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文档简介

§5.1光的偏振状态§5.2线偏振光的获得与检验§5.3反射和折射光的偏振§5.4双折射现象§5.5椭圆偏振光和圆偏振光§5.6偏振光的干预

§5.7人工双折射§5.8旋光现象第5章光的偏振§5.1光的偏振状态一.完全偏振光·面对光的传播方向看1.线偏振光关于几种光的偏振状态的概念。Ezxy振动面光矢量()只在一个固定平面内沿单一方向振动的光叫线偏振光,或平面偏振光。线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解:EEyEx

yx

表示法:·····光振动垂直板面光振动平行板面线偏振光可以看成两个相互垂直的同频率的简谐光振动的合成,它们的相位差是光的偏振性说明了:

光是横波。2.圆偏振光光矢量的大小不变,但其方向绕传播方向匀速转动,这样的光称为圆偏振光。

y

yx

z传播方向

/2xE

0迎着光的传播方向看,任一固定点(z为定值)处,的矢端轨迹是一个右旋的圆。右旋圆偏振光随z的变化右旋〔迎光看〕左旋〔迎光看〕yxyExEy

0yxyExEy

0圆偏振光是怎么产生的呢?传播方向一致、振动方向相互垂直、相位差、且振幅相等的两束线偏振光可以叠加成圆偏振光。不同,椭圆形状、旋向也不同。

=3

/2

=5

/4

=7

/4

=

=

/2

=

/4

=0yx

=3

/4回忆右旋圆偏振光的合成。反之,线偏振光那么可以看成是两束频率相同、相位相同、振幅相同、传播方向亦相同的左、·

3.椭圆偏振光椭圆偏振光与圆偏振光完全类似,区别仅在于右旋圆偏振光右旋椭圆偏振光迎着光的传播方向看,任一固定点(如z=0)处,的矢端在画一个右旋的椭圆。右旋椭圆偏振光随z的变化

y

yx

z传播方向

/2xE

0二.自然光大量振幅相同、各种振动方向都有、彼此没有固定相位关系的光矢量的组合叫非偏振光或自然光。我们设想把每个波列的光矢量都沿x、y轴分解,然后将所有波列光矢量的

x分量叠加起来,成为总光波光矢量的

x分量Ex.yxz自然光的表示法总光强

——非相干叠加自然光可以分解为两个振动方向互相垂直的、等振幅的、不相干的线偏振光。用同样方法得到总光波光矢量的y分量Ey

注意:这里的Ex

和Ey是独立的振动,

无固定相位关系;

EyEx或三.局部偏振光表示法:自然光和完全偏振光的混合,就构成了局部最常讨论的局部偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合,偏振光。分解非相干平行板面的光振动较强········垂直板面的光振动较强反射光就是这种局部偏振光,天空的散射光和水面的它可以分解如下:四.偏振度Ip—局部偏振光中包含的完全偏振光的强度It—局部偏振光的总强度In—局部偏振光中包含的自然光的强度完全偏振光〔线、圆、椭圆〕P=1自然光〔非偏振光〕P=0局部偏振光0<P<1偏振度:§5.2线偏振光的获得与检验一.起偏

▲起偏的原理:利用某种光学的不对称性▲偏振片〔Polaroid〕P〔获得线偏振光〕:

微晶型:

分子型:x

yzz线栅起偏器入射电磁波

▲起偏器:起偏的光学器件·非偏振光线偏振光光轴电气石晶片··——从自然光获得偏振光非偏振光I0线偏振光IP偏振化方向〔通光方向〕二.马吕斯定律

I0IPPE0

E=E0cos

线偏振光马吕斯定律〔1809〕—消光···的起偏:三.线偏振光的检偏检偏:用偏振器件检验光的偏振态I?P待检光假设I不变?是什么光假设I变,有消光?是什么光假设I变,无消光?是什么光然光混合而成的局部偏振光思考设入射光可能是自然光线偏振光或由线偏振光与自或旋转演示线偏振光的起偏和检偏四.偏振片的应用偏振片的应用很多,例如:▲作为照相机的滤光镜,可以滤掉不必要的反射光。▲制成偏光眼镜,可观看立体电影。▲假设在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与可以防止汽车会车时灯光的晃眼。地面成45

角、且向同一方向倾斜的偏振片,§5.3反射和折射光的偏振一.反射和折射时光的偏振·······n1n2iir·自然光反射和折射后成为部分偏振光·S分量P分量反射光垂直入射面的分量〔S〕比例大,折射光平行入射面的分量〔P〕比例大,入射角i变

反射、折射光的偏振度也变。i=i0时,反射光只有S分量:i0

—布儒斯特角或

起偏角i0

+r0=90

有—布儒斯特定律〔1812年〕·····n1n2i0i0r0线偏振光··S··反射光情况如何?

思考这时自然光沿折射线反向入射产生的〔BrewsterLaw〕▲外腔式激光管加装布儒斯特窗减少反射损失。那么:若

n1

=1.00(空气),n2=1.50(玻璃),·i0···········i0i0·激光输出布儒斯特窗M1M2·i0有反射光干扰的橱窗在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰二.玻璃片堆起偏和检偏

1.起偏自然光从空气→玻璃:(透射光接近完全线偏振光强度几乎50%)(反射光是完全线偏振光强度几乎50%)················i0··············玻璃片堆空气→玻璃

玻璃→空气

▲假设反射光光强不变入射光是自然光;▲假设反射光光强变且有消光入射光是线偏振光;▲假设反射光光强变且无消光入射光是局部偏振光。让待检验的光以布儒斯特角i0入射到界面上,保持i=i0不变,以入射线为轴旋转界面:2.检偏

(不包括圆和椭圆偏振光)*三.散射光的偏振1.散射光的产生振荡电偶极子电磁辐射强度的角分布I(

)

就形成了各方向都有的散射光。在入射光的鼓励下,媒质分子中的电子做受迫振动。这可视之为振动的电偶极子,围辐射电磁波〔子波〕。由于媒质不均匀等原因,破坏了子波波源间确实定相位关系,它们发的子波的非相干叠加,它向周

p2.散射光的偏振zx

P

y入射自然光

B散射光为部分偏振光散射光为线偏振光散射光为自然光天空大气散射的日光就是部分偏振光。P处发出的不同方向的偶极辐射有不同的偏振情况。例如沿

B→P方向观察到的只是局部偏振光,其偏振度随

角而变。▲蜜蜂和某些鸟可区分出大气散射光的偏振,光又能透过了。▲屡次散射可以把个别散射方向的不对称抵消,从而用来确定方向。从而可消除偏振。演示光透不过两个互相垂直的偏振片,但在其间夹一蜡纸〔形成屡次散射〕,透过方解石晶体看字出现双像。象折射现方解石晶体双纸面折射现i一.双折射的概念1.双折射:n1n2rore(各向异性介质)自然光o光e光射到各向异性介质时,§5.4双折射现象一束光入折射光分成两束的现象。2.寻常〔o〕光和非常〔e〕光o光:遵从折射定律e光:一般不遵从折射定律e光折射线也不一定在入射面内。···方解石oee

o···

演示以入射方向为轴旋转方解石方解石的双折射双折射的两束光振动方向相互垂直当方解石晶体旋转时,e光的像围绕

o光的像旋转。o光的像不动,光光双折射纸面方解石晶体

o光的像e光的像光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体:光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体:光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体:光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体:3.晶体的光轴

当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发例如,方解石晶体

光轴是一个特殊的方向,单轴晶体:只有一个光轴的晶体,如方解石。双轴晶体:有两个光轴的晶体,如云毋。光轴AB102°78°该方向称为晶体的光轴。生双折射,凡平行于此方向的直线均为光轴。4.主平面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面o光光轴o光的主平面····e光光轴e光的主平面叫该束光的主平面。

一般来说,

o光主平面和

e光主平面并不重合。注:主截面晶体外表的法线与晶体光轴构成的平面。o光主平面和

e光主平面并不重合。光轴方向........光e光o例。.光面(垂直屏幕)主平e面(垂直屏幕)主光平o二.晶体的主折射率,正晶体、负晶体

o光的子波,各方向传播的速度相同为v0,点波源发出的波面为球面,振动方向始终垂直其主平面。

o光只有一种光速vo

一种折射率no惠更斯在研究双折射现象时提出:在各向异性的晶体中,子波源会同时发出o光、e光两种子波。·······················vo

t光轴··

e光的子波,各方向传播的速度不同。各方向都有相应的折射率。

e光在平行光轴方向上的速度与o光的速度相同,为v0;e光点波源发出的波面为椭球面,振动方向始终在其主平面内。

e光在垂直光轴方向上的速度与o光的速度相差最大,记为

ve,n0

,ve称为晶体的主折射率。光轴ve

tvo

t定义其相应的折射率为

ne.

正晶体:

负晶体:如方解石、红宝石等。子波源vo

tve

t光轴

正晶体

(vo>ve)

晶体可分为两类:负晶体是椭球包球。ne>no(ve<vo),

如石英、冰等。ne<no(ve>vo),vo

tve

t光轴

负晶体(vo<ve)

子波源

ee三.单轴晶体中光传播的惠更斯作图法1.光轴平行晶体外表,自然光垂直入射··光轴晶体··

o、

e方向上虽没分开,以负晶体(ve

>vo)为例oo但速度上是分开的,这仍是双折射。····

以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法,oe2.光轴平行晶体外表,且垂直入射面,····晶体

光轴rei········voΔtveΔtoecΔt自然光斜入射在这种特殊的情况下,对e光也可以用折射定律。r03.光轴与晶体外表斜交,自然光垂直入射····

e方解石光轴··o此时e光的波面不再与其波射线垂直了。ooee······晶体光轴····这正是前面演示的情形。注意:§5.5椭圆偏振光和圆偏振光一.晶体起偏器件

1.晶体的二向色性、晶体偏振器

某些晶体对o光和e光的吸收有很大差异,

例如,电气石对o光有强烈吸收,····光轴e光电气石光轴对e光吸收很弱,用它就可以产生线偏振光。这叫晶体的二向色性。天然晶体偏振器尺寸不大,本钱很高。现今广泛使用偏振片〔人工使具有二向色性的细微晶粒的光轴在塑料薄膜上定向排列〕。2.偏振棱镜利用偏振棱镜可获得高质量的线偏振光。

但是,利用偏振片获得的偏振光不够纯,强度也不大。有些棱镜,

自然光

沿原方向的线偏振光。有些棱镜,

自然光

分开的两束线偏振光。

对棱镜是o光,它由第一块棱镜进入树胶,是光密→光疏,让其入射角>临界角(约690),no

(1.6584)>n(1.55)>ne(1.4864)············

光轴加拿大树胶oe吸收涂层in=1.55

光轴方解石方解石

例1.

格兰-汤姆逊偏振棱镜∴在交界面处全反射,被涂层吸收,不能进入第二个棱镜。对棱镜是e光,由光疏光密,不会产生全反射,它绝大局部可以通过,

············

光轴光轴方解石方解石加拿大树胶

(n=1.55)oe吸收涂层ino(1.6584)>n(1.55)>ne(1.4864)并且沿自然光的入射方向射出第二个棱镜,它即为所要的非常纯的线偏振光。

例2.沃拉斯顿偏光分束棱镜光从棱镜1进入棱镜2时,由于光轴转过了900:原o光(点)变成e光

原e光(道)变成o光

光疏光密折射角<入射角,

所以二者分开。进入空气时,都是由光密→光疏,∴可得到进一步分开的二束线偏振光。no

(1.6584)>ne(1.4864)光密光疏

折射角>入射角;·12方解石方解石·······oe光轴光轴·oe二.晶体相移器件,圆和椭圆偏振光的起偏1.晶片

—相位延迟片晶片是光轴平行外表的晶体薄片。y

dxAAoAe线偏振光光轴

AAoAe

光轴P

振幅关系:椭圆偏振光d光轴晶片从晶片出射的两束光由于出现相位差,而合成为一束椭圆偏振光。

通过厚为d的晶片,o、e光产生相位差为:那么出射光为圆偏振光。假设且y

dxAAoAe线偏振光光轴

椭圆偏振光d光轴晶片或圆偏振光2.波〔晶〕片〔1〕四分之一波片〔quarter-waveplate〕——线偏振光→圆偏振光——线偏振光→线偏振光可从线偏振光获得椭圆或圆偏振光〔或相反〕〔是对某个确定波长而言的〕波片厚度满足——线偏振光→椭圆偏振光〔2〕二分之一波片可使线偏振光振动面转过2

角度

Ao入Ao出A入A出Ae入=Ae出光轴〔3〕全波片三.椭圆与圆偏振光的检偏

用四分之一波片和偏振片可区分出自然光和或局部偏振光和椭圆偏振光。圆偏振光,四分之一波片圆偏振光自然光自然光线偏振光偏振片〔转动〕线偏振光

I不变线偏振光I变,有消光以入射光方向为轴四分之一波片椭圆偏振光部分偏振光线偏振光偏振片〔转动〕线偏振光I变,有消光部分偏振光光轴平行最大光强或最小光强方向放置线偏振光I变,无消光或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置§5.6偏振光的干预一.偏振光干预装置偏振化方向偏振片P2

单色自然光偏振片P1偏振化方向

d晶片C光轴方向二.偏振光干预的分析1.振幅关系AoA2oP2P1CA1AeA2e

在P2

后:相干在P1

后:屏通过晶体C后:此两束光合成为一束椭圆偏振光。再通过P2

后:2.相位关系—相长干预——相消干预假设单色光入射,那么屏上为等厚条纹。且d不均匀,(若P1、P2夹角小于

,则无附加相位差

)于某种颜色干预相消,而呈现它的互补色,三.色偏振假设白光入射,且晶片d均匀,假设d不均匀,那么屏上出现彩色条纹。红色〔656.2nm〕相消如:蓝色〔485.4nm〕相消

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,分析物质内部的某些结构—偏光显微术。那么:屏上由这叫〔显〕色偏振。→绿色〔492.1nm〕;→黄色〔585.3nm〕。可以

§5.7人工双折射人为地造成各向异性,而产生双折射。一.光弹效应应力→各向异性在一定应力范围内:光弹效应也叫应力双折射效应。→v

各向不同→n各向不同FFP1P2

··dS干涉有机玻璃C各处

不同→各处

不同→出现干涉条纹,模型的光弹图象吊钩的光弹图象

变→变→干涉情况变。二.电光效应电光效应也叫电致双折射效应。1.克尔效应〔1875年〕45

P2盒内充某种液体,如硝基苯〔C6H5NO2〕l+-克尔盒dP145

▲不加电场→液体各向同性→P2不透光;

加电场→液体呈单轴晶体性质,光轴平行电场强度

P2透光。

——二次电光效应k—克尔常数,U—

电压克尔效应引起的相位差为:那么产生硝基苯,假设l=3cm,d=0.8cm,对

=600nm的黄光,时,克尔盒相当半波片,P2透光最强。。时的电压

k=可作为光开关〔响应时间109s〕,克尔盒的应用:克尔盒的缺点:和加数万伏的高电压,用于高速摄影、激光通讯、光速测距、脉冲激光系统〔作为Q开关〕硝基苯有毒,需要极高的纯度故现在很少用。易爆炸,2.泡克尔斯效应〔1893年〕。电光晶体+。-P1P2KK

泡克尔斯盒··光传播方向与电场平行,电极K和

K′透明,晶体是单轴晶体,

▲不加电场→P2

不透光。

加电场→晶体变双轴晶体了双折射效应→原光轴方向附加→P2

透光。光轴沿光传播方向。no—o光在晶体中的折射率;泡克尔斯效应引起的相位差:

——线性电光效应r—电光常数;

时,P2透光最强。KH2PO4〔KDP〕、NH4H2PO4〔ADP〕等

=546nm的绿光,如KDP

no=1.51,U—电压。激光调Q,超高速开关〔响应时间小于109s〕,数据处理…显示技术,应用:单晶都具有线性电光效应。三.磁致双折射科顿—穆顿效应:

某些透明液体在磁场H作用下变为各向异性,HC——二次效应需要很强的磁场才

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