光的偏振与波片

关于光的偏振与波片背景知识麦克斯韦方程组平面电磁波光矢量振动形式物质方程第2页,共36页，2024年2月25日，星期天光-横电磁波kDESB(H)第3页,共36页，2024年2月25日，星期天光-横电磁波自然光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量呈对称分布任何取向的一个光矢量都可分解为两个相互垂直方向上的分量自然光可分解为两个任意垂直方向上的、振幅相等的独立分振动表示方法面对光的传播方向第4页,共36页，2024年2月25日，星期天偏振光一、线偏振光光矢量只沿某一固定方向振动的光为线偏振光

表示方法线偏振光也可以用传播方向相同、相位相同或相差π、振动相互垂直的两列光波的叠加描述光振动平行纸面光振动垂直纸面第5页,共36页，2024年2月25日，星期天二、部分偏振光部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量都有，但振幅不对称，在某一方向振动较强，而与它垂直的方向上振动较弱部分偏振光的光矢量可分解为两个振幅不等、振动相互垂直的独立分振动

表示方法定义:垂直纸面的光振动较强平行纸面的光振动较强第6页,共36页，2024年2月25日，星期天从自然光获得线偏振光的过程称起偏(1)利用偏振片获得偏振光某些晶体对相互垂直的两个光振动分量具有选择吸收的性能，称为二向色性。偏振片的起偏和检偏马吕斯定律将二向色性的晶体涂敷于透明薄片上，就成为偏振片。制成偏振片后，其上有一特殊的方向，沿着该方向的光振动不被吸收—偏振化方向。用以判断某束光是否是偏振光的器件称作检偏器(a)二向色型偏振片优点孔径角几乎达180º，可以做的薄且大，价格低廉缺点有颜色，透过率低，消光比差（98%），不能用在大功率场合第7页,共36页，2024年2月25日，星期天自然光I0线偏振光I偏振化方向起偏器自然光经过起偏器后转变成线偏振光,强度为入射自然光强度的1/2第8页,共36页，2024年2月25日，星期天(b)散射型偏振片利用双折射晶体的散射起偏光轴光轴NaNO3Zk2优点本身无色，对各波长可见光透过率几乎相同，可做较大通光面积，适用于反映自然光各种色光成分的彩色电影和彩色电视中第9页,共36页，2024年2月25日，星期天在自然光的光路中插入检偏器，屏上光强减半;检偏器旋转，屏上亮暗无变化。第10页,共36页，2024年2月25日，星期天对线偏振光，检偏器旋转一周，光强两亮两暗第11页,共36页，2024年2月25日，星期天部分偏振光，检偏器旋转一周，屏上光强两亮两弱第12页,共36页，2024年2月25日，星期天

偏振片对光的吸收遵从马吕斯定律(马吕斯定律)—消光当;当偏振化方向平行放置两偏振片，使它们的偏振化方向成60

夹角。求透射光的光强与入射光的光强之比是多大？例P1P2解经P1后:经P2后:第13页,共36页，2024年2月25日，星期天一束自然光和线偏振光的混合光，垂直通过一偏振片。当偏振片以光线为轴旋转一周时,发现其最大光强为最小光强的5倍，求入射光中两种光线光强的比值。例设自然光的光强为I0,偏振光的光强为I解入射光中自然光与线偏振光的光强之比为1/2第14页,共36页，2024年2月25日，星期天例有两个偏振片，一个用作起偏器，一个用作检偏器。当它们的偏振化方向之间的夹角为30o时，一束单色自然光穿过它们，出射光强为I1；当它们的偏振化方向之间的夹角为60o时，另一束单色自然光穿过它们，出射光强为I2，且I1=I2，求两束单色自然光的强度之比。

解设第一束单色自然光的强度为I10，第二束单色自然光的强度为I20，根据马吕斯定律第15页,共36页，2024年2月25日，星期天(2)反射和折射产生的偏振ib—

布儒斯特角或起偏角自然光反射和折射后产生部分偏振光ib+γ=90o

时，反射光为线偏振光线偏振光布儒斯特定律例n1=1.00(空气)，n2=1.50(玻璃)，则空气玻璃玻璃空气第16页,共36页，2024年2月25日，星期天玻璃片堆线偏振光利用玻璃片堆可使反射光和透射光成为线偏振光入射自然光ib第17页,共36页，2024年2月25日，星期天偏振分光镜第18页,共36页，2024年2月25日，星期天(3)利用双折射产生偏振

方解石一束光入射到各向异性的介质后出现两束折射光线的现象。（a）双折射现象折射率椭球各向同性介质中，光波偏振可沿任意方向各向异性介质中，光波只有2个特许的偏振方向xyDoEoEeDekSez第19页,共36页，2024年2月25日，星期天方解石晶体(冰洲石)（1）光轴是一特殊的方向,凡平行于此方向的直线均为光轴。（2）单轴晶体与双轴晶体。光轴78o102o78o102o说明•

光轴方向其它方向，对某些晶体，(正晶体,石英),对另一些晶体(负晶体,方解石).光在晶体内某个特殊方向传播时，无双折射现象。（该方向称为晶体的光轴。）

光轴

光轴负晶体正晶体第20页,共36页，2024年2月25日，星期天顿隅方解石晶体(冰洲石)光轴78o102o78o102o第21页,共36页，2024年2月25日，星期天（b）双折射光的特性两束折射光皆为线偏振光。o光在入射面内，遵从折射定律。

e光一般不在入射面内，且不遵从折射定律。•说明

•

o光晶体内沿各方向传播速度相同，e光则随折射方向而变化。寻常光与非寻常光（o光与e光）•o光e光

•

o光折射率不随方向变化,e光折射率随方向变化。第22页,共36页，2024年2月25日，星期天

主平面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。光轴与o光构成的平面叫o光主平面。光轴与e光构成的平面叫e光主平面。•o光光轴o光的主平面··e光光轴e光的主平面o光光矢量垂直其主平面，e光光矢量在其主平面内。理论表明，当光轴在入射面内，两主平面重合，o、e光为相互完全垂直的线偏振光。

一般情况下两主平面不完全重合，因而o、e光不完全垂直。光轴e光o光··第23页,共36页，2024年2月25日，星期天

如果能够将o光和e光分开，就能获得偏振光。由此人们制造出了尼科耳棱镜（Nicolprism）。

方解石晶体中的光轴方向与晶面成450。过光轴与晶面垂直的平面为方解石晶体的主截面制作尼科耳棱镜的步骤：①取长度为宽度三倍的优质方解石，对两端晶面进行打磨。②再过两顶点（这两顶点相邻的顶角均为钝角）作切割（切割面垂直于主截面）③用加拿大树胶将切割面重新粘合起来④用内壁涂黑的金属筒（上下底为开口）封装。（c）偏振棱镜a.偏振起偏棱镜第24页,共36页，2024年2月25日，星期天o光加拿大树胶光轴下面分析一下自然光入射后如何得到平面偏振光(1)

入射角

i1=220

（方解石晶体对o光折射率

no=1.658；沿折射方向对e光折射率

ne=1.516），o光折射角r1o=130

，e光折射角

r1e=140；(2)入射到加拿大树胶（对入射光折射率

n=1.55），o光入射角

i2o＝770

，发生全反射（临界角为i0＝700

），最后从尼科尔棱镜侧壁射出被金属筒吸收；e光则不会发生全反射，最后从棱镜另一底面射出，为线偏振光。第25页,共36页，2024年2月25日，星期天两半棱镜光轴取向平行特点激光功率密度极高会破坏胶合层，入射光功率密度有限通光面积连续激光10W/cm2，脉冲激光104W/cm2抗损伤阈值稀缺贵重金属，通光面积5~20mm孔径角对于钠黄光，o光临界角69º若选棱镜低角71.5º，棱镜长宽比3:1，有效孔径7º若选棱镜低角81º，棱镜长宽比6.3:1，有效孔径40º增大孔径角，将要求增大棱镜长宽比，耗费更大晶体材料，提高成本第26页,共36页，2024年2月25日，星期天格兰－傅科棱镜胶合层空气层目的：提高抗损伤能力方法：要求：效果：连续激光100W/cm2，脉冲激光2×104W/cm2优点：适用紫外波段，能承受强光缺点：孔径角不大，对于632.8nm，棱镜长宽比0.83，孔径角8ºe光在接近临界角的情况下通过方解石-空气界面，反射损耗大，透过率不高第27页,共36页，2024年2月25日，星期天b.偏振分束棱镜两半棱镜光轴取向垂直特点马普－赫斯棱镜优点：孔径角增大第一块棱镜

第二块棱镜

o光e光偏离棱镜法线e光o光靠近棱镜法线两束光夹角

光线分束角随波长缓慢变化第28页,共36页，2024年2月25日，星期天高消光比，达10-5～10-4，传输损耗低优点通光面积不大，存在孔径角限制，造价昂贵第一块棱镜

第二块棱镜

o光o光无偏折o光e光偏离棱镜法线材料：石英只允许光从左方射入棱镜特殊要求：优点：白光入射，能得到无色散的线偏振光偏振棱镜优缺点缺点第29页,共36页，2024年2月25日，星期天（1）偏振玻璃：按布儒斯特角方向拍照，可解决物体表面的反光问题.讨论纵波有无偏振现象?上述了获得偏振光的几种方法?

☆偏振光应用实例在汽车前窗玻璃及灯上镀上具有偏振化的光学晶体，使其偏振方向与水平方向成450，可解决汽车夜间会车问题.（2）偏振滤光片：5.偏振光的检验方法:利用偏振片检验偏振光第30页,共36页，2024年2月25日，星期天椭圆偏振光与圆偏振光椭圆偏振光：定义圆偏振光:光的振动的大小和方向随时间而不断变化光的振动的大小不随时间变化,而方向随时间而不断变化第31页,共36页，2024年2月25日，星期天利用两频率相同、振动方向相互垂直、相位差为Δψ的简谐振动合成的原理，可以得出：产生ΔΦ=2kπ,o,e光合成线偏振光ΔΦ=（2k+1）π，线偏振光ΔΦ=（2k+1）π/2，圆偏振光其他值，椭圆偏振光第32页,共36页，2024年2月25日，星期天波片光轴和晶面平行的单轴晶片为波片定义全波片半波片四分之一波片••

第33页,共36页，2024年2月25日，星期天半波片线偏振光通过这种晶片后，仍是线偏振光，但其偏振化方向转过了2α

圆偏振光入射时，出射光是旋向相反的圆偏振光第34页,共36页，2024年2月25日，星期天四分之一波片作用:1.线偏振光振动方向与1/4波片成45度，出射为圆偏振光;2.线偏振光振动方向与1/4波片不成45度，