章 光的偏振1 试确定下面两列光波的偏振态。
)]2/cos()cos([01πωω--+-=kz t e kz t e A E y x)]2/sin()sin([02πωω--+-=kz t e kz t e A E y x解:(1)两分振动的振幅:A x =A y =A 0 ,相位差:φy -φx = -π/2所以该光为左旋圆偏振光。
(2)振动方程可写为:)]2/2/cos()2/cos([01ππωπω+--++-=kz t e kz t e A E y x两分振动的振幅:A x =A y =A 0 ,相位差:φy -φx = -π/2该光仍然为左旋圆偏振光。
2 为了比较两个被自然光照射的表面的亮度,对其中一个表面直接进行观察,另一个表面通过两块偏振片来观察。
两偏振片的透振方向的夹角为600,若观察到两表面的亮度相同,则两表面的实际亮度比是多少?已知光通过每一块偏振片后损失入射光能量的10%。
解:设直接进行观察的表面的强度为I 0,用偏振片进行观察的表面的强度为I ;已知两偏振片透振方向的夹角θ=600。
表面反射的光经过第一个偏振片后的光强度:I I I 209%)101(21=-=' 经过第二个偏振片后的光强度:I I I 80081%)101(cos 2=-'=''θ 因观察到两表面的亮度相等,则有:0I I =''解得两表面的实际亮度之比:10:1800:81:0≈=I I3 两个尼科耳N 1和N 2的夹角为600,在它们之间放置另一个尼科耳N 3,让平行的自然光通过这个系统。
假设各尼科耳对非常光均无吸收,试问N 3和N 1的透振方向的夹角为何值时,通过系统的光强最大?设入射光强度为I 0,求此时所能通过的最大光强。
解:设第三个尼科尔N 3与第一个N 1的夹角为θ,则与第二个N 2的夹角有两种情况:(1)β= 600 -θ (2)β= 600 +θ在β= 600 -θ的情况下:设平行自然光的强度为I 0,通过N 1的光强度为:0121I I = 通过N 3的光强度为: θθ20213cos 21cos I I I == 图(1) 图(2) 最后通过N 2的光强度为: )60(cos cos 21)60(cos 02200232θθθ-=-=I I I 应用三角变换公式:)]cos()[cos(21cos cos y x y x y x ++-= 化简得到:2002]21)602[cos(81+-=βI I 使I 2取极大值的条件:1)602cos(0=-β即:030=β,或:030=θ, N 3与N 1的夹角:030=θ 最后通过系统的光强度:02329I I = 用同样的方法可解出图(2)中,N 3与N 1的夹角:030=θ4 在两个正交的理想偏振片之间,有一个偏振片以匀角速度ω绕光的传播方向旋转(见图),若入射的自然光强度为I 0,试证明透射光强度为: )4c o s 1(160t I I ω-=解:设在计时起点,N 1与N 2的夹角为0,则在t 时刻,N 1与N 2的夹角为:θ=ωt ,与N 3的夹角为β=900-ωt 。
通过N 1的光强度为: 0121I I =通过N 2的光强度为:t I t I I ωω20212cos 21cos == 最后通过N 3的光强度为: )90(cos cos 21)90(cos 02200223t t I I I ωωθ-=-= 因:t t t t t ωωωωω2sin 21sin cos )90cos(cos 0==-24cos 12sin t t ωω-±= 最后证得:)4cos 1(160t I I ω-=5 线偏振光入射到折射率为1.732的玻璃片上,入射角是600,入射光的电矢量与入射面成300角。
求由分界面上反射的光强占入射光强的百分比。
解:根据折射定律:2211sin sin i n i n =已知入射角: 0160=i计算得到折射角:0230=i把入射线偏光矢量A 沿与入射面垂直和平行两个方向分解,分别为:A A A s 2130sin 0== A A A p 2330cos 0== 根据菲涅耳公式:)sin()sin(2121i i i i A A s s +-=' )()(2121i i tg i i tg A A p p +-=' 计算得到,反射光沿与入射面垂直和平行方向的分振幅:A A A s s4121==' 0='p A 则合振幅:A A 41=' 反射光强与入射光强之比: %25.6)41(2=='A A I I6 一线偏光垂直入射到一方解石晶体上,它的振动面和主截面成300角,两束折射光通过在方解石后面的一个尼科耳棱镜,其主截面与入射光的振动方向成500角,计算两束透射光的相对强度。
解:设入射线偏光的光振幅为A ,经方解石透射出来的两束线偏光的光振幅分别为: 030sin A A o = 030cos A A e =尼科耳主截面NN '与入射光的振动方AA '向成500角,与方解石主图1 图2截面OO '的夹角有两种情况,见图(1)和图(2)。
在图(1)中,经尼科耳棱镜出射的两束线偏光的光振幅:000110sin 30cos 10sin A A A e ==000210cos 30sin 10cos A A A o == 两束透射光的相对强度:0933.0)(22121==A A I I 在图(2)中,经尼科耳棱镜出射的两束线偏光的光振幅:000120sin 30sin 10sin A A A e ==000220cos 30cos 10cos A A A o == 两束透射光的相对强度:044.0)(22121==A A I I7 线偏振光垂直入射到一块光轴平行于表面的方解石波片上,光的振动面和波片的主截面成300角,求:(1)透射出来的寻常光和非常光的相对强度是多少?(2)用钠光入射时如要产生900的相位差,波片的厚度应为多少?(λ=589nm )解:(1)经波片透射,形成的o 、e 两束线偏光的振幅:030sin A A o = 030cos A A e =相对光强度:3:1:=e o I I(2)已知方解石:n e =1.486、n o =1.658,波长:λ=589nm由: )(2e o n n d -=∆λπϕ 且知: 2πϕ=∆ 得到波片的厚度:cm n n d e o 5102.8)(4-⨯=-=λ8 有一块平行石英片是沿平行于光轴方向切出的,要把它切成一块黄光的1/4波片,问这块石英片应切成多厚?石英:n e =1.552、n o =1.543、λ=589.3nm解:由: 4)12()(λ+=-k n n d e o得到波片的厚度:cm k d 31064.1)12(-⨯⨯+=9 (1)线偏振光垂直入射到一个表面和光轴平行的波片,透射出来后,原来在波片中的寻常光和非常光产生了π的相位差,问波片的厚度为多少?已知::n e =1.553、n o =1.544、λ=500nm 。
(2)问这块波片应怎样放置才能使透射出来的光是线偏光,而且它的振动面和入射光的振动面成900角?解:(1)根据题意,这是一个1/2波片,由: 2)12()(λ+=-k n n d e o 得到波片的厚度:cm k d 31075.2)12(-⨯⨯+=(2)线偏光经过1/2波片后仍然是线偏光,但透射光矢量的振动方向将从原来的方向转过2θ,已知:2θ= 900 ,则应使波片的光轴与入射光矢量的方向成450角。
10 线偏振光垂直入射到一块表面平行于光轴的双折射波片,光的振动面和波片光轴成250角,问波片中的寻常光和非常光透射出来后的相对强度如何?解:经波片透射,形成的o 、e 两束线偏光的振幅:025sin A A o = 025cos A A e =相对光强度:2174.0:=e o I I11 在两个正交尼科耳棱镜N 1和N 2之间垂直插入一块波片,发现N 2后面有光出射,但当N 2绕入射光向顺时针转过200后,N 2的视场全暗。
此时,把波片也绕入射光顺时针转过200,N 2视场又亮了。
问:(1)这是什么性质的波片;(2)N 2要转过多大的角度才能使N 2的视场又变为全暗?解:(1)当N 2绕入射光向顺时针转过200后,视场变为全暗的,只有线偏光才会产生这种全暗的现象,并且光经N 1后为线偏光,线偏光经过半波片后仍然是线偏光,所以该波片是1/2波片。
(2)根据题意,线偏光光矢量的方向经过半波片后,转过的角度是400,若要使N 2的视场又变为全暗,必须也要转过400角。
12 一束圆偏振光,(1)垂直入射到1/4波片上,求透射光的偏振状态;(2)垂直入射到1/8波片上,求透射光的偏振状态。
解:因入射光为圆偏振光,则两线谝光的相位差为:2/0πϕ±=∆(1)当透过1/4波片时,产生的附加相位差:2/πϕ±='∆则两线偏光的合相位差:πϕϕϕ±='∆+∆=∆0 或00='∆+∆=∆ϕϕϕ 即圆偏光通过1/4波片后,透射光为线偏光。
(2)当通过1/8波片后,产生的附加相位差:4/πϕ±='∆则两线偏光的合相位差:4/30πϕϕϕ±='∆+∆=∆ 或 4/0πϕϕϕ±='∆+∆=∆即圆偏光通过1/8波片后,透射光为椭圆偏光。
13 试证明一束左旋圆偏光和一束右旋圆偏光,当它们的振幅相等时,合成的光是线偏振光。
解:根据题意,可写出两光的波方程。
左旋圆偏光:])sin()[cos(1j kz t i kz t A E ---=ωω右旋圆偏光:])sin()[cos(2j kz t i kz t A E -+-=ωω两个方程变形为:j kz t i kz t A E )sin()cos(/1---=ωωj kz t i kz t A E )sin()cos(/2-+-=ωω将两个方程两边平方相加: 2222221=+AE A E 即: 222212A E E =+ 说明合成的光波是线偏光。
14 设一方解石波片沿平行光轴方向切开,其厚度为0.0343mm ,放在两个正交的尼科耳棱镜间。
平行光束经过第一尼科耳棱镜后,垂直地射到波片上,对于钠光(λ=589.3nm)而言,晶体的折射率:n e =1.486、n o =1.658,问:通过第二个尼科耳棱镜后,光束发生的干涉是加强还是减弱?如果两个尼科耳棱镜的主截面是相互平行的,结果又如何?解:根据题义,把方解石切割为波晶片,系统最后透射出来的光产生偏光干涉现象。