第五章 光的偏振.ppt

第五章光的偏振 物理科学与技术学院 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椭圆偏振光与圆偏振光 5 8偏振态的实验检验5 9偏振光的干涉5 10光弹性效应和电光效应5 11线偏振光沿晶体光轴传播时振动面的旋转5 12偏振态的矩阵表述琼斯矢量和琼斯矩阵 5 1自然光与偏振光 前言 横波 波的振动方向与传播方向相互垂直 纵波 波的振动方向与传播方向相同 波的振动方向对传播方向具有对称性 波的振动方向对传播方向没有对称性 偏振 一 光的偏振性 光 单色光 复色光 频率 光波是电磁波 光与物质相互作用是 起主要作用的是电矢量 所以电矢量称为光矢量 偏振态 在垂直于光传播方向的平面内光矢量的振动状态 自然光 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 二 自然光与偏振光 线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解 1 平面偏振光 线偏振光 表示法 2 自然光 等幅的 不相干的线偏振光 自然光的表示法 一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的 5 2线偏振光与部分偏振光 利用 物质的二向色性 分界面的反射和折射 晶体的双折射 可得到线偏振光 一 由二向色性产生平面偏振光 1 二向色性 对相互垂直的振动的具有不同吸收本领的特性 偏振片 起偏器 用来产生线偏振光 检偏器 用来检验偏振光 检偏 2 马吕斯定理 马吕斯定律 1809 消光 马吕斯定律 二 反射光的偏振态 1 布儒斯特角 当 rp 0 即反射光中无平行分量 成为平面偏振光 用i10表示 i10 布儒斯特角 p分量 振动方向平行于入射面s分量 振动方向垂直于入射面 自然光反射和折射后成为部分偏振光 2 部分偏振光 平面偏振光 自然光 表示法 最常讨论的部分偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合 天空的散射光和水面的反射光就是这种部分偏振光 它可以分解如下 自然光不以布儒斯特角入射 自然光反射和折射后成为部分偏振光 书P52页 例5 2 实验上很难以准确的布儒斯特角入射 使反射光成平面偏振光 一般用玻璃堆 透射光成平面偏振光 激光器谐振腔 输出线偏振光 布儒斯特窗 透振方向 书P 312 例5 2 通过偏振片观察一束部分偏振光 当偏振片由对应透射光强最大位置转过60 时 其光强减为一半 试求这束部分偏振光的强度之比和光束的偏振度 经偏振片P后透射光强最大为 0 P Ip 偏振片转动60 60 后透射光强为 整理得 偏振度 5 3光通过单轴晶体时的双折射现象 一 双折射现象 2 寻常 o 光和非寻常 e 光 方解石 o e 演示 以入射方向为轴旋转方解石 双折射的两束光振动方向相互垂直 双折射会映射出双像 当方解石晶体旋转时 o光的像不动 e光的像围绕o光的像旋转 二 光轴和主截面 特定的方向 晶体中光沿这个方向传播时 不发生双折射现象 例如 方解石晶体 冰洲石 由钝隅引出的与三个棱边成等角的方向就是光轴 沿此方向的直线均为光轴 1 光轴 沿光轴方向传播n no 沿垂直于光轴方向传播n ne n 为e光的折射率 单轴晶体 只有一个光轴的晶体 如方解石 石英 双轴晶体 有两个光轴的晶体 如云毋 硫磺 黄玉 2 主截面 晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面 叫该光线的主截面 o光的振动方向垂直于o光的主截面 e光的振动方向平行于e光的主截面 一般 o光与e光的振动方向不垂直 晶体双折射 如果光轴在入射面内 两主截面重合 则o光与e光的振动方向相互垂直 注 若两截面夹角很小 常常将o光与e光的振动方向看作近似垂直 三 o光与e光的相对光强 1 自然光入射 考虑垂直入射的特殊情况 光轴在入射面内 2 线偏振光入射 以入射光为轴旋转晶体 主截面随之转动 即 改变 0 I0 0 Ie I 90 I0 I Ie 0 书P321页 例5 4 强度为I的自然光 垂直入射到方解石晶体上后又垂直入射到另一块完全相同的晶体上 两块晶体的主截面之间的夹角为 试求当 分别等于30 和180 时 最后透射出来的光束的相对强度 不考虑反射 吸收等损失 解 经第一块晶体后 经第二块晶体后 相对强度为 经第二块晶体后 由于两块晶体相同 两主截面夹角为180 此时它们光轴方向关于表面法线对称 则e光在第一块晶体中的偏折方向与在第二块晶体中的偏折方向相反 因而从第二块晶体出射的o光和e光传播方向重合 成为一束自然光 其强度为 5 4光在晶体中的波面 o光在晶体中的波面是球面 e光在晶体中的波面是旋转椭球面 相对介电常数 磁导率 单轴晶体 以光轴 z轴 旋转对称 如图 光振动方向垂直z轴 光振动方向沿z轴 e光 主截面 光的传播方向与晶体光轴构成的平面 光的振动方向垂直于主截面 不管往任何方向传播 光振动方向垂直于光轴 波阵面为球面 o光 光的振动方向平行于主截面 光振动方向垂直z轴 光振动方向平行z轴 波阵面为旋转椭球面 e光 光沿光轴传播 光垂直光轴传播 沿任何方向传播速度相同 沿不同方向传播速度不相同 5 5光在晶体中的传播方向 正晶体 负晶体 ve vo ve vo 石英 方解石 一 单轴晶体内o光和e光的传播方向 1 以i角入射到晶体 光轴在入射面内 r0 晶体 i vo t ve t A B D e o re 晶体双折射 2 光轴垂直于晶体表面 正入射 3 光轴平行于晶体表面 正入射 光轴 晶体 不发生双折射 发生双折射 4 光轴垂直入射面向外 正入射 光轴 晶体 二 单轴晶体的主折射率 o光主折射率 e光主折射率 特殊情况下 光轴垂直于入射面时 有 发生双折射 5 6偏振器件 一 尼科耳棱镜 no 1 658ne 1 486n胶 1 550 涂黑 e o光被吸收 二 渥拉斯顿棱镜 加拿大树胶 e o e o 尼科耳棱镜 三 波 晶 片 波片 光轴平行于表面的单轴晶体 其o光和e光沿同一方向传播 发生双折射 波片厚度为d nod o光在波片中的光程 ned e光在波片中的光程 光程差 no ne d 相位差 主截面 与光轴夹角为 的线偏振光经过半波片后 出射光振动方向偏转2 平面偏振光入射 o光 e光光强比sin2 cos2 相位差 自然光入射 o光 e光光强比1 无固定相位差 自然光 对于半波片 玻璃 举例 1 2 方解石晶体 no 1 658ne 1 486 no 1 658ne 1 486n玻 1 5 方解石 e o 5 7椭圆偏振光与圆偏振光 圆偏振光 电矢量大小不变 末端在波面内描绘出一个圆 椭圆偏振光 电矢量大小改变 末端在波面内描绘出一个椭圆 迎着光线方向看 顺时针 右旋 逆时针 左旋 一 圆偏振光和椭圆偏振光的描述 2 描述 1 定义 椭圆偏振光可通过两列频率相同 振动方向相互垂直 沿同一方向传播的线偏振光叠加得到 振幅 端点轨迹方程 0 2 其他值 讨论 线偏振光 Ax Ay椭圆偏振光 Ax Ay圆偏振光 斜向椭圆偏振光 圆偏振光可通过两频率相同 振动方向相互垂直 且振幅相同 位相差 2k 1 2 沿同一方向传播的线偏振光叠加得到 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 从晶片出射的两束光合成为一束椭圆偏振光 二 圆偏振光和椭圆偏振光的获得 1 晶片 则出射光为圆偏振光 若 且 2 波 晶 片 四分之一波片 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 三 自然光改造成椭圆或圆偏振光 自然光入射 无固定相位差 自然光 自然光须先经过一起偏器 再经过四分之一波片才可获得椭圆或圆偏振光 光轴 透振方向 1 4波片 45 时 获得 圆偏振光 5 8偏振态的实验检验 一 检偏器 旋转检偏器 偏振片 转动 以入射光方向为轴 偏振片 转动 线偏振光 I不变 无消光 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 或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置 加四分之一波片 如何区分由自然光和椭圆偏振光组成的部分偏振光与由自然光和线偏振光组成的部分偏振光 如何区分由自然光和圆偏振光组成的部分偏振光与自然光 5 9偏振光的干涉 一 偏振光干涉装置和强度分布 1 振幅关系 A1o A2o P2 P1 C A1 A1e A2e 在P2后 在P1后 干涉光强 波片引入的位相差 P1 P2在波片光轴的同侧 P1 P2在波片光轴的异侧 相长干涉 相消干涉 若单色光入射 则屏上为等厚条纹 且d不均匀 P1 P2在波片光轴的同侧 P1 P2在波片光轴的异侧 相消干涉 相长干涉 特例 1 P