大学物理光学 第5章 光的偏振课件

1、Chap.5 Polarization of Light第5章 光的偏振主 要 内 容5.1 自然光与偏振光5.2线偏振光与部分偏振光5.3光通过单轴晶体时的双折射现象5.4 光在晶体中的波面 5.5 光在晶体中的传播方向 5.6 偏振器件5.7 椭圆偏振光和圆偏振光 5.8 偏振态的实验检验 5.9 偏振光的干涉 Chap.5 Polarization of Light第5章 光的偏振偏 振态 5.1 自然光与偏振光一、光的偏振性.纵波：波的振动方向与波的传播方向相互平行；如声波。横波：波的振动方向与波的传播方向相互垂直。如张紧的柔软的绳、电磁波。偏振：振动方向对于传播方向的不对称性。只有横

2、波才有偏振现象。 电磁波是横波 光波也是横波。（光波也是电磁波）线偏振光：光在传播过程中电矢量的振动只限于某一确定平面内（投影为直线）。振动面：电矢量和光的传播方向所构成的平面。5.1 自然光与偏振光二、自然光 具有在轴对称的各个方向上电矢量的时间平均值是相等的这种特点的光称为自然光。 它是由轴对称分布、无固定相位关系的大量线偏振光集合而成的， 。 即：它可以看作是两个振幅相同、振动相互垂直的非相干的线偏振光的叠加。5.2线偏振光与部分偏振光起偏器：能以某种方式选择自然光中的一束线偏振光，而摈弃另一束线偏振光的光学器件。 自然光经过起偏器后可以转变成线偏振光。线偏振光的电矢量： 一、由二向色性

3、产生的线偏振光二向色性：是指有些晶体对不同方向振动的电矢量，具有选择吸收的性质。如：电气石（晶体）、聚乙烯醇片、硫酸碘奎宁晶体等。偏振片：含有平行地排列起来的长链聚合物分子的薄膜。透振方向：偏振片上能透过电矢量振动的方向。马吕斯定律： 线偏振光通过检偏器后透射光强随 角变化的规律。注意： 自然光通过无吸收的理想偏振片后其强度应减为原来的一半。二、反射光的偏振态讨论： 在 当自然光以其它任何角度（除0、90外）入射时，有 二、反射光的偏振态部分偏振光的图示： 偏振度P：讨论： if if 二、反射光的偏振态布儒斯特定律：三、透射光的偏振态 采用多次折射的方法，亦可获得线偏振光： 自然光以布儒斯特

4、角入射到透明介质堆上时，透射光几乎是线偏振光，它的电矢量平行于入射面。 在偏振光分析和激光技术中，广泛地应用着反射起偏和透射起偏。5.3光通过单轴晶体时的双折射现象一、双折射现象 二、光轴、主平面和主截面 三、o光和e光的相对光强 二、光轴、主平面和主截面 光轴：若改变入射光的方向，将发现在晶体内存在着一些特殊的方向，沿着这些特殊方向传播的光并不发生双折射，即o光和e光的传播速度和传播方向都一样。这些特殊的方向就称为晶体的光轴。注意：光轴仅标志一定的方向。单轴晶体：只有一个光轴的晶体。如方解石（碳酸钙、冰洲石）、石英（水晶）、红宝石等。双轴晶体：有两个光轴的晶体。如云母、硫磺、黄玉等。 主平面

5、：包含晶体光轴和一条给定光线的平面叫做与这条光线相对应的晶体的主平面。如：通过光轴和o光所作的平面就是和o光对应的主平面； 通过光轴和e光所作的平面就是和e光对应的主平面。 o光和e光都是线偏振光,但它们的光矢量的振动方向不同：o光的振动面垂直于自己的主平面；e光的振动面平行于自己的主平面。 一般情况下，o光和e光的主平面并不重合；仅当光轴位于入射面内时，这两个主平面才严格的相互重合。在大多数情况下，这两个主平面之间的夹角很小，o光和e光的振动面几乎互相垂直。3、主截面 ：包含晶体光轴和界面的法线的平面叫做与这条光线相对应的晶体的主截面。当光线的入射面与主截面重合时， o光和e光都在入射面内，

6、它们的主平面互相重合，也和主截面及入射面重合。三、o光和e光的相对光强 不论是自然光，还是线偏振光，当它们入射到单轴晶体时，一般都会发生双折射。 在自然光入射的情况下，o光和e光的振幅相同；而在线偏振光入射时，o光和e光的振幅不一定相同，且随着晶体方向改变，其振幅也发生变化。 AA垂直入射的线偏振光的振动面与纸面的交线。 晶体的主截面与纸面的交线。 振动面与主截面的夹角。 三、o光和e光的相对光强 又o光的振动面垂直于主截面， e光的振动面平行于主截面. 即：if: o光和e光射出晶体后都在空 气中传播，此时则没有o光和 e光之分， 显然：o光和e光的相对光强随 角的改变而改变，当晶体绕入射光

7、传播方向为轴旋转时，两束光的相对光强也就不断变化。 三、o光和e光的相对光强 当 = ，即晶体主截面垂直于入射偏振光的振动面时， 当 ，即晶体主截面平行于入射偏振光的振动面时，当（ 为任意角 且）扩大入射光束使o光和e光相互重叠时，则：即 不论晶体怎样转动，重叠部分强度不变。 5.4 光在晶体中的波面 波面 完全包住一个单色点光源的波阵面。 振动方向垂直于主截面的光是o光，它们沿着一切方向传播的速度都相同。o光的波面是一个球面。 振动方向平行于主截面的光是e光，它在不同方向有不同的传播速度。e光的波面是旋转椭球面。 对于截面不大的e光束来说，它的传播方向不一定垂直于波面。5.5 光在晶体中的传

8、播方向 一、单轴晶体内o光与e光的传播方向 利用晶体中波面的特点和惠更斯作图法，便可确定晶体内o光和e光的传播方向，下面以方解石为例：（因为方解石在偏振器件中应用广泛. 石英不是一个简单的正晶体，在光轴方向上，e o ） 平行光斜入射： o光的传播方向垂直于它的波面，e光的传播方向不垂直于它的波面。5.5 光在晶体中的传播方向光轴在入射面内 o光和e光也都在入射面内，相应的两个主截面都和入射面重合。 o 光的振动垂直于图面(小黑点)，e光的振动平行于图面（短线条）。光轴不在入射面内 e光不在入射面内，o光和e光的主截面不再重合。光轴在入射面内并与晶体表面成一定角度 当一束光与光轴平行地入射到晶

9、体时，e 光与入射光线在表面法线的同侧。 显然，、中的 e 光不满足折射定律。5.5 光在晶体中的传播方向二、单轴晶体的主折射率方解石： =1.65836， =1.48641（e光沿垂直于光轴的方向传播），石英： =1.54425， =1.553365.6 偏振器件o光和e光的特点：5.6 偏振器件一、尼科耳棱镜二、沃拉斯顿棱镜三、波片一、尼科耳棱镜原理： 利用双折射现象，将自然光分成o光和e光，再利用全反射把o光反射到棱镜侧壁上，只让e光通过棱镜，从而获得一束振动方向固定的线偏振光。结构：光路： 就e光来说，树胶相对于方解石是光密介质；就o光来说，树胶相对于方解石是光疏介质。入射光平行于棱

10、e光因 ，不能产生全反射，透射出来。入射光不是平行于棱 入射极限角SM 注意：在使用尼科耳时，应避免用高度会聚或发散的光束，激光作为入射光束最为理想。一、尼科耳棱镜一、尼科耳棱镜应用： 尼科耳可以作为起偏器，也可以作为检偏器。作为检偏器： 透射出尼科耳后的线偏振光（e光）的光强为： 。 其中：自然光连续通过两个尼科耳： N1 起偏器，N2 检偏器， 两尼科耳主截面(e光)之间的夹角。a.平行尼科耳： 自然光通过平行尼科耳时透射光最强。b.正交尼科耳： 自然光通过正交尼科耳时透射光强为0。2一、尼科耳棱镜 5.傅科棱镜： 仅以空气层代替加拿大树胶。横截面相同时，长度较尼科耳短。优点： 可用于紫外

11、线（加拿大树胶对紫外线有强烈吸收，尼科耳对此波段不适应用）；制造成本较低（长度较尼科耳短） ；更坚固耐用（短）。二、沃拉斯顿棱镜1.作用：能产生两束互相分开的、振动互相垂直的线偏振光。2.结构：由两个光轴互相垂直的直角棱镜组成（材料方解石）。3.光路：自然光垂直入射 （证明见P266附录5.1）三、波片1.定义：由单轴晶体切割成的光轴平行于表面且能使o光和e光沿同一方向传播并产生一定相位差的薄片。2.原理：当一束振幅为A0的平行光垂直入射到波片上时，在入射点分解成的o光和e光的相位是相等的。但光一进入晶体，由于o光和e光的传播速度不同，其波长也不相同，所以就逐渐形成相位不同的两束光。这两束光在

12、波片内引起的振动分别为：.其中：o、 e 是在波片中o光和e光的波长，r 是光波进入波片中的某点离波片表面(入射点)的距离。 在波片中，两束光的相位差为：. 三、波片可见：两束光在波片内不同深度的各点 不同。当两束光射出波片后，其相位差即为：可见： 三、波片3.种类： 实际上：半波片： 线偏振光垂直入射到半波片而透射后，仍为线偏振光。若入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过 2。全波片： 其应用，以后各节再讲。此外还有 波片及任意波片等。. 5.7 椭圆偏振光和圆偏振光 一、椭圆和圆偏振光的描述二、椭圆和圆偏振光的获得 三、自然光改造成椭圆或圆偏振光

13、 一、椭圆和圆偏振光的描述椭圆偏振光： 椭圆偏振光指的是电矢量的端点在波面内描绘出的轨迹是椭圆；它可用两列频率相同、振动方向相互垂直、相位差恒定且沿同一方向传播的线偏振光的叠加描述。椭圆的方向取决于相位差 。 迎着光传播的方向观察，电矢量端点描出的椭圆沿顺（逆） 时针方向，则为右（左）旋椭圆偏振光。.22一、椭圆和圆偏振光的描述一、椭圆和圆偏振光的描述圆偏振光： 电矢量的端点在波面内描绘出的轨迹是圆。 当 在光的传播方向上任意一个场点电矢量端点的轨迹是一个圆圆偏振光。例：P237 L5.7：半波片使左旋圆偏振光转变成了右旋圆偏振光。二、椭圆和圆偏振光的获得 利用波片便可。例如：一束线偏振光 垂

14、直入射到 波片上，且 振动方向与光轴有一定夹角时，有对于负晶体 特例：当入射线偏振光的电矢量振动方向与 波片的光轴成角 时，此时，从 波片出射的光为圆偏振光。 出射后： 当k=0，2，4，.时，出射光是右旋圆偏振光； 当k=1，3，5，.时，出射光是左旋圆偏振光。.三、自然光改造成椭圆或圆偏振光 1.自然界中大多数光源发出的光是自然光，如果把自然光直接入射到波片上，出射后，不可能得到椭圆偏振光。2.要使自然光转化为椭圆偏振光，首先必须通过一个偏振器产生线偏振光，然后将它垂直入射到一块波片上。 一个恰当取向的起偏器和一块波片的串接组合椭圆偏振器。自然光通过椭圆偏振器后转化为椭圆偏振光。三、自然光

15、改造成椭圆或圆偏振光 3. 要使自然光转化为圆偏振光，首先必须通过一个偏振器和一块 波片，其次必须使起偏器的透振方向与 波片的光轴成 角。 透振方向与光轴成 角的一个起偏器和一个 波片的串接组合圆偏振器。 自然光通过圆偏振器后就转化成圆偏振光。5.8 偏振态的实验检验 偏振光有五种不同的偏振态，它们对于人眼看起来是一样的，要决定光束的偏振态，必须借助于检偏器。一、线偏振光的检验二、椭圆和圆偏振光的检验 三、补偿器 一、线偏振光的检验 线偏振光偏振片消光现象：透射时光的强度为 0 。 圆偏振光偏振片 同自然光相似。利用一块偏振片可以将线偏振光区分出来。 再加一块 波片，就可将其余4 态检验出来。

16、二、椭圆和圆偏振光的检验 三、补偿器 原理： 引进了可变的 ，使巴俾涅补偿器：索列尔补偿器5.9 偏振光的干涉 一、偏振光干涉的实验装置 二、线偏振光干涉的强度分布 三、会聚的线偏振光的干涉一、偏振光干涉的实验装置 P1 ：把自然光转变为线偏振光.d ： 分解光束(将入射线的偏振光分解成振动方向互相垂直的o光和e光)和相位延迟。P2 ：把两束光(o光和e光)的振动引导到相同方向上。二、线偏振光干涉的强度分布 ：P1的透振方向与波片光轴 y 的夹角； ：P2的透振方向与波片光轴 y 的夹角； ：从P2出射的两束光之间的相位差.二、线偏振光干涉的强度分布 刚进入波片表面时，o光和e光的相位相等，

17、的透振方向互相平行时， 的透振方向互相垂直时， 二、线偏振光干涉的强度分布 讨论： 单色光照射 d 一定： 一定， ，即透射光强随波长的不同而变化。 用白光照射时，仍有 常量，且出现彩色。互补色：任何两种彩色如果混合起来能够成为白色，则其中一种称为另一种的互补色。 红+青 、 蓝+黄 、 绿+紫、天空蔚蓝色+朝阳桔红显色偏振：偏振光干涉时出现彩色的现象。 是检验双折射极为灵敏的方法.偏光显微镜就是根据显色偏振的原理制成的（医药、化工、金相学、矿物学）.三、会聚的线偏振光的干涉装置： P 结果：三、会聚的线偏振光的干涉原理：（j = 0, 1, 2, )小 结一、五种偏振态：自然光： 通过理想偏振片后，光强减为原来的一半。线偏振光：部分偏振光： 偏振度：圆偏振光： “-”右旋