物理光学总复习2.ppt

1、第四节 衍射光栅,任何一种衍射单元周期性地、取向有序的重复排列所形成的阵列，统称为光栅 (grating) 。,一维光栅是最简单且最早被制成的,分类,透射式,反射式(闪耀光栅),光栅常数 (光栅周期),缝(透光部分)宽度 a,不透光部分宽度 b,衍射角相同的光线，会聚在接收屏的相同位置上。,光栅常数与光栅单位长度的刻痕数 N 的关系,单缝的夫琅和费衍射图样，不随缝的上下移动而变化。,10,装置和现象（Device and phenomenon）,L1,E,A： 光栅,E： 屏幕,A,Characteristics of fringes: bright、sharp、scattered. 条纹特点

2、：亮、细、疏,L2,是多缝衍射,P点的光强,衍射屏上强度分布,单缝边缘两点在P点引起的位相差的一半,极小值:,缺级：,主要公式,极大值：,谱线的半角宽度,光栅光谱：复色光照射时，同一级次不同波长的衍射主极大值位置不同，从而形成的一组不同波长彼此分开的锐细的彩色谱线。,光栅光谱仪：基于光栅衍射分光原理工作的光谱仪摄谱仪、单色仪、分光计。,光栅方程的普遍形式可写为,考察与入射光同一侧的衍射光谱时，上式取正号，在考察与入射 光异侧的衍射光谱时，上式取负号,1. 角色散本领,光栅的色散:除零级外，不同波长的同一级主极大对应不同的衍 射角的现象。,线色散本领,与 f 相关,2. 色分辨本领：,3. 自由

3、光谱范围,m 级光谱线的色散范围：,说明： 1.光栅光谱仪的三个性能指标D，Dl，A，各有独立功能，彼此 不能代替，在设计使用光栅光谱仪时，要考虑三者的协调一致 比如，大光栅应当配置长焦距的反射镜，以使后者有比较大的 线色散，以与大光栅的高分辨率相匹配,当d时，只能有0级存在，即不能产生衍射分光效应，因此不能盲目选用d值最小的光栅。,说明： 1.光栅光谱仪的三个性能指标D，Dl，A，各有独立功能，彼此 不能代替，在设计使用光栅光谱仪时，要考虑三者的协调一致 比如，大光栅应当配置长焦距的反射镜，以使后者有比较大的 线色散，以与大光栅的高分辨率相匹配,2.一台光栅光谱仪常配备有几块不同周期的光栅，

4、供使用者根据 代测谱范围作出恰当选择，这时绝对不能选d,1偏振光的概述 2双折射和晶体的介电张量 3平面波在晶体中的传播规律 4平面波在晶体界面的反射和折射 5偏振光的产生与检测晶体光学器件析 6偏振的矩阵表示 7偏振光的干涉 8旋光效应 9电光效应,第五章 光的偏振,5-1 偏振光的概述,偏振态：自然光、完全偏振光（包括线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光）和部分偏振光,注意：在与传播方向垂直的二维空间内，光矢量可能有各式各样 的振动状态，我们将之称为光的偏振态。,振动方向随时间完全无规则地随机分布，在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向都有光振动，且各个方向光矢量的振幅相等的光,1.自然光,二完

5、全偏振光,完全偏振光：振动方向随时间有规律变化的光,按光矢量端点轨迹不同，又可以将偏振光分为三种类型： 线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光,光矢量只沿一个固定方向振动的光(又称平面偏振光),振动面,光矢量,（一）线偏振光,同一时刻，光传播方向上各点的光矢量都分布在同一平面内， 故又称之为平面偏振光,在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量以一定的频率旋转。矢量端点轨迹为椭圆时称其为椭圆偏振光，轨迹为圆时称其为圆偏振光,（二）圆偏振光和椭圆偏振光,在垂直于光传播方向的平面内，各方向都有光振动，但振幅 不等，在某一个方向的振动比其它方向占优势的光,三 部分偏振光,自然光有P0，完全线偏振光的P1,自然光

6、（非偏振光）,一 般 光 源 发 出 的 光,圆 偏 振 光,椭圆 偏 振 光,左 旋,右 旋,偏振态的分类,部分偏振光,完全偏振光,左 旋,右 旋,平面偏振光 （线偏振光）,一般，用单色光讨论偏振态。,光通过单轴晶体时的双折射现象,双折射现象,2.寻常（o）光和非寻常（e）光,o光折射线在入射面内。,e光折射线不一定在入射面内。,几何作图法,利用晶体的光线曲面和惠更斯原理，通过作图法可以求出o光 和e光的传播方向。,设自然光入射，讨论其斜入射在负单轴晶体（方解石）表面且 光轴与界面成一定角度的一般情况,(1)画出入射光的波面AB,(2)根据光轴方向，在入射点处作出光线 曲面与入射面的截线图。

7、单轴晶体中， 光线曲面是一个双层曲面，由一个球面 和一个旋转椭球面构成，两者在光轴方 向上相切,1. 作图法的基本步骤,3)过B作球面的切面BO和椭球面的切面BE，这两个平面分 别是o光波面和e光波面。,连接入射点和切点得的两矢径AO和Ae，它们分别表示晶 体中o光和e光的光线方向。,4)由A点作切面BE的垂线则可e光的波法线方向ke,显然，对于光轴与界面斜交（光轴在入射面内）且光波斜入 射的情况下，o、e光线分离，发生双折射,2. 平面波正入射时的几种特殊情况,（1）光轴在入射面内且平行于界面,此时o、e光线方向相同，波法线 方向也一致，但二者的波面彼此分开 说明它们的传播速度不同，发生了

8、双折射,（2）光轴在入射面内且垂直于界面,此时o、e光的波面重合，o、e 方向相同，波法线方向也一致， 这说明o、e光的传播速度和方向 都相同，没有双折射现象发生,（3）光轴垂直于入射面且平行于界面,光轴垂直于入射面取向时，o、e光线 面的截线均为圆，即使改变入射光的 方向，此时光线面上所对应的矢度 ，改变的只是矢径的方向。因此可利 用折射（反射）定律地确定o、e光线 的方向,（4）光轴在入射面内且与界面斜交,此时o、e光的波法线方向相同， 但e光的光线与波法线方向不一致 ，所以o、e光线分离，产生双折射,第五节 偏振光的产生与检测 晶体光学器件,线偏振光的产生起偏器,自然光通过偏振片后变为线

9、偏振光，称为起偏,布儒斯特定律,布儒斯特定律,说明： i= i0时，反射光为线偏振光，而折射光仍然是部分偏振光，但此时偏振化程度最高,让自然光通过玻璃片堆，可使折射光的偏振化程度增加。玻璃片足够多时，可使折射光为完全偏振光,二向色性选择吸收产生线偏振光,有些晶体对不同方向的电磁振动具有选择吸收的性质，即对 不同振动方向的偏振光有不同的吸收系数，这种特性称为二 向色性。,天然电气石晶体:,其长对角线为其光轴，即透振方向,当光线射在晶体表面时，振动方向 与与光轴平行的光矢量被吸收得较 少，光可以较多地通过；而振动方 向与光轴垂直的光矢量被吸收得较 多，通过的光很少。,足够厚的电气石晶体，可作为产生

10、线偏振光的起偏器,偏振片：吸收某方向光振动，而与其垂直方向的光振动能通过 的装置,偏振化方向：能通过光振动的方向,偏振棱镜晶体双折射产生线偏振光,思路：单轴晶体中的o光和e光都是线偏振光，若能将它们分 开，就可以获得线偏振光,方法：将晶体制成各种偏振棱镜，利用双折射以获得线偏振光,（1）尼科尔棱镜,1. 单束偏振棱镜（偏振起偏棱镜）,结构：尼科尔棱镜由方解石制成 ，方解石，单轴负晶体,取长度约为宽度三倍的窄长方解石斜方六面体将端面研磨抛光 至68o。将斜方体沿着垂直于主截面及两端面切开，把切面抛光 后再用加拿大树胶粘合在一起，并在四周涂上消光材料，即成 一个尼科尔棱镜,（2）格兰棱镜,尼科尔棱

11、镜的缺点：出射光和入射光不在同一直线上，使用 起来不方便。,结构：由两块直角方解石棱镜组成，光轴方向既平行于端 面又平行于斜面,工作原理：自然光正入射，o、e光 都不偏折，它们在斜面上的入射角 等于棱镜斜面与直角面的夹角， 合理选择 ，在一定孔径角范围内， o光会因全反射而被消光材料吸收， 而e光通过，得到线偏振光,2. 双束偏振棱镜,特点：一束光通过这种棱镜后，输出 两束有一定夹角的振动方向互相垂直 的线偏振光,（1）渥拉斯顿棱镜,结构：渥拉斯顿棱镜是由两块直角方解石棱镜胶合而成，但 这两个棱镜的光轴互相垂直,自然光正入射，棱镜I中产生的o光和e光双折射但不分开,（2）洛匈棱镜,自然光正入射

12、时，折射光无偏折地在棱镜I中传播；由于是沿 着光轴方向，所以无双折射 进入棱镜II后，垂直纸面的光矢量成为e光。相当与光密介质射 入光疏介质，折射角大于入射角，光线向上偏折；而o光沿原方 向无偏折地通过。,由于oo光不发生偏折，因此白光入射时，得到无偏折通过 的白线偏振光；偏离法线的e光却是一个有虹彩的光斑，这是 洛匈棱镜的特点。,光偏振态的改变波片,问题：（1）圆偏振光和椭圆偏振光如何产生？,可取特定厚度的晶体制成波片 （位相延迟器）来产生圆或椭 圆偏振光,解决思路： o光和e光由同一光矢量分解而得，在传播方向任一点它们有固定的位相差,（2）如何将光由一种偏振态转换为另一种偏振态？,穿过d厚

13、度后，o光和e光得光程差为：,o光和e光的振幅分别为：,o光和e光得相位差为：,波片,当 =k时，轨迹为一条直线。此时椭圆偏振光退化为线偏光 当 k时，轨迹为一椭圆,位相差为：,讨论：,当 = k + /2时，轨迹为正椭圆偏振光；若Ae=Ao,轨迹为圆偏振光,此时 =450,1. 全波片,当,这样的波片称为全波片。因为o、e光的位相差为2，所以 线偏振光通过全波片后，其偏振态不改变,2. 半波片（/2片）,当,/2波片: 晶体厚度恰能使o光和e光产生/2光程差的晶片,当,线偏振光通过l/2波片后仍为线偏振光，但振动方向与原振动方向相比转过2角,讨论：,圆偏振光通过l/2波片后仍为圆偏振光，但转

14、动方向与原来的相反,3.四分之一波片,四分之一波片(l/4波片): 晶体厚度恰能使o光和e光产生/4光程差的晶片,讨论：,线偏振光通过/4波片后将变为椭圆(圆)偏振光,圆或主轴与波片光轴平行的正椭圆偏振光通过l/4波片后可变为线偏振光,经波片: 产生 位相差,偏振光通过/4片后偏振态的变化,波片的作用和性质：,(1)任一波片的作用都是延迟o光和e光的相对位相，其效果是 改变了入射光的偏振态。所以，波片与其它偏振元件配合使 用，可获得和检测各种偏振光,(3)波片上常标有“快、慢”轴。“慢轴”是指光矢量沿此方向的线 偏光，在晶体中传播时速度较慢；“快轴”的意义刚好相反。例 如，对于负单轴晶体波片，

15、e光比o光速度快，所以光轴方向（ e光的振动方向）是快轴，与之垂直的方向是慢轴。,(4)各种波片都是针对某一特定波长而言的,(2)波片不能把非偏振光转变为偏振光,位相补偿器,1. 巴比涅补偿器,结构：用两块方解石或石英光楔组成，这两块光楔的光轴相 互垂直,当光垂直入射时，光矢量被分成两 个相互垂直的分量，由于光楔的楔 角很小 ，厚度也不大，所以这两个 分量的传播方向基本一致,设光在第一块光楔中通过的厚度为d1，在第二块光楔中通过的 厚度为d2。第一块光楔中的e光，在第二块中为o光，因此它在 补偿器中的总光程为,同理，第一块中的o光，在第二块中为e光，其在补偿器中的总 光程为,这两个分量之间的位

16、相差为：,光通过补偿器的不同位置，由于 不同，所以位相差 也随之改变,2. 索累补偿器,巴比涅补偿器的缺点：对宽光束的不同部分会产生不同的位相差,索累补偿器就克服了这一缺点。 它是由两个光楔和一块平行平面 薄片组成；两光楔的光轴相互平 行，而薄片光轴与楔的光轴垂直， 当用微调丝杆推动上楔在下楔的 斜面上平行移动时，两楔的总厚 度连续变化。这样它与薄片厚度 的差值连续改变，从而实现位相 差的连续变化。,偏振光的检测,马吕斯定律和消光比,检偏:利用偏振片检验光线的偏振化程度,起偏:自然光通过偏振片后变为线偏振光,1.起偏与检偏,2.马吕斯定律,-马吕斯定律, =0或 =1800时, I2=I1光强最强,讨论：, =900或 =2700时, I2=0光强最弱,偏振光的检验,线偏振光:两次光强最大,两次为零,部分偏振光和椭圆偏振光：两次光强最大,两次最小,但不为零,自然光和圆偏振光：光强始终不