物理光学131121

1、1光线在一般情况下入射晶体， o光和e光是不同面的。当入射光在主截面内时，o光，e光主平面均为主截面。 o光，e光的光矢量互相垂直。2一、偏振器件1. 尼科耳棱镜（W.Nicol） 材料：方解石48641. 1 ,65836. 1eonn(一)偏振起偏棱镜自然光入射，其中一束线偏振光发生全反射，只出射另一束偏振光145 晶体偏振器件作用：产生偏振光或检测偏振光。55. 1Bn696584. 155. 1sinsin11cBcnn加拿大树胶eBonnn O光全反射，透出的偏振光的光矢量与入射面平行e光368。71。90。77。尼科耳棱镜（W.Nicol）光轴孔径角：14缺点：1.不适用于高度会聚

2、2. 价格十分昂贵优点：1.对可见光的透明度高2.能产生完善的线偏振光综合评定：比较优良或发散的光束加拿大树胶S1S242. 格兰汤姆逊（Glan-Thompson）棱镜AAA光轴光垂直于棱镜端面入射时方解石直角棱镜胶合剂5AAA光轴ii孔径角的限制当入射光束不是平行光或平行光非正入射时48641. 1,65836. 1eonn 55. 1Bn69cnm3 .589加拿大树胶7327. 3tg长宽比：1:27. 3孔径角：138131. 6tg长宽比：1:31. 6孔径角：4025. 3tg孔径角：32甘油474. 1Bn90.72长宽比：1:25. 363. 格兰付科（Glan-foucau

3、lt）棱镜AAa)光轴垂直入射面AAb)光轴平行入射面空气薄层优点：适用于紫外波段，能承受强光照射缺点：孔径角小，透射比不高781. 渥拉斯顿棱镜（Wollaston）： 利用两个正交的光轴分解光。材料：冰洲石，石英eonn （二）偏振分束棱镜也称为双像棱镜ffftgnne0arcsin改变振动方向互相垂直的两束线偏振光的传播方向，获得两束分开的线偏振光ABCD双向，有轻微有色散晶体光学元件改进型格兰汤普森棱镜 102.洛匈棱镜oenn 材料：石英只允许光从左方射入棱镜可得到无色散的白色偏振光11二、波片（位相延迟器）它的作用是：o光和e光通过波片时的光程差与位相差：dnndnneoeo2d是

4、波片厚度。使两个振动方向相互垂直的光产生位相延迟。制作：用单轴透明晶体做成的平行平板，光轴与表面平行。自然光起偏器检偏器PAxy 波片 光轴12快轴和慢轴：快轴：称晶体中传播速度快的光矢量方向为快轴。慢轴：称晶体中传播速度慢的光矢量方向为慢轴。波片最常用的材料：云母，石英，聚乙烯醇薄膜1322)41(mmdnneo , 对应的则称该波片是1/4波片，1/4波片的最小厚度：)(4mineonnd若当n0ne时，e光超前，波片的快轴为e 矢量方向。1、/4波片性质：1) 线偏振光入射时，出射光为椭圆偏振光2) 与快慢轴都成45度线偏振光入射，出射光为圆偏振光3) 可以使圆偏振光或椭圆偏振光变成线偏

5、振光4) 对某一特定波长的光产生某一特定的相位变化5) 自然光入射，出射光为自然光14O光和e光产生的光程差) 12()21(mmdnneo对应的 , 称该晶片为二分之一波片。2、/2波片性质：1）椭圆偏振光入射时，出射光仍为椭圆偏振光，只是旋向相反；2）线偏振光入射时，出射光仍为线偏振光。若入射的线偏振光与快（慢）轴夹角为，出射光的振动方向向着快（慢）轴转动了2。15圆偏振光：光矢量大小不变，其方向绕传播方向均匀转动，且矢量末端轨迹为圆。1617线偏振光通过半波片后光矢量的转动入射时快（慢）轴出射时偏振分光镜193、全波片mmdnneo2对应的 , 称该晶片为全波片。性质：1）不改变入射光的

6、偏振状态；2）只能增大光程差。20三、补偿器 产生连续改变的位相差巴比涅（Babinet）补偿器d1d2入射光微量移动212ddnneo索里补偿器索里补偿器两光楔相接触的全部区域内相位差稳定不变用于宽光束中223 偏振器（Polarizer）a.双折射晶体（偏振分束器）单轴晶体如方解石、金红石钒酸钇、铌酸锂等偏振器（Polarizer）楔形双折射晶体偏振分束器楔形双折射晶体偏振分束器23偏振器-薄膜起偏分束器（SWP）24偏振器-线栅起偏器第五节第五节 旋光现象旋光现象（optical activity ）线偏振光通过某些物质而发生振动面旋转的现象。线偏振光通过某些物质而发生振动面旋转的现象。

7、1.旋光现象旋光现象:旋光物质旋光物质: : 能使偏振光振动面旋转的物质。能使偏振光振动面旋转的物质。天然存在的或人造的许多晶体具有旋天然存在的或人造的许多晶体具有旋光性质。例如石英晶体、各种糖溶液光性质。例如石英晶体、各种糖溶液等，它们有左旋体和右旋体。等，它们有左旋体和右旋体。葡萄糖葡萄糖甘油醛甘油醛2.旋光物质使振动面旋转的角度旋光物质使振动面旋转的角度:lcl 晶体：晶体：溶液溶液: :称为物质的旋光率。称为物质的旋光率。 lct100单位：单位：l l:dm C:g:dm C:gtl旋光色散：旋光系数与波长平方成反比3.左旋与右旋：左旋与右旋：右旋（右旋（D D- -）左旋（左旋（L

8、 L- -）Levorotatory and Dextrorotatory Optical IsomerismOptical Isomerism 光学异构体光学异构体手性分子：手性表示物体无法凭手性分子：手性表示物体无法凭旋转或平移与其镜像重合，人手旋转或平移与其镜像重合，人手是手性的最好例子。一些化学分是手性的最好例子。一些化学分子的立体结构也具有这样的特征，子的立体结构也具有这样的特征，故称手征分子；不同手征而相同故称手征分子；不同手征而相同化学式的分子称为同分异构。按化学式的分子称为同分异构。按照空间结构，手征分子可分为照空间结构，手征分子可分为D D- -和和L L- -。 旋光和旋光

9、效应旋光和旋光效应b. 薄膜起偏分束器(SWP)c. 线栅起偏器d. 玻璃起偏器2.4.2 光隔离器的结构和工作原理1. 偏振相关型光隔离器光环形器工作原理起偏器、检偏器、旋光器2. 偏振无关型光隔离器Wedge型偏振无关型光隔离器结构型偏振无关型光隔离器结构偏振无关型光隔离器结构二偏振无关型光隔离器结构二偏振无关型光隔离器结构三偏振无关型光隔离器结构三3511101012011021:复振幅)cos( )cos(sin,cosiieayeaxEtaytaxEaaaaxya1a2a2、圆偏振光(包括椭圆偏振光)cos()cos(1211taEtaEyxxya1a2a146 偏振的矩阵表示一、偏

10、振光的表示1、线偏振光的分解kz136或者表示为:0 ,2,)(exp)(exp2121)(201012011011aaaaeayeaxEtiayxEtiaxxEii2,21 aa右旋椭圆光。左旋椭圆光。线偏振光时,0圆偏振光37所以任意一个偏振光都可表示为: a.光矢量互相垂直 b.沿同一方向传播且位相差恒定的两个线偏振光的合成。因此偏振光可表示如下：0y0E yxEEx)(20)(1021titieayeax既)(2)(121tiytixeaEeaE省去公共因子，用复振幅表示为2121iyixeaEeaE38)-(121212112121211 iiiiyxiyixeaaeaeaeaEEE

11、eaEeaE二、偏振光的矩阵表示为琼斯矢量39称为归一化的琼斯矢量通常将上式归一化，有a iiaeaaaEaaeaaaaaE1,-设1222111212)-(122221112401、线偏振光的归一化琼斯矢量： 若光矢量沿x轴， ，则：sincossincos1 0,sin,cos21aaaEaaaa01E0, 121aa若光矢量与x轴成 角，振幅为 的线偏振光有则a41iaeaaEi25125122右2、求长轴沿x轴，长短轴之比是2：1的右旋椭圆偏振光的归一化琼斯矢量。 根据已知条件有：22225,2aEEaeEaEyxiyx归一化琼斯矢量为偏振光的叠加偏振光的叠加三、正交偏振三、正交偏振设

12、有两列偏振光，其偏振态由复振幅E1和E2表示2222211111,BAEEEBAEEEyxyx43如果它们满足条件：0*21EE0*21*21yyxxEEEE*表示复数共轭。则这两个偏振光是正交的，它们是一对正交偏振态光矢量的振动方向互相垂直的两列线偏振光是正交的。左旋圆偏振光和右旋圆偏振光是正交的。任何一种偏振态均可分解为两个正交的偏振态。444511212222112111111222112112212212121121112222111.EGGGGENggggGBAGBAggggBABgAgBBgAgABAEBAENN个偏振器件，则相继通过如果偏振光琼斯矩阵为。称为该器件的琼斯矩阵，式中

13、矩阵，写成矩阵形式：出射光为，经过偏振器件之后，设入射光为四、偏振器件的矩阵表示3.求透光轴与x轴成角的线偏振器的琼斯矩阵。P1xy1A1B+2B2A2211111cossincoscossin22AABAB2211111cossinsinsin2sin2BABAB111AEB设入射光的琼斯矩阵为11,AB表示在x,y轴上两个分量分别为11cos ,sinAB则沿线偏振器透光轴方向的分量分别为22,AB将这两个分量的和在x,y轴上再做一次投影，得到分量472222112211sin,2sin212sin21,cosgggg 可知：由此得线偏振器的琼斯矩阵为：22sin,2sin212sin21

14、,cos GB1A1AA2B20度，45度，90度？48解：自然光通过起偏器，成为线偏振光，其琼斯矢量为：112111BA/4波片,/2 ， /8波片的琼斯矩阵分别为4824001,1001,001ieGGiG 自然光通过光轴夹角为45度的线偏振器后，又通过了1/4、1/2和1/8波片，快轴沿波片Y轴，试用琼斯矩阵计算透射光的偏振态。4944001001001iieie出射光为：44220211100121iieeBAieGGGGi, 0011, 001, 0014428，50有一快轴与x轴成角，产生位相差为的波片，试求其琼斯矩阵5111BA设入射偏振光为A1和B1在波片的快、慢轴上的分量为：

15、cosBsinABsinBcosAA111111写成矩阵形式：1111BAcossinsincosBA，52偏振光透过波片后，在快轴 和慢轴上的复振幅为：iBBAAexp 1 111因而透过波片后有：111111001001BAcossinsincos)iexp(BA)iexp(BA，53cossinsincos1 12112BABBAA1122BAcossinsincosBA，)iexp(BAcositg,cositgsinitg,cositgcosBAcossinsincos)iexp(cossinsincosBA222122222212001111122，将A1”和B1”再次分解到x,y

16、轴上，有快轴与x轴成角，产生的相位差为的波片的琼斯矩阵1cos2sin222cos2sin21cos222itgitgGitgitg（三） 利用琼斯矢量和琼斯矩阵的计算56一、偏振光的变换147 偏振光的变换和测定1、椭圆偏振光的获得 方法：采用起偏器和/4波片从自然光中获得自然光线偏光椭圆偏振光 波片xy快轴起偏器偏振光的变换与检验系统偏振光的变换与检验系统 起偏器起偏器：从自然光获得线偏光 波片波片：对入射偏光的偏振态进行调制，以获得圆偏光或椭偏光（/4波片） 检偏器检偏器：判定出射光的偏振态1）出射光为线偏光出射光为线偏光：旋转检偏器P2，光强发生变化，并在某一个位置上出现消光现象（此时

17、，线偏光的振动方向与P2的光轴垂直）2）出射光为圆偏光出射光为圆偏光：旋转检偏器P2，光强无变化3）出射光为椭偏光出射光为椭偏光：旋转检偏器P2，有光强变化，无消光现象。/4波片对各种偏振光的调制波片对各种偏振光的调制输入/4波片的位置输出线偏光e轴或o轴与偏振方向一致线偏光e轴或o轴与偏振方向成45度角圆偏光其他位置椭偏光圆偏光任何位置线偏光椭偏光e轴或o轴与椭圆主轴一致线偏光其他位置椭偏光59二、偏振光的测定1、线偏振光的测定 含义：确定是否是线偏振光；测定线偏振光的振动方向。 出发点：马吕斯定律半影式检偏器：用以提高检偏器方位的定位精度。60PHAy半影式检偏器工作原理) (sin) (sin22222211OHIOHIxOAP1P2H1H2612、椭圆偏振光的测定 含义：用实验方法测定表示偏振状态的参量（指定坐标系中的方位角、椭圆度tg和旋向；或直角坐标系下两偏振光振幅比tg和位相差。）yxxyC2OA1A262方法：采用1/4波片和检偏器的方法。步骤：1）首先用检偏器测定椭圆长轴的方位角和椭圆度tg 2）用1/4波片和检偏器测定椭圆偏光的旋向。1）设xoy坐标系中椭圆的琼斯矩阵为xxyC2OA1A221iAAE入 检偏器透光轴与x轴夹角是，其琼斯矩阵为：22sin,2sin212