当前课程知识点:大学物理2 (电磁学、光学和量子物理) > WEEK11 > 反射和折射光偏振 > 反射和折射及散射光的偏振
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同学好
这节我们讲
反射 折射及散射光的偏振
光在界面反射和折射时
会产生偏振现象
假如自然光斜入射,
反射光和折射光通常是部分偏振光
原因是
自然光可以分解成两个线偏振光
其中一个偏振面平行于入射面
叫p波
另一个是垂直于入射面的
叫s波
这两个偏振光的反射率不同
有个特殊角度
以这个角度入射的时候
p波的反射率就是0
如果是自然光入射
那此时只有s波反射
也就是反射光是偏振面垂直于
入射面的线偏振光
这个角度叫布儒斯特角
这是布儒斯特最先发现的
现在利用电磁场理论
很容易证明有这个角的存在
而且可以具体计算这个反射率
这个角很特殊
此时反射光和折射光
传播方向互相垂直
根据折射定律
很容易定出布儒斯特角
结果也很简单
我们把它叫布儒斯特定律
如果是空气到玻璃
假设玻璃折射率为1.5
空气到玻璃时
布儒斯特角为56度18分
如果是玻璃到空气
同样有布儒斯特角
它是33度42分
这两个角当然互余
因为反射和折射方向是互相垂直的
利用布儒斯特角的特性
可以提高摄像或摄影的影像质量
比如要斜着拍摄橱窗内的物体
这时由于反射光的干扰
里边的物体成像不清楚
这是裸镜拍摄效果
因为外面大楼的反射
里边的像不是很清楚
但假如斜着的角度
是接近布儒斯特角的
差个10度8度也可以
我们知道此时反射光是
s波为主的部分偏振光
所以假如镜头上加上偏振片
偏振化方向调到使s波消光
或者我们说把s波全部滤掉
只有少量的p波反射成分
反射光的干扰降到最小
就可以大大提高像片清晰度
所以镜头加上偏振片后
照出来的像
里边的物体非常清晰
这是另外两个像片的对照
一个是加偏振片滤光
另一个没有加
利用反射光的偏振特性
我们可以做玻璃片堆
起偏和检偏的器件
我们来看一下
对于以布儒斯特角入射的时候
反射光这时候是
完全的线偏振光
那么对于从空气到玻璃
这么一种入射的情况
我们前面简单算过
布儒斯特角可能56度多一些
那么这个时候我们也可以计算
这个反射光的强度
那么算出来的反射率就这个
这种振动的 反射率它是15%
当然另一种偏振的
我们把它叫做p波
这个时候它是没有
那个成分的反射光的
那么如果我用这个反射光
作为偏振光的话
那光强太弱 对吧
那怎么办呢
我们通常是利用多次反射
得到透射的偏振光
也就是说我们把这些玻璃片
堆在一起
编成玻璃片堆
那么你以布儒斯特角入射的时候
这时候反射光都是这种偏振光
线偏振光
就是s波的这种成分
那么经过多次这种反射以后呢
这种偏振的成分呢
在这个自然光里面
几乎都反射没了
那么透射过来的
不就只剩下这样偏振的
这是p波成分了吗
就这种思路
我们可以利用利率的公式
计算透射光当中p波成分
和s波成分的百分比
假如说你用了玻璃片是10片
那么这个时候呢
你算出来透射光里边
那种s波的成分
就是这种偏振的成分
这里边大概只占3.9%了
其余96%都是这样p波成分
这样的偏振
那么这个偏振程度已经很好了
那假如我多用一点
用到15片会怎么样呢
用15片的结果是
这种振动的偏振成分
几乎就是99%
所以这是一个比较好的
线偏振光了
所以你用这种
多片堆在一起的方法
可以把一个自然光
变成一个线偏振光
当然你要要求高的话
你可以多用几片
那么这个出射的偏振度
就会进一步可以提高
下面我们看一个演示实验
这是有关布儒斯特角的演示实验
这个是氦氖激光器
这个是玻璃堆
用玻璃片叠起来的
大概有十几片吧
那么通常的角度入射的时候
它这个透射光
它不是完全偏振光
我手里拿的这个是偏振片
我们来看一下
我转动这个偏振片
我们看到这个透射光
它是不消光的
但是假如我把这个玻璃片堆
调到布儒斯特角
大概对玻璃来说
它是56度多一点
这个角度的时候呢
我们看到这个后面的透射光
它就是一个完全的线偏振光
我们用偏振片来检验一下
我转动这个偏振片我们看到
它发生消光现象
所以这是完全的线偏振光
那么从这个玻璃片堆
反射的这个光呢
反射的光它也具有偏振性
它也是线偏振光
我们来看一下
它也是基本消光的
你看它也是发生基本消光
那么反射光的偏振化方向
和透射光的偏振化方向
当然是互相垂直的
那既然你这个玻璃片堆
可以用来产生线偏振光的话
它是起偏器件
那当然它也可以用来做检偏
不过这种不常用
因为比起偏振片来说
这当然不方便
下面我们讨论
散射光的偏振特性
就是你斜着迎太阳光
不是正着迎
那么你用偏振片来观察的时候
你会发现
天空上散射的那些光
它是部分偏振光
那么为了讨论散射光的偏振特性
我们先讨论一下
散射光是怎么产生的
那么这个散射光
我们在这里边讨论这个模型
是比较经典的模型
假设有一个分子
那么这个时候呢
你光照射到上面的时候
因为光它是电磁波
它是电场和磁场在那振荡
那么假如说这个位置上
电场的振动方向是这个方向
那这个分子里边
这个电子受到这个电场的驱动
它也跟着一起振荡
其它的正电荷的那一部分
就是离子的那一部分
它是比较重的
所以它一般和电场的响应很弱的
现在电子振荡了
那么正电荷和负电荷的中心
就不太重合
就会有一个振荡
那这不是典型的偶极子吗
就是一个振荡的偶极子
那么振荡的偶极子
它是要辐射电磁波的
那它辐射电磁波怎么辐射呢
计算表明
实验当然也可以证实这一点
就是它这么振荡的时候
它所辐射的电磁波
强度是这样分布的
这是一个强度分布图 注意
什么意思呢
你对某一个角度
从这个偶极子开始
引到这个线上
这个长度就代表沿着这个方向
发射的这个电磁波的强度
那很明显根据这个图
你会发现这种偶极振荡的时候
电磁波它是什么呢
轴对称的发射 对吧
而且它垂直于这个振荡方向
发射的光强是最强的
就在这个它的赤道面上
光强是最强的
可是沿着这个
偶极子振荡的方向上
是没有辐射
你看沿着这个方向辐射等于0的
所以散射光是这么产生的
那么太阳光照到大气的时候
大气有很多分子
有一些小颗粒什么
那这些上面的电子
受到电场的驱动
它会振荡
然后它又重新辐射电磁波
这个就是散射光
这是我们经典模型简单的解释一下
什么是散射光
那么这样的散射光呢
它会有部分偏振的特性
这个我们怎么知道的呢
假设这个是散射的那个中心
那么一个光照射到上边的时候
入射的这个光本身是自然光
我们先观察在这个方向上
这个红色标记的这个方向上
这个偏振电场对这个电子的作用下
有什么散射光
你看在这种电场作用下
电子当然是这么振荡
所以说它在
垂直于这个振荡的赤道面上
光强是最强的
所以你看在这个赤道面上
我们可以看到
红色标记的振荡的偶极子产生的光强
都是比较强的
可是在这个方向呢
它是没有辐射的对吧
我们再看另一个偏振的成分
我们知道自然光可以分成两个
互相独立的线偏振光对吧
那么那个线偏振光的激励下
电子这样运动
那么这样运动的时候
它所辐射的电磁波
是在垂直于这个方向的那个赤道面上
是最强的
那么垂直于这个方向的赤道面
实际上是这个面对不对
我画的这个这么一个面
所以你看在这个赤道面上
这是最强的
可是沿着这个方向呢
你比如说沿着这个
偏振的方向到这的话
黑色的这种方向的振荡
产生的辐射这是没有的
是这样
现在我们来考察一下
斜着看的地方
斜着看就是这个方向
那么斜着看的时候呢
因为如果是在这个面上的话
那么这个当然是在红色偏振刺激下
这个电子振荡产生的赤道面上
所以它的光强是最强的
可是对于黑色这个箭头所标记的
这个方向
振荡产生的电磁波强度呢
它是有个角度的对不对
根据刚才我们看到的那个偶极辐射
垂直方向上最强
有个角度的时候越来越弱
直到0度或者180度的时候它是等于0
所以沿着某一个角度
它不是垂直的时候
这个方向的辐射强度
要比垂直方向的弱一些
所以这个附近的这个光
实际上两个不同的偏振光
它的强度是不一样的
所以这两个互相独立的
两个强度不一样的线偏振光
合成在一起的话
它不就是所谓的部分偏振光吗
所以如果你用
偏振片来在这看一看的话
你们就可以观察到
部分偏振光的现象
这是关于散射光偏振的一个演示实验
那么这个实验也可以告诉我们
为什么天空是蓝色的
你看到太阳光经常是红黄色的
而且从侧面看
迎着太阳光侧面看的话
你看到的这个蓝色的背景光
其实它还是部分偏振光
我们来看一下
我在手里边拿的是硫代硫酸钠
我把它倒到这个水里面
那这个硫代硫酸钠溶解以后呢
我们待会儿在里面倒入浓硫酸
那它跟这个里面的溶液反应以后
就会出现一些小的硫的颗粒
由于这些硫的颗粒存在
这个液体就会变成一个悬浮液
我待会儿把这个白光照射过去
照射过去以后呢
由于这些小的硫颗粒的散射
我们就会看到散射光
以及透射光
以及散射光的偏振这些现象
刚才我们讲到
你看到天空的时候
通常它是蓝色的
这个原因是因为
瑞利散射
什么叫瑞利散射呢
就是这个散射光
光强实际上是和
波长的四次方呈反比的
所以当白光通过空气的时候
里边一些小颗粒对这个光有个散射
散射光强是什么样呢
波长短的散射就强
因为它是波长四次方呈反比
所以白光里边蓝色的那一部分光
散射比较强
所以天空是蓝色的
而那些红黄那部分那些光呢
散射比较弱
因为它是波长四次方呈反比
所以这些光基本上都通过了
所以你看到的是天空背景是散射光
蓝色的
而太阳光通常是红黄色的
就是这么一个效果
那现在这个是硫代硫酸钠溶液了
我现在把这个灯打开
这是白光
经过溶液以后
它当然光就透射过来了
因为溶液是透明的
所以你看到的这个透射光
还是白光
现在我把这个浓硫酸
倒入到这个液体里边
我搅拌的话这里边就会有
硫的小颗粒出来了
那么这些小颗粒呢
会对这个光产生散射作用
然后我们就
可以观察到散射光的偏振现象
也可以观察到瑞利散射现象
我们现在看到这个水
散射出来的光有一些蓝了
蓝色的光
透射的那些光
呈现开始橘黄色了
也偏黄
那么现在我在这里边
用这个偏振片我旋转的话
你会应该观察到明显的光强变化
明显那个透射的光现在也变成
红黄色了
现在这个液体也呈现蓝色
由于散射的原因
很明显
应该我转动偏振片的时候
散射光的那部分呢
应该有光强的变化
它是部分偏振光
所以没有完全消光现象
可是能观察到光强的改变
现在我们看到
这个透射光已经变成了红色的了
我们看到随着反应的进行
这里边这个颗粒浓度越来越多
光透射越来越困难
看到那透射光越来越暗
全部变成了散射光
所以这个液体变得越来越亮
假如雾霾严重到这种程度的话
恐怕你也看不见太阳了
好 这节内容就讲到这
谢谢
-电荷和库仑定律
--引言
--电荷
--库仑定律
-WEEK1--电荷和库仑定律
-电场及叠加原理,电偶极子
--电场和电场强度
-WEEK1--电场及叠加原理,电偶极子
-高斯定律
--电通量
--立体角*
--高斯定律的证明*
--高斯定律和电场线
--高斯定律的应用
-WEEK1--高斯定律
-WEEK1--本周作业
-静电场环路定理、电势和叠加原理
--环路定理
--电势和叠加原理
--电势梯度
--等势面
-WEEK2--静电场环路定理、电势和叠加原理
-静电能
--电荷系静电能
-WEEK2--静电能
-导体静电平衡
--物质中电场
--导体静电平衡
-WEEK2--导体静电平衡
-WEEK2--本周作业
-导体周围电场
-WEEK3--导体周围电场
-静电屏蔽
--导体壳与静电屏蔽
-WEEK3--静电屏蔽
-电容及电容器
--电容及电容器
-WEEK3--电容及电容器
-电介质
--介质对电场的影响
-WEEK3--电介质
-极化强度矢量,极化电荷
--极化强度
--极化电荷
-WEEK3--极化强度矢量,极化电荷
-WEEK3--本周作业
-极化规律、电位移矢量
--电介质的极化规律
-WEEK4--极化规律、电位移矢量
-有介质时静电场能量
-WEEK4--有介质时静电场能量
-电流密度、稳恒电流和稳恒电场
--电流密度
-WEEK4--电流密度、稳恒电流和稳恒电场
-电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
--电动势
--欧姆定律
--欧姆定律(续)
-WEEK4--电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
-电流微观图像和暂态过程
--电流微观图像
-WEEK4--电流微观图像和暂态过程
-本周作业
--week4--本周作业
-洛仑兹力、磁感应强度
--电流磁效应
--磁场和磁感应强度
-WEEK5--洛仑兹力、磁感应强度
-毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
--毕-萨-拉定律
--磁场高斯定律
-WEEK5--毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
-静磁场环路定理
-WEEK5--静磁场环路定理
-安培力和霍尔效应
--霍尔效应
--安培力
-WEEK5--安培力和霍尔效应
-WEEK5--本周作业
-载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-WEEK6--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-磁介质对磁场的影响和原子磁矩
--磁场中的磁介质
--原子的磁矩
-WEEK6--磁介质对磁场的影响和原子磁矩
-磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
--磁介质的磁化
--磁化电流
-WEEK6--磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
-WEEK6--本周作业
-铁磁介质和简单磁路
--磁场的界面关系
--铁磁性材料
-WEEK7--铁磁介质和简单磁路
-法拉第电磁感应定律
-WEEK7--法拉第电磁感应定律
-动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
--动生电动势
--涡电流
-WEEK7--动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
-自感和互感
--自感
--互感
-WEEK7--自感和互感
-WEEK7--本周作业
-暂态过程和磁场能量
--磁场的能量
-磁场和电场的相对性
-位移电流和麦克斯韦方程组
--麦克斯韦方程组
-WEEK8--位移电流和麦克斯韦方程组
-电磁波、坡因廷矢量和光压
--电磁波
--坡印廷矢量
--电磁波的动量
--光压——辐射压强
-本周作业
--week8--本周作业
-波动光学—引言
--波动光学——引言
-WEEK9--波动光学—引言
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--光的干涉
--双缝干涉
-WEEK9--杨氏双缝干涉、相干光
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--空间相干性
-WEEK9--光源及发光性质
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--薄膜干涉(二)
-WEEK9--光程、等倾和等厚干涉
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--迈克耳逊干涉仪
-WEEK9--本周作业
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--单缝夫琅禾费衍射
-WEEK10--衍射现象、单缝夫琅禾费衍射
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-WEEK10--光学仪器分辨本领
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--X射线的衍射
-WEEK10--X射线晶体衍射
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-WEEK11--反射和折射光偏振
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--双折射(续)
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-WEEK11--晶体双折射、波片
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--偏振光的干涉
--人工双折射
--旋光现象
-WEEK11--偏振光干涉、人工双折射和旋光
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--量子物理
--黑体辐射
-WEEK11--量子物理诞生和黑体辐射
-WEEK11--本周作业
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--光子(续)
--光子(续2)
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-WEEK12--光电效应、光子和康普顿效应
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--物质波
--波函数
--波函数(续)
-WEEK12--物质波、波函数和概率密度
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--不确定关系
-WEEK12--不确定性关系
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--薛定谔方程
-WEEK12--薛定谔方程
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--一维无限深势阱
-WEEK12--一维无限深势阱
-WEEK12--本周作业
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-WEEK13--一维问题
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-WEEK14--X射线、激光、分子光谱简介
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-WEEK14--固体电子气模型和量子统计
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--能带
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-本周作业
--WEEK14--本周作业
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--Video
-WEEK15--半导体和PN结
-原子核性质、核磁共振
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--Video
--Video
-WEEK15--原子核性质、核磁共振
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--β衰变
-WEEK15--放射性和衰变规律
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-WEEK15--结合能、核力
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-WEEK15--粒子物理简介
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