一自然光和偏振光ppt课件

1、一、自然光和一、自然光和偏振光偏振光一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、等幅的、不相干不相干的光振动的光振动。自然光的表示法：自然光的表示法： 光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上，既有光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上，既有时间分布的均匀性，又有空间分布的均匀性。时间分布的均匀性，又有空间分布的均匀性。 x20IIIyx 1.1.自然光自然光振动面：振动面：光的振动方向与光的传播方向构成的平面。光的振动方向与光的传播方向构成的平面。光的偏振光的偏振: : 光光波波的振动方向相对传播方向的不对称性。的振动方向相对传播方向的不对称性。光矢

2、量光矢量振动面振动面v0HE光的偏振态光的偏振态: : 光矢量在与光传播方向垂直的光矢量在与光传播方向垂直的 平面内的振动状态。平面内的振动状态。2. 线偏振光和线偏振光和部分偏振光部分偏振光偏振方向偏振方向: :光矢量光矢量 的方向的方向E光波的光矢量方向始终不变，光波的光矢量方向始终不变，只沿一个固定方向振动。只沿一个固定方向振动。一束一束线偏振光线偏振光可分解为两束振动方向相互可分解为两束振动方向相互垂直的垂直的、不不等幅的等幅的、相干相干的线偏振光的线偏振光。 sincosEEEEyx EEyEx yx 线偏振光线偏振光(完全偏振光完全偏振光)E播播传传方方向向振振动动面面线偏振光的表

3、示法：线偏振光的表示法：光振动平行板面光振动平行板面x光振动垂直板面光振动垂直板面 x部分偏振光部分偏振光是是自然光与自然光与线偏振光线偏振光的混合的混合 部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的不等幅的、不相干不相干的线偏振光的线偏振光。部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法：平行板面的平行板面的光振动较强光振动较强垂直板面的垂直板面的光振动较强光振动较强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 偏振度：偏振度：pnptpIIIIIp 讨论：讨论：部分偏振光部分偏振光自然光自然光0 nI0 pI0 pI完全偏振光完全偏振光自然光

4、强度自然光强度nI完全偏振光强度完全偏振光强度pI1p0p10 p椭圆偏振光：椭圆偏振光：光矢量末点的运动轨迹是正椭圆或斜椭圆。光矢量末点的运动轨迹是正椭圆或斜椭圆。在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为右旋偏振光。左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为右旋偏振光。3. 椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光圆偏振光圆偏振光线偏光线偏光椭圆偏振光椭圆偏振光圆偏振光：圆偏振光：光矢量大小保持不变光矢量大小保持不变椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光，椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光，均可等效均可等效为两个具

5、有恒定相位差、相同振动频率、振动方向为两个具有恒定相位差、相同振动频率、振动方向相互垂直的线偏振光。相互垂直的线偏振光。二二、起偏和检偏起偏和检偏起偏：起偏：使自然光（或非偏振光）变成线偏振光的过程。使自然光（或非偏振光）变成线偏振光的过程。检偏：检偏：检查入射光的偏振性。检查入射光的偏振性。透透光光轴轴方方向向自然光自然光偏振片偏振片线偏振光线偏振光1 1、偏振片的起偏和检偏、偏振片的起偏和检偏将待检查的入射光垂直入将待检查的入射光垂直入射偏振片，缓慢转动偏振射偏振片，缓慢转动偏振片，观察光强的变化，确片，观察光强的变化，确定光的偏振性。定光的偏振性。线偏振光通过旋转的检偏器，线偏振光通过旋

6、转的检偏器，光强发生变化，有消光现象光强发生变化，有消光现象自然光通过旋转的检偏器，光强不变。自然光通过旋转的检偏器，光强不变。部分偏振光通过旋转的检偏器，部分偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化。光强发生变化。自然光通过起偏器，成为线偏光自然光通过起偏器，成为线偏光注意自然光通过偏振片后光强的变化注意自然光通过偏振片后光强的变化I?P待检光待检光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？是什么光如果入射线偏振光的光强为如果入射线偏振光的光强为I1，透过检偏器后，透过检偏器后，透射光的光强透射光的光强I为为三、三、 马吕斯马吕斯定

7、律定律 212cosII -线偏振光的振动方向与检偏器的透射轴方向线偏振光的振动方向与检偏器的透射轴方向 之间的夹角。之间的夹角。E1 E1cos 检偏器检偏器透射轴透射轴线偏振光线偏振光振动方向振动方向1max20III ， 022 I， 消光消光 光强的调制光强的调制:在透振方向正交的起偏器在透振方向正交的起偏器M和检偏器和检偏器 N 之间，插入一片以角速度之间，插入一片以角速度 旋转的理想偏振片旋转的理想偏振片 P，入射自然，入射自然光强为光强为 , 试求由系统出射的光强是多少？试求由系统出射的光强是多少？0ItPNMttIttII220220cossin) 2/cos)2(cos) 2

8、/（出)cos1 (212sin2每旋转偏振片每旋转偏振片P一周，一周，输出光强有怎样的变化？输出光强有怎样的变化？N MP0I20I)4cos1)(16/(0tII出tPNM每旋转偏振片每旋转偏振片P一周，输出光强有一周，输出光强有“四明四零四明四零”。所以：所以： t=00,900,1800,2700时，输出光强为零。时，输出光强为零。 t=450,1350,2250,3150时，输出光强为时，输出光强为 。8/0IN MP:),4cos1)(16/(0旋转一周出PtII输出零强度光条件：（N)13210,2414cos、，kktt输出强光条件：（N)23210,12414cos、）（，k

9、ktt四、四、布儒斯特定律布儒斯特定律- -反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振自然光自然光部分部分偏振光偏振光反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化1n2nr部分部分偏振光偏振光i21120tgnnni 这时反射光成为其振动方向垂直于入射面的线偏振光。这时反射光成为其振动方向垂直于入射面的线偏振光。布儒斯特定律布儒斯特定律反射光的偏振化程度和入射角有关，当入射角等反射光的偏振化程度和入射角有关，当入射角等于某一于某一特定值特定值i0且满足且满足0i0r1n2n自然光自然光线偏振光（线偏振光（光强弱）光强弱）部分偏振光部分偏振光光强很光

10、强很强强200 ri0i起偏振角起偏振角布儒斯特角布儒斯特角利用玻璃片堆产生线偏振光利用玻璃片堆产生线偏振光ib(接近线偏振光接近线偏振光)玻璃片堆玻璃片堆 最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光方解石晶体实验一在各向同性的介质中在各向同性的介质中S是点物是点物S 的象的象天然的方解石晶体是双折射晶体天然的方解石晶体是双折射晶体实验二ABSS1 1、双折射现象、双折射现象五五、 晶体晶体的双折射的双折射光光光光当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光双双折折射射当方解石

11、晶体旋转时当方解石晶体旋转时o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体 对于各向异性晶体，一束光射入晶体后，可以对于各向异性晶体，一束光射入晶体后，可以观察到有两束折射光的现象。观察到有两束折射光的现象。n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光寻常光寻常光：对于晶体一切方向：对于晶体

12、一切方向都具有相同的折射率都具有相同的折射率 ( 即波即波 速相同），且在入射面内传速相同），且在入射面内传播，简称它为播，简称它为O光。光。 寻常光线寻常光线(o光光) -遵守折射定律遵守折射定律非常光非常光：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且 不一定在入射面内传播，简称为不一定在入射面内传播，简称为 e 光。光。非常光线非常光线(e光光) -不遵守折射定律不遵守折射定律o光和光和e光都是线偏振光光都是线偏振光, 二者振动方向相互垂直。二者振动方向相互垂直。2 2 、光轴与主平面光轴与主平面 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

13、向传播时不发生双不发生双折射折射，该方向称为，该方向称为晶体的光轴晶体的光轴。“光轴光轴”是一是一特殊的特殊的“方向方向”, ,不是指一条直线。不是指一条直线。凡平行于此方向的直线均为光轴。凡平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，如方解石、红宝石。如方解石、红宝石。双轴晶体双轴晶体：有两个光轴的晶体，：有两个光轴的晶体，如如云母、蓝宝石。云母、蓝宝石。AB光轴光轴102主平面：主平面：晶体中晶体中某条光线某条光线与与晶体光轴晶体光轴构成的平面。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o光的振动面光的振

14、动面垂直垂直于于o光的主平面光的主平面e光的振动面在光的振动面在e光的主平面内光的主平面内主折主折射率射率: :o光的传播速率用光的传播速率用 表示表示, 其其折射率折射率用用 表示表示.o one光沿垂直于光光沿垂直于光轴方向上的轴方向上的传播速率用传播速率用 表示表示,折射率用折射率用 表示表示, ,e eneecn oocn 称为晶体的主折射率称为晶体的主折射率和和oenn当光轴位于当光轴位于入射面内，入射面内，2个主平面个主平面才严格重合才严格重合双折射现象的应用双折射现象的应用3. 尼科耳棱镜尼科耳棱镜光轴在光轴在ABCD平面内方向与平面内方向与AB成成480，入射面取，入射面取AB

15、CD面面两块特殊要求加工的直角方解石，如图：两块特殊要求加工的直角方解石，如图：加拿大树胶的折射率加拿大树胶的折射率n=1.55，O光入射角大于其临界角光入射角大于其临界角arc sin(1.55/1.658)=69012，被全反射，在，被全反射，在BD处为涂黑层所吸收。处为涂黑层所吸收。出射偏振方向在出射偏振方向在ABCD平面内的偏振光平面内的偏振光。方解石的折射率方解石的折射率n0=1.658, 486. 1enABDCe760O2206804802P1P3P光的调制课堂练习：光的调制课堂练习：最小转最小转45度度波动光学补充思考题（B）P（B）（D）解：解：（D）平行平行后续内容自由了解

16、六六. .晶体相移器件晶体相移器件 圆和椭圆偏振光的起偏圆和椭圆偏振光的起偏波片波片( (波晶片波晶片) ) 相位延迟片相位延迟片波片波片是光轴平行表面的晶体薄片。是光轴平行表面的晶体薄片。. . . .dCS1P 光轴光轴晶面晶面光轴光轴doeAo Ae 光轴光轴PAdyx线偏振光线偏振光光轴光轴 dnndodo)(2 dnneo)( cosAAe sinAAo 通过厚为通过厚为d的晶片，的晶片，o、e光产生光程差和相位差：光产生光程差和相位差： cossinAAAAeo 振幅关系振幅关系从晶片出射的是两束从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向相互垂传播方相同、振动方向相互垂直、频率相等、相

17、位差直、频率相等、相位差 的线偏振光，它们合成为的线偏振光，它们合成为一束一束椭圆偏振光椭圆偏振光。 (1) (1) 四分之一波片四分之一波片4)12()( kdnneo4 线偏振光线偏振光圆偏振光圆偏振光2 , 0 线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）（或相反）dnndodo)(2 dnneo)( 240 ， 线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光(2) (2) 二分之一波片二分之一波片2)12()( kdnndo使线偏振光振动面转使线偏振光振动面转过过2 2 角度角度A0入入A0出出A入入A出出Ae入入= Ae出入出入 光轴光轴S

18、. . . .dC1P2P 光轴光轴透光轴相互垂直透光轴相互垂直8-10 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 P2P1CA1AeAoA2oA2e 是一对振幅相等的相干光是一对振幅相等的相干光通过晶体通过晶体C C后后)(2eocnnd 此两束光合成为一束椭圆偏振光此两束光合

19、成为一束椭圆偏振光通过通过P P2 2 后后（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 ） )(2eocnnd2. 2. 相位关系相位关系), 2 , 1(,2) 12()(2 kkdnnkeo 相长干涉相长干涉相消干涉相消干涉 kdnnkeo )() 12(若单色光入射若单色光入射, ,且且d不均匀不均匀, ,则屏上出现等厚干涉条纹则屏上出现等厚干涉条纹. .三三. . 色偏振色偏振白光入射，晶片白光入射，晶片d均匀均匀屏上屏上由于某种颜色干涉相消，而呈现它的由于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补互补色色这叫（显）这叫（显）色偏振色偏振。若若d不均匀，则屏

20、上出现彩色条纹。不均匀，则屏上出现彩色条纹。如 红色红色相消绿色绿色；蓝色蓝色相消黄色黄色，一、电光一、电光效应效应(克尔效应克尔效应)某些非晶体和液体在与入射光方向垂直的强电场某些非晶体和液体在与入射光方向垂直的强电场作用下，呈现双折射现象作用下，呈现双折射现象.8-11 8-11 电磁场的光效应和旋光现象电磁场的光效应和旋光现象在强电场作用下，使分子定向排列，获得各向异性在强电场作用下，使分子定向排列，获得各向异性. .ECS1P2P克克尔尔盒盒透光轴相互垂直透光轴相互垂直液体液体2KEnneo 克克尔尔常常数数 K)(2donnl 通过厚为通过厚为l 的液体后，的液体后，o、e光产生相位

21、差：光产生相位差：22lKE 如平行板所加电压为如平行板所加电压为U)(2donnl 222dUlK 当外电场撤消时，这种性质立即消失当外电场撤消时，这种性质立即消失.若去掉盒内电场，则没有光从若去掉盒内电场，则没有光从 透出。透出。整个系统起整个系统起“光开关光开关”的作用。的作用。2p 通过控制外加电压，可调节输出的光脉冲的通过控制外加电压，可调节输出的光脉冲的长短和频率，把电讯号转变成光讯号。长短和频率，把电讯号转变成光讯号。由于电光效由于电光效应几乎没有惯性，电讯号的控制速度可达应几乎没有惯性，电讯号的控制速度可达10-9 m/s。“光开关光开关”,“光调制器光调制器” “光断续器光断

22、续器”有极快的速有极快的速度启闭光路或调制光强，目前广泛应用于高速摄影、度启闭光路或调制光强，目前广泛应用于高速摄影、电影、电视和激光通讯等许多领域。电影、电视和激光通讯等许多领域。. .S1P2P透光轴相互垂直透光轴相互垂直电光晶体电光晶体+_KK 泡泡克尔克尔斯斯效应效应某些单轴晶体放在正交某些单轴晶体放在正交偏振片之间偏振片之间, ,在加电场后在加电场后,使它引起使它引起感生双折射感生双折射.二、二、 旋光现象旋光现象 对某些晶体对某些晶体, ,当线偏振光沿其光轴方向传播时当线偏振光沿其光轴方向传播时, ,虽虽然不发生然不发生双折射双折射，但，但出射偏振光的振动面相对于原入出射偏振光的振动面相对于原入射光的振动面旋转了一定的角度射光的振动面旋转了一定的角度，这种现象称为这种现象称为振动振动面的旋转面的旋转，也称，也称旋光现象旋光现象。未放置未放置C，P2后视场黑暗后视场黑暗放置放置C后，旋转后，旋转P2一定角度，视场又变黑暗一定角度，视场又变黑暗. .CS1P2P过过滤滤器器 旋旋光光物物体体F1、不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面 向不同方向旋转。向不同方向旋转。2、振动面的旋转角振动面的旋转角 与波