第3章波的叠加原理光的干涉4(偏振光的干涉人工双折射)

1、13.9 偏振光的干涉偏振光的干涉 一一. .典型装置典型装置 二二. .线偏振光通过波晶片后的偏振状态线偏振光通过波晶片后的偏振状态 三三. 相干区相干区 干涉强度干涉强度 四四. 偏振状态的全面检验偏振状态的全面检验2一一. .典型装置典型装置PACAP 波晶片波晶片: :光轴平行于入射表面的晶体薄片光轴平行于入射表面的晶体薄片两个正交的偏振片两个正交的偏振片 记做记做三个元件表面平行三个元件表面平行 自然光正入射自然光正入射演示：演示：波晶片波晶片3在上述装置下在上述装置下 令单色自然光正入射令单色自然光正入射 分析各区光的偏振状态分析各区光的偏振状态起偏器起偏器P后是线偏振光后是线偏振

2、光线偏振光经波晶片线偏振光经波晶片C后偏振态后偏振态?强度强度?检偏器检偏器A后的偏振态后的偏振态?强度强度? PAC4二二. .线偏振光通过波晶片后的偏振状态线偏振光通过波晶片后的偏振状态d3) ) o 光光 e 光的光程差光的光程差dnn)(eo结论结论:1) )o 光光 e 光传播方向相同光传播方向相同 同一点源发出的同一点源发出的o 光光 e 光不分开光不分开2) ) o 光光 e 光振动方向垂直光振动方向垂直 o 光轴，光轴， e 光轴光轴可以用光轴来说明可以用光轴来说明o e光光 振动方向振动方向线偏振光线偏振光与入射面与入射面有一夹角有一夹角o.A.oe54) ) 线偏振光通过波

3、晶片后的偏振状态线偏振光通过波晶片后的偏振状态 两个同频率的两个同频率的 振动方向垂直的振动方向垂直的 有确定相位差的有确定相位差的 S. H. V. 的合成的合成一般一般合成光矢量端点的轨迹是椭圆合成光矢量端点的轨迹是椭圆oA但但 每时刻每时刻都是都是线偏振光线偏振光所以所以 称为称为椭圆偏振光椭圆偏振光eA光轴光轴64)(eodnn 特殊特殊1若晶片厚度合适若晶片厚度合适 使使 o 光光 e 光的光程差为光的光程差为 /4波长波长22eodnn相位差是相位差是正椭圆偏振光正椭圆偏振光O.A.eAoAoeAA 圆偏振光圆偏振光如果再让如果再让该波晶片叫四分之一波片该波晶片叫四分之一波片7特殊

4、特殊2若晶片厚度合适若晶片厚度合适 使使 o 光光e 光的光程差为光的光程差为 /2波长波长称该波晶片为二分之一波片称该波晶片为二分之一波片( (或称半波片或称半波片) )经二分之一波片后经二分之一波片后 o光光e 光相位差为光相位差为 合成为合成为线偏振光线偏振光相位差是相位差是)(2eodnn2)(eodnn8C线线偏偏振振O.A.1Ae1Ao1A0在在 /2片前片前过过 /2片后片后仍是线偏振仍是线偏振旋转了旋转了 2 角角 /2片片o.A.注意注意: /2波片波片 /4 波片波片 必须指明波长必须指明波长211AI 1 3象限的振动象限的振动2 4象限的振动象限的振动演示：演示：圆圆.

5、 .椭模型椭模型9 5 ) ) 推论推论 由上述分析知由上述分析知 圆圆和和椭圆偏振光椭圆偏振光可看成是两束可看成是两束 频率相同频率相同传播方向一致传播方向一致 振动方向相互垂直振动方向相互垂直相位差为某个确定值的相位差为某个确定值的线偏振光线偏振光的合成的合成 同样同样 线偏振光线偏振光可看成是两束可看成是两束 频率相同频率相同 相位相同相位相同 振幅相同振幅相同 传播方向亦相同的传播方向亦相同的左左 右旋右旋 圆偏振光圆偏振光的合成的合成10三三. 相干区干涉强度相干区干涉强度)A( x)P(yO.A.1Ae1Ao1Ae2Ao2A相干区相干区相干光的振幅相干光的振幅sine1e2AAsi

6、ncos1Ao2A211AI PAC1I11相干光光程差相干光光程差 由波片厚度引进的是由波片厚度引进的是dnn)(eo22)(eodnn)A( x)P(yO.A.1Ae1Ao1Ae2Ao2A在该装置中在该装置中 两光经两光经检偏器检偏器A后振动步调相反后振动步调相反所以装置带来的所以装置带来的附加光程差是附加光程差是总光程差总光程差12 合成结果合成结果cos2o2e22o22e2AAAAA)A( x)P(yO.A.1Ae1Ao1Ae2Ao2A2eodnn相位差相位差sincos1o2e2AAA13讨论讨论1) ) 典型装置典型装置相干条件的实现相干条件的实现:波晶片波晶片 保证从一次发光中

7、分出两支保证从一次发光中分出两支 给出光程差给出光程差 (no-ne)d检偏器检偏器 保证两光振动方向相同保证两光振动方向相同起偏器起偏器 保证两光有确定相差保证两光有确定相差)A( x)P(yO.A.1Ae1Ao1Ae2Ao2A振幅投影图振幅投影图PAC相干区相干区142eodnn2) )相位差与装置的关系相位差与装置的关系AP APdnneo2思考思考1 画出画出P A时振幅投影图时振幅投影图 思考思考2 比较比较P A与与P A情况情况 说明为什么说明为什么 多采用多采用P A情形观察偏振光干涉情形观察偏振光干涉思考思考3 自然光入射波片后的偏振状态是什么自然光入射波片后的偏振状态是什么

8、?153) ) 干涉现象干涉现象2eodnn在装置确定后在装置确定后相位差与相位差与晶体晶体 与与波长波长 与与波片厚度波片厚度有关有关波长确定波长确定 石英劈尖等厚条纹石英劈尖等厚条纹 PA 石英石英等厚等厚条纹条纹思考思考: :已知已知no o ne e 推导条纹间推导条纹间距距16石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）演示：演示：石英尖劈石英尖劈17 晶片确定晶片确定 厚度确定厚度确定 白光入射白光入射若厚度若厚度不不均匀均匀 会出现会出现彩色彩色条纹条纹 由于某种由于某种波长干涉相消波长干涉相消而呈现它的而呈现它的互补色互补色 这种现象叫这种现象叫（显）色偏振

9、（显）色偏振如如 红色红色（656.2 nm） 相消相消 出现出现绿色绿色（492.1nm） 蓝色蓝色（485.4nm） 相消相消 出现出现黄色黄色（585. 3nm）18硫代硫酸钠晶片的色偏振图片硫代硫酸钠晶片的色偏振图片19色偏振是检验材料有无双折射效应的灵敏方法色偏振是检验材料有无双折射效应的灵敏方法 用显微镜观察各种材料在白光下的色偏振用显微镜观察各种材料在白光下的色偏振可以分析物质内部的某些结构可以分析物质内部的某些结构偏光显微术偏光显微术演示：演示：玻璃纸厚度不玻璃纸厚度不同的色偏振同的色偏振视频：视频：结冰过程结冰过程20利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程2

10、1利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程22利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程23利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程24利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程25利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程26利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程27利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程28利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程29利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程30利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程3

11、1利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程32利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程33利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程34利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程35利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程36利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程演示演示完完37四四.偏振状态的全面检验偏振状态的全面检验第一步：用偏振片旋第一步：用偏振片旋 观察出射光强变化观察出射光强变化 将将5种偏振态分成种偏振态分成3组组A 线偏振光线偏振光自然光自然光 圆偏振光圆偏振光部分偏振光部分偏振光 椭圆

12、偏振光椭圆偏振光38第二步：第二步： 用四分之一波片区分圆偏振光和自然光用四分之一波片区分圆偏振光和自然光 用四分之一波片区分椭圆偏振光和部分偏振光用四分之一波片区分椭圆偏振光和部分偏振光4A4椭圆偏振光椭圆偏振光2思考：思考：如何保证四分如何保证四分之一波片的光之一波片的光轴与产生椭圆轴与产生椭圆偏振光的波片偏振光的波片光轴平行或垂光轴平行或垂直？直？会出现消会出现消光现象光现象演示演示393.10人工双折射人工双折射一一. .应力双折射应力双折射二二. .电致双折射电致双折射三三. .磁致双折射磁致双折射40人为地造成各向异性人为地造成各向异性 而产生双折射而产生双折射一一. .应力双折射

13、应力双折射( (光弹效应光弹效应) )应力应力各向异性各向异性SFknnoe在一定应力范围内：在一定应力范围内：P1P2 dFSF干涉干涉有机玻璃有机玻璃C v 各向不同各向不同 n各向不同各向不同4122oeSFdknnd各处各处 不同不同各处各处 不同不同出现干涉条纹出现干涉条纹SF 变变 变变干涉情况干涉情况变变SF 模模型型的的光光弹弹图图像像钓钓钩钩的的光光弹弹图图像像演示演示42会聚光的电光效应会聚光的电光效应应力双折射应力双折射43二二. .电致双折射电致双折射( (电光效应电光效应) )1.克尔效应克尔效应( (二次电光效应二次电光效应) ) 45 P2盒内充某种液体盒内充某种

14、液体 如硝基苯（如硝基苯（C6H5NO2）l+-克尔盒克尔盒dP145 不加电场不加电场液体各向同性液体各向同性P2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光轴平行电场强度方向光轴平行电场强度方向 P2透光透光44222oedUkkEnn由于折射率改变与电场强度是平方关系由于折射率改变与电场强度是平方关系故克尔效应也叫故克尔效应也叫二次电光效应二次电光效应k 克尔常数克尔常数 U U 电压电压相位差为相位差为：此时对应的电压此时对应的电压U U 叫半波电压叫半波电压 P P2 2透光最强透光最强k 2 22dkUllnnoek克尔盒相当于半波片克尔盒相当于半波片主折射率改

15、变与电场强度的关系是主折射率改变与电场强度的关系是: :当当452. .泡克尔斯效应泡克尔斯效应( (一次电光效应一次电光效应) )。电光晶体电光晶体+。-P1P2KK 泡克尔斯盒泡克尔斯盒 不加电场不加电场 P2 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方向附加了双折射效应原光轴方向附加了双折射效应P2 透光透光电场与光传播方向平行电场与光传播方向平行 21PP 透明电极透明电极K和和K光沿光轴方向传播光沿光轴方向传播单轴晶体单轴晶体46no o光在晶体中的折射率光在晶体中的折射率相位差：相位差：rUnp3o2r 电光常数电光常数 时时 P2 透光最强透光最强p 常用的电光晶体是常用的电光晶体是