光波的偏振2010_1x

1、2022-1-1119.6 X 射线的衍射（射线的衍射（Rontgen）1. x 射线射线18951895年伦琴发现年伦琴发现 x 射线射线波长很短的电磁波波长很短的电磁波A1 劳厄劳厄(M.V.Laue)用晶体作为用晶体作为x 射线的天然三维光栅射线的天然三维光栅多晶多晶x 射线射线Nacl 每个微粒（原子、分子、离子）都是散射子波的波源，每个微粒（原子、分子、离子）都是散射子波的波源，这些子波的干涉加强形成了斑点。这些子波的干涉加强形成了斑点。-KAX射线射线X X射线管射线管+劳厄斑劳厄斑2022-1-12Bragg公式公式光线倾斜入射：光线倾斜入射：CBAC , 2 , 1sin2 k

2、kd 作用：作用：（1 1）已知）已知d 及亮斑的位置，可求及亮斑的位置，可求 x 射线的波长。射线的波长。（2 2）根据图样及）根据图样及 ，可研究晶格结构和，可研究晶格结构和 x 射线的性质射线的性质 kd sin22. 2. 布喇格（布喇格（Bragg）公式）公式: : 掠射角掠射角d : 晶面间距晶面间距( (晶格常数）晶格常数）2022-1-13 kd sin211sin2 kd 22sin2 kd 112212sin2sin2 kkdd 211122sinsinkk 如果不同的波长光入射如果不同的波长光入射2022-1-14d kd sin如果光线垂直入射：如果光线垂直入射：11s

3、in kd 22sin kd 2022-1-1520.1 20.1 偏振光和自然光偏振光和自然光20.2 20.2 起偏和检偏起偏和检偏 Malus定律定律20.3 20.3 反射与折射光的偏振反射与折射光的偏振20.4 20.4 双折射现象双折射现象20.5 20.5 波晶片波晶片 偏振光的干涉偏振光的干涉2022-1-1620.1 20.1 自然光和偏振光自然光和偏振光 电磁波是横波，其振动方向垂直电磁波是横波，其振动方向垂直于传播方向，在振动平面内，光波有于传播方向，在振动平面内，光波有不同的振动状态。不同的振动状态。就光的振动状态，光可以分为：就光的振动状态，光可以分为：自然光自然光

4、部分偏振光部分偏振光 线偏振光线偏振光 椭圆偏振光椭圆偏振光 园偏振光园偏振光 2022-1-17自然光：自然光：自然光各方向的振自然光各方向的振动光矢量都存在动光矢量都存在可以将其他的方向的可以将其他的方向的的光按图中方向分解的光按图中方向分解2022-1-18线偏振光线偏振光线偏振光仅存在一个方线偏振光仅存在一个方向振动的光矢量向振动的光矢量2022-1-19部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光在一个方在一个方向振动的光矢量比其他向振动的光矢量比其他方向振动的光矢量强方向振动的光矢量强2022-1-110椭圆偏振光椭圆偏振光 椭园偏振光椭园偏振光是由两个是由两个相互垂直的光矢量干相互垂

5、直的光矢量干涉形成的偏振光涉形成的偏振光 2022-1-111园偏振光园偏振光 园偏振光园偏振光是由两个相是由两个相互垂直的光矢量干涉互垂直的光矢量干涉形成的偏振光形成的偏振光 2022-1-11220.2 20.2 起偏和检偏起偏和检偏 Malus定律定律起偏起偏检偏检偏检偏检偏2022-1-113Malus定律：定律： sincos00AAAATN NATA0A2022-1-114透射光的光强：透射光的光强： 20cosIIN 2NNAI 23,2 消光位置消光位置 NATA2022-1-115例题：例题： 正交偏振片正交偏振片，P1 1、P3 3之间加一偏振片之间加一偏振片P2 2，光强

6、为光强为I0 0的自然光垂直入射偏振片的自然光垂直入射偏振片P1 1，求转动求转动P2 2时时，透过透过P3 3的的光强光强I与转角的关系。与转角的关系。起偏起偏检偏检偏检偏检偏0A1A2A3A2022-1-116I0 0经过经过P1 1后后：0121II I1 1经过经过P2 2后后： 212cosII P1 1P2P3 A10A1A2A3A2022-1-117I2 2经过经过P3 3后后： 2222223sin2coscosIIII 20212cos2cosIII 2203sincos2III P1 1P2 2P3 3 A1 1 2sin820I 2022-1-118例题：例题： 自然光和

7、线偏振光的混合光束入射偏振片，透自然光和线偏振光的混合光束入射偏振片，透射光强变化，最强和最弱的光强比为射光强变化，最强和最弱的光强比为6 6：1 1，求自然光和，求自然光和线偏振光强度比？线偏振光强度比？透射光的光强最强时：透射光的光强最强时：21max21III NATA透射光的光强最弱时：透射光的光强最弱时：1min21II 由于：由于：6minmax II2512 II自然光强度：自然光强度：偏振光强度：偏振光强度：1I2I2022-1-11920.3 反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振 自然光在各向同性媒质反射和折射时，自然光在各向同性媒质反射和折射时，反射和折射光是部分偏振光。反

8、射和折射光是部分偏振光。i2022-1-120实验表明：实验表明：p 反射光的偏振化的程度与入射角有关。反射光的偏振化的程度与入射角有关。p 当入射角为一特定角度时，反射光是线当入射角为一特定角度时，反射光是线偏振光。偏振光。120 nnitg 这一特定角度这一特定角度i0被称为被称为(Brewster)布儒斯特布儒斯特角角. .2022-1-121i0 0为为Brewster角角1n2ni0 当入射角为当入射角为Brewster角时角时，反射光是线偏反射光是线偏振光振光，折射光仍然是部分线偏振光。折射光仍然是部分线偏振光。入射光为自然光入射光为自然光2022-1-122i0 0为为Brews

9、ter角角2ni0 当入射角为当入射角为Brewster角时角时，反射光是线偏反射光是线偏振光振光，折射光仍然是部分线偏振光。折射光仍然是部分线偏振光。入射光为偏振光入射光为偏振光1n2022-1-123i0 0为为Brewster角角1n2ni0 当入射角为当入射角为Brewster角时角时，反射光是线偏反射光是线偏振光振光，折射光仍然是部分线偏振光。折射光仍然是部分线偏振光。入射光为偏振光入射光为偏振光2022-1-124120 nnitg sinsin201nin 1n2ni0 0202cos2sininin 当光线以布儒斯特角入射时，反射光与折当光线以布儒斯特角入射时，反射光与折射光垂

10、直。射光垂直。20 i2022-1-12501i02i 33. 1 nwater00. 1 nairairwaternnitg 01 waterglassnnitg 02 57. 1 nglass0010106.5300.133.1 iitg002027 .48333.1517.1 iitg64110 例：如图，求例：如图，求反射光为线偏反射光为线偏振时的振时的角度角度 0200190ii 2022-1-12620.4 20.4 双折射双折射 光的折射定律给出光折射的规律，光的折射定律给出光折射的规律，一条入射光只有一条折射光，但是有一一条入射光只有一条折射光，但是有一类晶体物质，一条入射光对

11、应两条折射类晶体物质，一条入射光对应两条折射光，这种现象称为双折射。光，这种现象称为双折射。一，双折射的基本特点：一，双折射的基本特点：2022-1-127 双折射中的两条光线中有一条符合常双折射中的两条光线中有一条符合常规折射定律，称为规折射定律，称为寻常光，寻常光，简称简称o光；光；而而另一条不符合折射定律，称为另一条不符合折射定律，称为非寻常光，非寻常光，简称简称e光。光。 光线垂直入射时，以入射光为轴旋转晶光线垂直入射时，以入射光为轴旋转晶体时体时，e光也随之转动光也随之转动。 o光和光和e光是偏振光光是偏振光。一一 双折射的基本特点：双折射的基本特点：2022-1-128二二 产生双

12、折射的原因：产生双折射的原因： 在晶体中在晶体中o光和光和e光的传播速度不相光的传播速度不相同，导致光束分离。由晶体折射率的同，导致光束分离。由晶体折射率的定义：定义：Vcn o光在晶体中传播各向同性，其光在晶体中传播各向同性，其折射率是单值折射率是单值no o : :ooVcn 2022-1-129 e光光在晶体中传播各向异性，光沿不同方在晶体中传播各向异性，光沿不同方向传播其速度不同，则其折射率不是单值，向传播其速度不同，则其折射率不是单值，是方向的函数。是方向的函数。 取光传播速度极值的方向对应的折射取光传播速度极值的方向对应的折射率为主折射率率为主折射率ne :eeMAXeVcVcn

13、eeonnVV o eeonnVV o 正晶体正晶体负晶体负晶体2022-1-130三三 有关双折射的定义：有关双折射的定义： 晶体的晶体的光轴光轴 ：晶体内存在一个特别的：晶体内存在一个特别的方向，方向，光线沿这一特定的方向传播光线沿这一特定的方向传播，o光和光和e光的传播速度相同，不发生双折射。晶体有光的传播速度相同，不发生双折射。晶体有单轴晶体和多轴晶体。单轴晶体和多轴晶体。 光线的光线的主平面：在晶体中传播的光线主平面：在晶体中传播的光线与晶体光轴组成的平面与晶体光轴组成的平面称为该光线的主平面。称为该光线的主平面。晶体中晶体中o光和光和e光有各自的主平面。光有各自的主平面。 o光的振

14、动方向垂直于光的振动方向垂直于o光的主平面。光的主平面。 e光的振动方向平行于光的振动方向平行于e光的主平面。光的主平面。2022-1-131 当晶体的光轴在入射面内时，当晶体的光轴在入射面内时，o光和光和e光的主平面重合，光的主平面重合， o光和光和e光的振动方向相光的振动方向相互垂直。互垂直。ie光光o光光 o光的振动方向垂直于光的振动方向垂直于o光的主平面。光的主平面。 e光的振动方向平行于光的振动方向平行于e光的主平面。光的主平面。光轴光轴eeonnVV o 负晶体负晶体2022-1-132i光轴光轴 当晶体的光轴垂直于入射面内时，当晶体的光轴垂直于入射面内时，o光和光和e光的主平面不

15、重合。光的主平面不重合。 o光的振动方向垂直于光的振动方向垂直于o光的主平面。光的主平面。 e光的振动方向平行于光的振动方向平行于e光的主平面。光的主平面。eeonnVV o 负晶体负晶体2022-1-133ie光光o光光光轴光轴 当晶体的光轴垂直于入射面内时，当晶体的光轴垂直于入射面内时，o光和光和e光的主平面不重合。光的主平面不重合。 o光的振动方向垂直于光的振动方向垂直于o光的主平面。光的主平面。 e光的振动方向平行于光的振动方向平行于e光的主平面。光的主平面。eeonnVV o 负晶体负晶体2022-1-134四四 用惠更斯原理解释双折射用惠更斯原理解释双折射 点光源在传播时，如果光束

16、各向同点光源在传播时，如果光束各向同性，波面是球面；如果光束各向异性，性，波面是球面；如果光束各向异性，波面不是球面。实验表明：波面不是球面。实验表明：o光的波面是光的波面是球面；球面；e光的波面是旋转椭球面。光的波面是旋转椭球面。利用惠更斯原理可以解释双折射利用惠更斯原理可以解释双折射2022-1-135负晶体的折射率负晶体的折射率eeonnVV o eVoV光轴光轴正晶体的折射率正晶体的折射率eeonnVV o eVoV光轴光轴2022-1-136 负晶体光轴在入射面内，与晶体负晶体光轴在入射面内，与晶体表面平行，光线垂直入射。表面平行，光线垂直入射。 在晶体中在晶体中传播的光线与传播的光

17、线与晶体光轴组成晶体光轴组成的平面称为该的平面称为该光线的主平面光线的主平面o光光o光光e光光e光光光轴光轴2022-1-137 负晶体光轴在入射面内，与晶体负晶体光轴在入射面内，与晶体表面平行，光线平行斜入射。表面平行，光线平行斜入射。o光轴光轴eO O光的波前光的波前e e光的波前光的波前2022-1-138 负晶体光轴垂直射面，与晶体表面负晶体光轴垂直射面，与晶体表面平行，光线平行斜入射。平行，光线平行斜入射。eo o光的振动方向垂直光的振动方向垂直于于o o光的主平面。光的主平面。 e e光的振动方向平光的振动方向平行于行于E E光的主平面。光的主平面。光轴光轴o2022-1-139

18、负晶体光轴在入射面内，与晶体负晶体光轴在入射面内，与晶体表面不平行，光线平行斜入射。表面不平行，光线平行斜入射。oe光轴光轴2022-1-140例题例题 棱镜棱镜ABCDABCD由两个方解石正三角棱镜组成由两个方解石正三角棱镜组成，ABDABD光光轴平行于轴平行于ABAB， BCDBCD光轴垂直于图面光轴垂直于图面，单色自然光垂直单色自然光垂直入射，画棱镜中入射，画棱镜中e e光光和和o o光光。eooeABCDeeonnVV o 负晶体负晶体2022-1-1416548. 1 4864. 1 1 oennneeonin sinsin ooenin sinsin 在在BD分界面上分界面上，o光

19、和光和e光光交换交换：eoeoenninn22sinsin oeeonninn22sinsin0 eooeABCD2022-1-142o光和光和e光分离光分离652 22sinsin oeeoeoenninn 0239 22sinsin0 oooeeonninn eoOEABCD6412 o 2022-1-14323.5 23.5 椭圆和园偏振光椭圆和园偏振光o光就是振动方向与主平面垂直的光光就是振动方向与主平面垂直的光。e光就是振动方向与主平面平行的光光就是振动方向与主平面平行的光。 当光轴在光线入射面内时，当光轴在光线入射面内时，o光和光和e光的光的主平面重合主平面重合o光光e光的振动方向

20、相互垂直。光的振动方向相互垂直。 两个相互垂直的同频率振动合两个相互垂直的同频率振动合成结果是园或是椭圆成结果是园或是椭圆2022-1-144 2211coscos tAytAxo光的振动光的振动e光的振动光的振动 12212212212sincos2 AAxyAyAx212 1222212 AyAx21AA 正椭圆偏振光正椭圆偏振光圆偏振光圆偏振光 2 , 012 kxxAAy 21线偏振光线偏振光2022-1-145-202-4-3-2-1012340-202-4-3-2-101234/4-202-4-3-2-101234/2-202-4-3-2-1012343/4-202-4-3-2-1

21、01234-202-4-3-2-101234-202-4-3-2-1012345/4-202-4-3-2-1012343/2-202-4-3-2-1012347/4-202-4-3-2-1012342左旋左旋右旋右旋0 yx 0 yx 2022-1-146只要保持只要保持212 就可以得到稳定的园或正椭圆偏振光就可以得到稳定的园或正椭圆偏振光eoo o光光e e光形成光形成212 2022-1-147 入射光是自然光时入射光是自然光时，o光光e光虽然形成，光虽然形成，但不能合成稳定的干涉结果但不能合成稳定的干涉结果 入射光是偏振光时入射光是偏振光时，o光光e光不但分开，光不但分开，而且由于晶体

22、内的而且由于晶体内的o光光e光是同一偏振光分离光是同一偏振光分离出来的光线，能合成稳定的干涉结果，形成出来的光线，能合成稳定的干涉结果，形成稳定园或椭圆偏振光。稳定园或椭圆偏振光。 随光线的进入，随光线的进入，o光光e光速度不同，行进相光速度不同，行进相同的距离，光程不同。如果在空间上不使它们同的距离，光程不同。如果在空间上不使它们分离，则其合成是相互垂直振动的合成。分离，则其合成是相互垂直振动的合成。2022-1-148 E EO O光轴光轴线偏振光垂直入射双折射晶体线偏振光垂直入射双折射晶体 晶体的光轴在入射面内，晶体的光轴在入射面内，o光和光和e光的主平面光的主平面重合，重合， o光和光

23、和e光的振动方向相互垂直。光的振动方向相互垂直。入射面入射面2022-1-149 线偏振光垂直入射双折射晶体，线偏振光垂直入射双折射晶体，o光与光与e光光没有分开。干涉形成园或椭圆偏振光。没有分开。干涉形成园或椭圆偏振光。EO光轴光轴 sincosAAAAoe enn oenn o正晶体正晶体负晶体负晶体 对于负晶体对于负晶体，e光超前光超前o光光 对于正晶体对于正晶体，e光落后光落后o光光。2022-1-150oo光光e光分开光分开do光通过厚度为光通过厚度为d 的晶体时光程是：的晶体时光程是：dnoe e光通过厚度为光通过厚度为d 的晶体时光程是：的晶体时光程是：dnee dnndndno

24、eoe 出晶体后，出晶体后，o o光和光和e e 光间的光程差是：光间的光程差是：对应位相差是：对应位相差是： dnnoe 2光轴光轴2022-1-151 dnnoe 2 只要适当控制晶体的厚度，就可以控制只要适当控制晶体的厚度，就可以控制o光光和和e 光的位相差（光程差光的位相差（光程差) )。当当2 oennd 4 1222212 AyAx21AA 正椭圆偏振正椭圆偏振圆偏振圆偏振对应光程差对应光程差4 满足上式厚度的晶体称为对应波长满足上式厚度的晶体称为对应波长 的四分之一波片。的四分之一波片。2022-1-152 四分之一波片可使原本有四分之一波片可使原本有四分之一波长光程差的四分之一波长光程差的o光和光和e光光的光程差变成二分之一波长光程差。的光程差变成二分之一波长光程差。EO2 4 圆（椭圆）偏振光圆（椭圆）偏振光通过四分之一波片后变通过四分之一波片后变成线偏振光。成线偏振光。四分之一波片可以