光的偏振7.ppt

1、第5章 光的偏振,第五章偏振光-知识结构,1、偏振光及其表征： （1）自然光 （2）线偏振光 （3）部分偏振光 ,2、偏振光产生的方法： （1）二向色性元件（ 天然、人工 ）: 起偏器和检偏器，马吕斯定律。 （2）界面反射（布儒斯特定律） （3）界面折射（应用：laser 的布儒斯特窗）,3、双折射现象及其规律： （1）单轴晶体的双折射，o 光和 e 光的光强。 （2） o 光和 e 光的波面，正、负晶体。 （3）单轴晶体的主折射率， o 光和 e 光的传播方向。,4、偏振元件（双折射应用）： （1）尼科耳棱镜（起偏器或检偏器）。 （2）渥拉斯顿棱镜（产生o 光和 e 光）。,5、位相延迟元件

2、-波晶片（双折射的应用）,6、圆、椭圆偏振光的产生（位相延迟元件的应用）,7、偏振光的检测： （1）用偏振片检测自然光、线偏振光、部分偏振光、 圆和椭圆偏振光。 （2）用 “四分之一波片-偏振片”检测圆偏振光与自然 光以及椭圆偏振光与部分偏振光。,8、偏振光的干涉,第五章 光的偏振 (Polarization of light),主要内容：,5.1 光的偏振状态 5.2 偏振片的起偏和检偏、马吕斯定律 5.3 反射折射光的偏振、布儒斯特定律 5.4 光在晶体中的传播、双折射 5.5 晶体光学器件 5.6 偏振光的干涉,1 光的偏振状态,一. 线偏振光,线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：,线偏

3、振光的表示法：,二. 自然光,一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。,自然光的表示法：,三. 部分偏振光,部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。,部分偏振光的表示法：,部分偏振光还可以表示成为 自然光和平面偏振光的叠加 ！,四. 偏振度,IM 在某一方向上的偏振光强度最大值,In 与之垂直方向的偏振光强度最小值,平面偏振光 P = 1,自然光 ( 非偏振光 ) P = 0,部分偏振光 0 P 1,2 偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律,一. 起偏,起偏的原理：利用某种光学的不对称性,偏振片：,微晶型-,分子型-,起偏：从自然光获得偏振光

4、,起偏器: 起偏的光学器件,自然光 I0,线偏振光 I,偏振化方向 (透振方向),二. 马吕斯定律,I0,I,偏振片的起偏, 马吕斯定律（1809）,消光,三. 检偏,用偏振器件分析、检验光的偏振态,思考：,I不变？是什么光,I变，有消光？是什么光,I变，无消光？是什么光,3 反射和折射光的偏振 *散射光的偏振,一. 反射和折射时光的偏振,i = i0 时，反射光只有S分量，i 0 布儒斯特角或 起偏角。并且有： i0 +r0 = 90O,-布儒斯特定律 (1812年),根据折射定律：,最后推得：,若 n1 =1.00 (空气)，n2 =1.50 (玻璃)，则：,二. 玻璃片堆起偏和检偏,1.

5、起偏：,当i =i0时,自然光从空气玻璃,2.检偏：,玻璃片堆,布儒斯特角的计算,作业：P370371 2、4 ！,*三. 散射光的偏振,1. 散射光的产生,2. 散射光的偏振,散射光 (线偏振光),4 光在晶体中的传播, 双折射,方解石,o,e,一. 双折射的概念：,1. 双折射,n1,n2,i,ro,re,(各向异 性媒质),自然光,o光,e光,2.寻常光和非寻常光，它 们都是平面偏振光。,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。,I,Ie,I0,偏振光入射：,自然光入射：,3. 晶体的光轴,当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双 折射，该方向

6、称为晶体的光轴。,例如，方解石晶体(冰洲石),光轴是一特殊的方向,凡平行于 此方向的直线均为光轴。,单轴晶体：有一个光轴的晶体。,双轴晶体：有两个光轴的晶体。,4. 主平面和主截面,主平面：晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。,主截面：晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。,二. 晶体的主折射率，正晶体、负晶体,光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同，光的 传播速度也不同。,o光:,e光:,n0 ，ne 称为晶体的主折射率 ！,正晶体 : ne no,负晶体 : ne no,(e o),(eo),条件！,三. 单轴晶体中光传播的惠更斯作图法(eo),1. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射,o、

7、e 光在方向上虽没分开， 但速度上是分开的。,2. 光轴平行晶体表面，且垂直入射面，光斜入射,3. 光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射,此时， e 光的波面不再与其波射线垂直了,惠更斯原理解释,5 晶体光学器件,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，这叫晶体的二向色性。,电气石晶片,产生线偏振光 ！,2. 偏振棱镜,偏光镜: 格兰汤姆孙棱镜,偏光分束镜: 沃拉斯顿棱镜,光轴的取向使 o 光、e 光对应的主折射率是 no、n e,no (1.6584)n (1.55)ne(1.4864),方解石 n0ne,参见P333334 ！,二. 晶体相

8、移器件，圆和椭圆偏振光的起偏,1. 波晶片相位延迟元件,波晶片是光轴平行表面的晶体薄片。,通过厚为d 的晶片，o、e光产生相位差：,振幅关系,（参见P334 ！）,2. 波（晶）片,(1) 四分之一波片,从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）,k,(2) 二分之一波片,使线偏振光振动面转过 2 角度 ！,(3) 全波片:,可参见P335 ！,作业：P371 7、9 ！,椭圆偏振光（圆偏振光）图示 ！,一、椭圆偏振光的数学描述： 1、椭圆偏振光的方程： 根据力学知识（振动的合成原理）认为，椭圆偏振光可以 利用频率相同、振动方向相互垂直、有确定位相关系并且沿着 同一方向传播的两列平面偏振光的叠加而

9、获得，参见下图。例 如，在沿Z轴方向传播的两列平面偏振光波为：,这两列光波的合成，形成椭圆偏振光波：,为什么说上式就能表示椭圆偏振光呢？这是因为此方程 表示的是，光振动矢量端点轨迹在波面上的投影描绘的是一 个椭圆。椭圆轨迹方程由两个振动方程消去位相因子而得到：,从晶片出射的是两束传播方相同、振动 方向相互垂直、频率相等、相位差为 的线偏振光，它们合成为一束椭圆偏振光。,总 结 ：,线偏振光椭圆偏振光 ！,线偏振光正椭圆偏振光 ！,线偏振光线偏振光 ！,2、讨 论 ：,1、,2、,3、,4、,线偏振光圆偏振光 ！, 为任意值，合振动的轨迹为一般椭圆 ！,3、位相差与椭圆偏振光的取向图示,为直线,

10、为椭圆,正椭圆,5.8 偏振光的检定,二、用四分之一波片和偏振片P 可区分出自然光和 圆偏振光或部分偏振光和椭圆偏振光。,一、用一个偏振片P 就可以将自然光、平面偏振光、 部分偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光鉴定出来。,参见下图 ！,四分之一波片,偏振片（转动）,以入射光方向为轴 ！,四分之一波片,偏振片（转动）,光轴平行最大光强或最小光强方向放置， 即、光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置 ！,To12,6 偏振光的干涉,一. 偏振光干涉装置,二. 偏振光干涉的分析,1. 振幅关系：,在 P2 后，两束光振动方向平行，振幅为：,通过晶体 C 后：,此两束光合成为一束椭圆偏振光通过 P 2 后：,（

11、若P1、P2 夹角小于 ，则无附加相差 ）,2. 相位关系：,- 相长干涉,- 相消干涉,若单色光入射，且d 不均匀，则屏上出现等厚干涉条纹。,三. 色偏振,白光入射，晶片d 均匀屏上由于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色这叫（显）色偏振。,如红色相消绿色；蓝色相消黄色，若d 不均匀，则屏上出现彩色条纹。,作业：P372 12、17 ！,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(应力双折射效应),应力各向异性各向不同n各向不同,在一定应力范围内：,各处 不同各处 不同出现干涉条纹,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

12、年),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，,二次电光效应,E 电场强度，k 克尔常数,克尔效应引起的相位差为：,克尔盒相当于半波片， P2透光最强 。,时，,光轴平行 P2透光,2. 泡克尔斯效应(1893年),硝基苯 ，若l =3cm, d=0.8cm,=600nm的黄光，则产生 k=时的电压 。,克尔盒的应用 : . 克尔盒的缺点 : .,不加电场 P2 不透光,加电场晶体变双轴晶体原光轴方,泡克尔斯效应引起的相位差, 线性电光效应,noo光在晶体中的折射率； V 电压； r 电光常数。,应用 :,三. 磁致双折射,科顿穆顿效应,向附加了双折射效应 P2 透光。,8

13、旋光现象,一. 物质的旋光性,使线偏振光的振动面发生旋转,a 旋光率,二. 菲涅耳的解释,线偏振光可看作是 同频率、等振幅、有确定相位差的左(L )、右(R )旋圆偏振光的合成。,旋转的角度：,光通过旋光物质后，初相 要滞后,设入射时L、R初相为0，旋光物质长d,在出射面上:,由图示，有：,令, 旋光率,则,三. 量糖术,对溶液有, 溶液的旋光率,c 溶液的浓度, 溶液的比旋光率,“量糖计”,四. 磁致旋光,旋转的角度,V费德尔常量，,对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由旋光物质本身决定的，与光的传播方向无关。,对磁致旋光物质，光沿 与逆 方向传播，振动面旋向相反。,光隔离器, 消除反射光的

14、干扰,波动光学部分结束,59偏振光的干涉 一、实验装置：,光路中各元件的应用： 1、P1 ：自然光 偏振光，偏振 光的光矢振动方向与波晶 的主光 轴成 角。 2、波晶片W：偏振光 变成o、 e光；并且 o光和 e光产生 位相差。 3、P2 ：将照射到P2上的o光和e光 引导到相同方向上去（P2的透光方向上）,二、平面偏振光干涉的强度分布： 单色（ ）平行光通过 之后，变成振幅为 的偏振光， 光矢振动方向与晶片光轴成 角， 因此由晶片分解成产生的 o、e 光振幅为：,o光和e光通过晶片(厚度为d)后， 产生了 的位相差， 然后又照射到 P2上，P2的通光方向与晶片光轴成 角，从P2 出射的光振幅

15、为：,若 和 这两束光之间存在的位相差，则它们干涉 后的合光强为：,在这里， , ，而 是由于偏振片P1 和 P2 的空间取向所引起的附加位相差。 的确定方法如下：,1、若P1和P2的透振方向在同一象限内，从而使得 和 方向相同，则 = 0 ，如图5-28（a） 2、若P1和P2的透振方向不在同一象限内，从而使得 和 方向相反，则 ，如图5-28(b),因此， （不在同一象限内） （ 在同一象限内 ） 知道了，就可以计算出偏振光干涉光的光强分布了， 下面讨论两个特例： (一)、P1和P2在同一方向上（ ），则有 可参见 图5-28（a）， 此时光强分布化为: 若令 ，则有：,0,（二）若 ,即 ，则 ，图5-28(b) 把这些条件代入光强分布公式中，整理后得到： 若 ，则有： 显然，由 和 可知： 常数。另外， 和 随 的变化规律也可由 和 的公式分析讨论得 出，具体讨论如下：,1、当用单色光（ 一定 ）照射到厚度一定的（ = 常数 ） 波晶片上时， 为恒定值。此时， 或 随 而变化： （a）当 时， （K = 0、1、2 ） 最大， = 0 。 （b）当 时， （K = 0、1、2 ） 最小， 最大。 （c