光学教程高教出版社华师大光学教研组编§5-123456自然光和偏振光.ppt

偏振性、振动面、偏振态,5-1 自然光和偏振光,线偏振光(平面偏振光): 传播过程中,光矢量始终在一个平面内不变.,一.光的偏振性,二.线偏振光的表示法：,光矢量在屏平面内,光矢量与屏平面垂直,自然光可分解为两束相互独立的、等振 幅的、振动方向相互垂直的线偏振光,各束线 偏振光的光强为自然光光强的一半.,三.自然光及其表示：,I0,I0,I0/2,I0/2,I0,I0,I0/2,I0/2,部分偏振光=自然光+完全偏振光,部分线偏振光表示法:,四. 各种偏振光 两相互正交、有一定位相关系的线偏振光 可合成为各种偏振光.,线、圆偏振光都可看作椭偏光的特例,利用天然或人工材料 对光的各向异性, 吸收某方向的光振动, 不吸收与之垂直的光振动. 偏振化方向.,偏振片,5-2 平面偏振光的获得,一.二向色性 起偏与检偏:,自然光通过偏振片后成为线偏振光起偏,用偏振片检验入射光的偏振化程度检偏,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,两偏振片的偏振化方向相互垂直 光强为零,.,.,.,.,.,检偏器,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,自然光,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,马吕斯定律,二.马吕斯定律,偏振化方向之间的夹角,I0,讨论：,2. 仅适用于无吸收的理想偏振片.,其中:I1=I0/2,1.,自然光以除i =0和i =90外 的任意角度入射于两种介 质界面时,反射光和折射光 都是部分偏振光.,菲涅耳公式表明:,反射光中s 分量光振动的 强度较p分量大; 折射光中p分量光振动的强度较s 分量大.,三.反射和折射时光的偏振,1.布儒斯特定律,以布儒斯特角入射时,反射光为垂直于入射面的线偏振光,折射光为部分偏振光.并且:,由折射定律:,布儒斯特定律,如何使折射光也成为线偏振光?,以布儒斯特角入射时,反射光为垂直于入射面的线偏振光,折射光为部分偏振光. 并且:,利用玻璃堆获得偏振光,2.理论解释: a)反射起偏:由菲涅耳公式, i1=i10=iB S分量振幅反射比:,P分量振幅反射比:,b)折射:部分起偏 S分量振幅透射比:,P分量振幅透射比:,自然光(As1=AP1)以i1=i10=iB入射时: 折射光中,P分量S分量,是部分偏振光.,b)折射:部分起偏 i1=i10=iB S分量振幅透射比:,求：布儒斯特角,解：,练习:光从某种透明介质射向空气时的临界角 i0=45,光从空气射向媒质时的布儒斯特角?,54.7,习题：5-1,2,4,例:在透振方向正交的起偏器M 和检偏器 N 之间,插入一片以角速度旋转的理想偏振片P, 入射自然光强为I0. 由系统出射的光强如何变化？,每旋转偏振片P一周,输出光强有“四明四零”.,t=00,900,1800,2700时,输出光强为零.,t=450,1350,2250,3150时,输出光强为I0/8 .,2.偏振度: 表示部分偏振光的偏振化程度,自然光:P =0 ;线偏振光:P =1.,例:通过偏振片观察一束部分偏振光,当偏振片由 对应光强最大的位置转过600时,其光强减为 一半.求: (1)这束部偏光中,自然光In和平面偏振光IP之比. (2)偏振度.,解:(1)透过的最大光强:,解:(1)透过的最大光强:,(2),5-3 光通过单轴晶体时的双折射现象,5-3 光通过单轴晶体时的双折射现象 利用晶体的各向异性获得偏振光双折射现象,一.光的双折射现象,各向同性光学介质: n =常数.,各向异性晶体:方解石CaCO3、水晶SiO2等 一条入射线 二条折射线: 双折射,折射定律:一条入射线 一条折射线,双折射特征: 寻常光线(ordinary light o光): 遵循通常的折射定律,no各向同性； 非常光线(extraordinary light e光): 不遵循通常的折射定律,ne各向异性； o、e光均为线偏振光.,光,光,双 折 射,纸面,方解石 晶体,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,光,光,当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,双 折 射,纸面,方解石 晶体,存在特殊方向光轴. 不发生双折射的方向.,双折射特征: 寻常光线(o光): 遵循通常的折射定律,no各向同性； 非常光线(e光): 不遵循通常的折射定律,ne各向异性; o、e光均为线偏振光.,单轴晶体:方解石,石英 双轴晶体:云母,硫磺,主截面: 晶体内某一光线 与光轴构成的平面.,方解石: 光轴与晶体的三个 棱边成等角63.80,存在特殊方向光轴. 不发生双折射的方向.,单轴晶体: 方解石,石英 双轴晶体: 云母,硫磺,o光: 光振动方向o光主截面; e光: 光振动方向e光主截面. 两主截面一般不重合.,主平面:晶体表面法线 与光轴构成的平面(p.225-:例5.4),二.晶体内o、e光的相对光强 不考虑晶体对光的吸收,1.单色自然光垂直光轴入射:,2.单色平面偏振光Ip垂直光轴入射: 振幅为A,光振动面与光轴成 角.,o、e光光强相等,o、e光光强不相等,晶体内o、e光的相对光强:,两偏振光的相对光强:,晶体内o、e光的相对光强:,2.单色平面偏振光垂直光轴入射:,:晶体中e光传播方向和光轴的夹角. (图示为=/2),注意: 从晶体后表面出射的、振动面相互垂直的两偏 振光在同一介质中传播,“o、e”称谓失去意义.,转动晶体, o、e光主截面随之转动, o光传播方向不变, e光方向转动.,在晶体外部,两出射光束的重叠区域: ne=no=n,光强不变,两偏振光的相对光强/:,ne=ne(),例5-4*:(p.225)自然光In垂直入射于两平行放置、主平面间夹角为的方解石上(光轴方向平行于晶体表面).求: 透射光束的相对强度.,解:自然光从晶体C1出射后,成为两强度相同的线偏 振光.振动方向互相垂直.晶体内外的传播方向?,入射到晶体C2后,成为两束o光和两束e光.,习题:5-1,2,4/ 5,7,10,正晶体:石英等,负晶体:方解石等,双折射现象的根本原因是 晶体的光学各向异性.,5.4 光在晶体中的波面,单轴晶体主折射率:,主速度:,ne随方向而变,折射率 椭球,正晶体:石英等,负晶体:方解石等,主折射率:,主速度:,ne随方向而变,正晶体:石英等,负晶体:方解石等,方解石主折射率: no=1.658, ne主=1.486,ne随方向而变,1.平面波倾斜入射方解石晶体,5.5 光在晶体中的传播方向,2. 平面波垂直入射方解石晶体,3. 平面波垂直入射方解石晶体 光轴平行于晶面,71,0,5.6 偏振器件,一.尼科耳棱镜 制作过程,68,0,尼科耳棱镜的制作过程,尼科耳棱镜的制作过程,68,0,尼科耳棱镜的制作过程,68,0,尼科耳棱镜的制作过程,68,0,尼科耳棱镜的制作过程,68,0,涂上加拿大树胶,68,0,尼科耳棱镜的制作过程,尼科耳棱镜,尼可耳棱镜可以用作起偏器与检偏器.,三.波晶片(波片),厚度为d ,光轴与两个表面平行的双折射晶体 薄片称为波片.,“平行光”垂直入射,出射两振动方向相互垂直 的线偏振光,沿原入射方向传播,但速度不同.,方解石主折射率: no=1.658,ne主=1.486 ve主vO,四分之一波片,线偏光的偏振面与四分之一波片的主平面成 45角垂直入射,出射光的偏振态?,二分之一波片,线偏光的偏振面与二分之一波片的主平面成 45角垂直入射,出射光的偏振态?,全波片,线偏光的偏振面与全波片的主平面成 45角垂直入射,出射光的偏振态?,注意: “波片”对某一波长而言;,出射光的偏振态取决于入射光的偏振态及波片 引起的相位差;,两偏振光的位相差对应光程差.,“快轴和慢轴”:波片中对应波速快慢不同的两个主轴方向.,例:在两偏振片P1,P2之间插入四分之一波片C, 并使其光轴与P1的偏振化方向间成45角.光强 为I0的单色自然光垂直入射于P1,转动P2. 求透过P2的光强.,5.7互相垂直的两振动的合成与分解 5.8偏正态检验 5.9偏振光干涉,例:在两偏振片P1,P2之间插入四分之一波片C, 并使其光轴与P1的偏振化方向间成45角.光强 为I0的单色自然光垂直入射于P1,转动P2. 求:透过P2的光强.,解:单色自然光透过P1后成为线偏振光,振幅:A1.,通过45角的1/4波片后,成为圆偏振光. 互相垂直的光振动的振幅相等.,沿P2的两个光振动振幅:,例:在两偏振片P1,P2之间插入四分之一波片C, 并使其光轴与P1的偏振化方向间成45角.光强 为In的单色自然光垂直入射于P1,转动P2. 求:透过P2的光强.,相位差:,振动方向相同,振幅不同, 位相差为3/2的两个振动