第20章_光的偏振

1、20.1 光的光的横波性横波性第第20章章 光的偏振光的偏振 (Polarization of light)一一. . 光的光的横波性，自然光横波性，自然光电矢量电矢量E称为光矢量称为光矢量1 1、自然光自然光没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解一束自然光可分解为两束振动方向相互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。垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。xyAAyxIII 自然光的表示法：自然光的表示法：2 2、 线偏振光线偏振光E播播传传方方向向振振动动面面面对光的传播方向看面对光的传播方向看线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解线偏振光可沿两个相互垂直的方

2、向分解AAyAx yx cossinxyAAAA线偏振光的表示法：线偏振光的表示法： 光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面 部分偏振光部分偏振光部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。直的、不等幅的、不相干的线偏振光。部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法： 平行板面的光振动较强平行板面的光振动较强垂直板面的光振动较强垂直板面的光振动较强右旋圆右旋圆偏振光偏振光右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光 y yx z传播方向传播方向 /2x某时刻右旋圆偏振光某时刻右旋圆偏

3、振光E随随z的变化的变化E 03 3、圆偏振光、圆偏振光, , 椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光:时，当kAAyx 、，、时212和或当)k(kAAyx合成椭圆偏振光合成椭圆偏振光.圆偏振光圆偏振光:时，)(当12 kAAyx、合成光振动矢量末端轨迹是圆。合成光振动矢量末端轨迹是圆。 椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光 频率相同，振动方向互相垂直，且有固定频率相同，振动方向互相垂直，且有固定位相差的两列线偏振光的合振动位相差的两列线偏振光的合振动满足椭圆方程：满足椭圆方程：2212222122sincos AAxyAyAx20.2 偏振片，马吕斯定律偏振片，马吕斯定律一、偏振片一

4、、偏振片 起偏的原理起偏的原理：利用某种光学的不对称性利用某种光学的不对称性 偏振片偏振片微晶型微晶型分子型分子型x yzz线栅起偏器线栅起偏器 入射入射电磁波电磁波 起偏：起偏：从自然光获得偏振光从自然光获得偏振光 起偏器起偏器: : 起偏起偏的光学器件的光学器件非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光光轴光轴电气石晶片电气石晶片 二向色性和偏振片二向色性和偏振片二向色性二向色性偏振片偏振片： H偏振片偏振片K偏振片偏振片二向色性二向色性非偏振光非偏振光I0线偏振光线偏振光 IP偏振化方向偏振化方向 (透振方向透振方向)021II 二、马吕斯定律二、马吕斯定律 I0IPP A0 A=A0cos 20

5、 0 ,IA 20cosII 0max0III ， 02 I， 偏振片的起偏偏振片的起偏马吕斯定律马吕斯定律（1809）消光消光2220 cosIAA 检偏检偏用偏振器件分析、检验光的偏振态用偏振器件分析、检验光的偏振态I?P待检光待检光思考：思考： I不变不变？是什么光？是什么光 I变，有消光变，有消光？是什么光？是什么光 I变，无消光变，无消光？是什么光？是什么光起偏器和检偏器起偏器和检偏器20.3 反射光和折射光的偏反射光和折射光的偏振振 一一. . 反射产生偏振反射产生偏振i = i0 时，反射光只有时，反射光只有S分量分量n1n2i ir自然光反射和折射自然光反射和折射后产生部分偏振

6、光后产生部分偏振光n1n2i0i0r0线偏振光线偏振光S起偏振角起偏振角i 0 布儒斯特角布儒斯特角或或 起偏角起偏角 i0 +r0 = 90O 由由 020201cossinsininrnin 有有布儒斯特定律布儒斯特定律 ( (1812年年) )21120tgnnni 若若 n1 =1.00 ( (空气空气) )，n2 =1.50 ( (玻璃玻璃) )，则：，则：互互余余空空气气玻玻璃璃玻玻璃璃空空气气 423350. 100. 1tg 185600. 150. 1tg 1010iin1n2i0i0r0线偏振光线偏振光S起偏振角起偏振角二二. . 玻璃片堆起偏和检偏玻璃片堆起偏和检偏 1.

7、 1. 起偏起偏当当i =i0时时)(sin21 0020riII 自然光从空气自然光从空气玻璃玻璃%7 0 IIi0(接近线偏振光接近线偏振光) 2. 2. 检偏检偏 .玻璃片堆玻璃片堆20.4 光的双折射光的双折射 方解石方解石oee o一一. . 光的双折射现光的双折射现象象1. 双折射双折射n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光2.寻常光和非寻常光寻常光和非寻常光o光光 : : 遵从折射定遵从折射定律律orninsinsin21 e光光 : : 一般不遵从折射定一般不遵从折射定律律constrie sinsine e光折射线也不一定在入射面内。光折射线也

8、不一定在入射面内。 3. 3. 晶体的光轴晶体的光轴当光在晶体内沿某个特殊方向传播时当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生不发生双折射，双折射，该方向称为晶体的该方向称为晶体的光轴。光轴。例如，方解石晶体例如，方解石晶体( (冰洲石冰洲石) )AB光轴光轴102 光轴是一特殊的方向光轴是一特殊的方向, ,凡平凡平行于此方向的直线均为光轴。行于此方向的直线均为光轴。单轴晶体：单轴晶体：只有一个光轴的晶体只有一个光轴的晶体双轴晶体：双轴晶体：有两个光轴的晶体有两个光轴的晶体 方解石晶体光轴方解石晶体光轴4. 4. 主平面和主截面主平面和主截面主平面主平面：晶体中光的传播方向与晶体晶体中光的传播方向

9、与晶体 光轴构成的平面。光轴构成的平面。e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面o光光光轴光轴o光的光的主平面主平面主截面主截面：晶体表面的法线与晶体光晶体表面的法线与晶体光 轴构成的平面。轴构成的平面。二二. . 晶体的主折射率，正晶体、负晶体晶体的主折射率，正晶体、负晶体光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同, ,光的传播速度也不同。光的传播速度也不同。沿光轴方向，沿光轴方向，光的传播速度光的传播速度相等相等。垂直于垂直于光轴的光轴的方向方向, , 光的传播速度光的传播速度差别最大差别最大。vo t光轴光轴光轴光轴ve tvo tvo t光轴光轴光轴光轴ve tv

10、o to光光: :00 cn e光光: :ec een n0 0 ，ne称为称为晶体的主折射率晶体的主折射率 正晶体正晶体 : : ne no负晶体负晶体 : : n ne e ve) 负晶体负晶体 (vo ve ) 子波源子波源,oon ( ( e o o) )三三. . 单轴晶体中光传播的惠更斯作图法单轴晶体中光传播的惠更斯作图法( ( e e o o) )1. 1. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射光轴平行晶体表面，自然光垂直入射 e o e o光轴光轴晶体晶体 o o, , e e在方向上虽没分在方向上虽没分开，但速度上是分开的。开，但速度上是分开的。2. 2. 光轴平行晶体表面，且垂

11、直入射面，光轴平行晶体表面，且垂直入射面， 自然光斜入射自然光斜入射晶体晶体 光轴光轴ir0reo ot e eteo ectnrooci0sinsin nreeeci sinsin3. 3. 光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射射o e晶体晶体光轴光轴 e方解石方解石光轴光轴o eo此时此时e光的波面不再与其波射线垂直了光的波面不再与其波射线垂直了四四. 偏振棱镜偏振棱镜偏光镜偏光镜: : 格兰格兰汤姆孙棱镜汤姆孙棱镜偏光分束镜偏光分束镜 : :沃拉斯顿棱镜沃拉斯顿棱镜 光轴光轴光轴光轴方解石方解石方解石方解石加拿大树胶加拿大树胶 (n = 1.55)oe吸收涂

12、层吸收涂层i光轴的取向使光轴的取向使o光、光、e光对应的恰是光对应的恰是no、 ne 。no (1.6584)n (1.55)ne(1.4864)12方解石方解石方解石方解石 oe光轴光轴光轴光轴方解石方解石 n0ne20.5 20.5 波片波片 偏振态的检验偏振态的检验dnneo)(dnneoeo)(2波片波片412/4)(dnneo2)(dnneo半波片半波片 从单轴晶体切下来的薄片，从单轴晶体切下来的薄片，其表面与晶体的光轴平行。其表面与晶体的光轴平行。一一. . 波片波片 线偏振光通过波片即可变为线偏振光通过波片即可变为 椭圆偏振光。椭圆偏振光。二二. 偏振光的获得和检验偏振光的获得和

13、检验1. 偏振光的获得偏振光的获得1) 线偏振光：线偏振光：2) 椭圆偏振光：椭圆偏振光： 从自然光获得线偏振光，用起偏器、波片、从自然光获得线偏振光，用起偏器、波片、玻片堆、偏振片、尼科耳棱镜等。玻片堆、偏振片、尼科耳棱镜等。自然光通过起偏器和一个波片即可。自然光通过起偏器和一个波片即可。2. 检验偏振光检验偏振光设入射光有以下五种：设入射光有以下五种：自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。第一步第一步第二步第二步令入射光通过偏振片令入射光通过偏振片I ，改变改变 I 的透振方向，观的透振方向，观察透射光强变化。察透射光强变化

14、。观察现象观察现象观察现象观察现象结论结论结论结论有消失有消失线偏振光线偏振光有消失有消失圆偏振光圆偏振光无消失无消失自然光自然光强度无变化强度无变化自然光或圆偏振光自然光或圆偏振光a. 令入射光依次通过令入射光依次通过四分之一四分之一 波片和偏振波片和偏振片片II，改变，改变 II的透振方的透振方向向P2，观察透光强度变，观察透光强度变化化。有消失有消失无消失无消失椭圆偏振光椭圆偏振光 部分偏振光部分偏振光强度有变化，但无消光强度有变化，但无消光部分偏振光或椭圆偏振光部分偏振光或椭圆偏振光b. 四分之一波片的光轴方向四分之一波片的光轴方向必须与第一步必须与第一步 I 片产生强度片产生强度极大

15、或极小透振方向重合。极大或极小透振方向重合。I1PI42PII42PIII20.6 20.6 偏振光的干涉偏振光的干涉一一. . 偏振光干涉装置偏振光干涉装置d晶片晶片C 偏振片偏振片P2偏振化方向偏振化方向 单色单色自然光自然光偏振片偏振片P1偏振化方向偏振化方向光轴方向光轴方向二二. . 偏振光干涉的分析偏振光干涉的分析1. 1. 振幅关系振幅关系P2P1CA1AeAoA2oA2e sin1AAo cos1AAe 在在P P2 2 后，两束光振动方向平行，振幅为：后，两束光振动方向平行，振幅为： cossincos12 AAAoooeeAAAA212cossinsin 2. 2. 相位关系

16、相位关系 来源来源a）入射波片前的）入射波片前的 1，设，设 1=0b）波片引起的）波片引起的 2c）坐标投影引起的）坐标投影引起的 3(0或或 )( 02 0或dnne通过晶体通过晶体C C后后oecnnd 2此两束光合成为一束椭圆偏振光此两束光合成为一束椭圆偏振光通过通过P P2 2 后后 oecnnd2（若（若P P1 1、P P2 2夹角小于夹角小于 ，则无附加相差，则无附加相差 ）), 2 , 1(,2122 knnkdkoe 相长干涉相长干涉相消干涉相消干涉 oennkdk )12(若单色光入射，且若单色光入射，且d不均匀，则屏上不均匀，则屏上出现等厚干涉条纹。出现等厚干涉条纹。四

17、四 人工双折射人工双折射人为地造成各向异性，而产生双折射。人为地造成各向异性，而产生双折射。一一. . 光弹效应光弹效应( (应力双折射效应应力双折射效应) )P1P2 dFSF干涉干涉有机玻璃有机玻璃C应力应力各向异性各向异性 各向不同各向不同n各向不同各向不同SFknnoe 在一定应力范围内：在一定应力范围内： SFdknndoe22各处各处 不同不同各处各处 不同不同出现干涉出现干涉条纹条纹SF 变变 变变干涉干涉情况变。情况变。SF 二二. . 电光效应电光效应电光效应也叫电致双折射效应电光效应也叫电致双折射效应1.1.克尔效应克尔效应 (1875年)l+-45 45 P1P2克尔盒克

18、尔盒d 不加电场不加电场液体各向同性液体各向同性PP2 2不透光不透光 加电场加电场液体呈单轴晶体性质，液体呈单轴晶体性质，2kEnnoe 二次电光效应二次电光效应 E E 电场强度，电场强度，k 克尔常克尔常数数克尔效应引起的相位差为：克尔效应引起的相位差为：dkVllnnoek 2 22 克尔盒相当于半波片，克尔盒相当于半波片， P P2 2透光最强透光最强 。 k时，时，E光轴平行光轴平行 P P2 2透透光光2. 2. 泡克尔斯效应泡克尔斯效应(1893年)电光晶体电光晶体+。-P1P2KK 泡克尔斯盒泡克尔斯盒硝基硝基苯苯 ，若若l =3cm,3cm,d=0.8cm,0.8cm,=6

19、00nm的黄光，则产生的黄光，则产生 k= 时时的电压的电压 。2218V/m1044. 1 kV1024 V克尔盒的应用克尔盒的应用 : .: .克尔盒的缺点克尔盒的缺点 : .: . 不加电场不加电场 P P2 2 不透光不透光 加电场加电场晶体变双轴晶体晶体变双轴晶体原光轴原光轴方方泡克尔斯效应引起的相位差泡克尔斯效应引起的相位差rVnop32 线性电光效应线性电光效应noo光在晶体中的折射率；光在晶体中的折射率；V 电压；电压；r 电光常数。电光常数。应用应用 : :三三. . 磁致双折射磁致双折射科顿科顿穆顿效应穆顿效应向附加了双折射效应向附加了双折射效应 P P2 2 透光。透光。

20、20.7 20.7 旋光现象旋光现象一一. . 物质的旋光性物质的旋光性使线偏振光的振动面发生旋转使线偏振光的振动面发生旋转 旋光物质旋光物质a 旋光率旋光率da 二二. . 菲涅耳的解释菲涅耳的解释线偏振光可看作是线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确定相位差的左同频率、等振幅、有确定相位差的左( (L L ) )、右、右( (R ) )旋圆偏振光的合成。旋圆偏振光的合成。旋转的角度：旋转的角度： dEELERo RLRLnn 光通过旋光物质后，初相光通过旋光物质后，初相要滞后要滞后ELERE(a)(b)ELERE R L 同一时刻同一时刻(a)(b) d设入射时设入射时L、R初相为初相为0

21、0，旋光物质长，旋光物质长d)(RLLRnn 即在出射面上在出射面上: :02 dnRR02 dnLLLR 由图示，有：由图示，有：2121LRLLR dnnLRLR )(21 令令 )(LRnna 旋光率旋光率da 则则 三三. . 量糖术量糖术对溶液有对溶液有dca aca 溶液的旋光率溶液的旋光率c c 溶液的浓度溶液的浓度 溶液的比旋光率溶液的比旋光率a “量糖计量糖计”四四. . 磁致旋光磁致旋光 d磁致旋光物质磁致旋光物质B旋转的角度旋转的角度 BdV V V费德尔常量，费德尔常量，1154Tm 1010 V 对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是

22、由旋光物质本身决定的，与光的传播方向无由旋光物质本身决定的，与光的传播方向无关。关。 反射镜反射镜入射光入射光 左旋左旋反射镜反射镜反射光反射光 左旋左旋 对磁致旋光物质，光沿对磁致旋光物质，光沿B与逆与逆B方向传播，方向传播， 振动面旋向相反。振动面旋向相反。 反射镜反射镜反射光反射光 右旋右旋 B反射镜反射镜入射光入射光 左旋左旋B光隔离器光隔离器令令45，则则290， 消除反射光的干扰消除反射光的干扰 波动光学部分结束波动光学部分结束 BPM 磁致旋光物质磁致旋光物质 晶体光学器件晶体光学器件一一. . 晶体起偏器件晶体起偏器件 1. 1. 晶体的二向色性、晶体偏振器晶体的二向色性、晶体偏振器某些晶体对某些晶体对o光和光和e光的吸收有很大差异，光的吸收有很大差异，这叫晶体的这叫晶体的二向色性二向色性电气石电气石 光轴光轴e光光电气石电气石光轴光轴可产生线偏振光可产生线偏振光2. 2. 偏振棱镜偏振棱镜偏光镜偏光镜: : 格兰格兰汤姆孙棱镜汤姆孙棱