第14章 光学3.ppt

1 大学物理教案 国际关系学院 康艳梅 2 三光的偏振 Polarizationoflight 14 15自然光和偏振光光的横波性质马吕斯定律 14 16反射和折射时光的偏振 14 17光的双折射现象 14 18偏振光的干涉及其应用 14 19全息照相简介 3 光的偏振性 1 横波和纵波的区别 偏振纵波 振动方向与传播方向一致 不存在偏振问题 横波 垂直 存在偏振问题 定义 振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振性 说明 只有横波才具有偏振现象 偏振现象是横波区别于纵波的最明显的特征 14 15自然光和偏振光光的横波性质马吕斯定律 4 2 光的偏振性 对于平面电磁波 电场强度矢量 光矢量的振动方向于传播方向垂直 光矢量的振动方向总是与光的传播方向垂直的 即光矢量的横向振动状态 相对于传播方向不具有对称性 这种光矢量的振动相对于传播方向的不对称性 称为光的偏振性 光的偏振性说明光波是横波 5 光偏振态的分类和图示 一 线偏振光 linearlypolarizedlight 线偏振光的表示法 定义 在垂直于传播方向的平面内 光矢量只沿某一个固定方向振动 则称为线偏振光 又称为平面偏振光或线偏振光 6 二 自然光 naturallight 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 7 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 三 部分偏振光 partiallypolarizedlight 8 四 圆偏振光 circularlypolarizedlight 椭圆偏振光 ellipticlypolarizedlight 9 五 起偏 起偏 从自然光获得偏振光 起偏器 polarizer 起偏的光学器件 偏振片 Polaroid 由自然光获得线偏振光的平面片状器件 偏振片的起偏 10 11 用偏振器件分析 检验光的偏振态 思考 六 检偏 1 线偏振光 检偏器旋转一周 光强两强两黑 2 自然光 屏上光强减半 检偏器旋转 屏上亮暗无变化 3 部分偏振光 检偏器旋转一周 屏上光强经历两强两弱变化 4 圆偏振光 光矢量端点在垂直于光传播方向的截面内描绘出圆形轨迹 检偏器旋转一周 光强无变化 5 椭圆偏振光 光矢量端点在垂直于光传播方向的截面内描绘出椭圆轨迹 检偏器旋转一周 光强两强两弱 12 方法 转动偏振片 观察透射光强度的变化 自然光 透射光强度不发生变化 13 偏振光 透射光强度发生变化 部分偏振光 偏振光通过偏振片后 在转动偏振片的过程中 透射光强度发生变化 14 马吕斯 EtienneLouisMalus1775 1812 法国物理学家及军事工程师 出生于巴黎 1808年发现反射光的偏振 确定了偏振光强度变化的规律 1810年被选为巴黎科学院院士 曾获得过伦敦皇家学会奖章 1811年 他发现折射光的偏振 七 马吕斯定律 Maluslaw 15 马吕斯定律 1809 消光 extinction 线偏振光光强I0 透过检偏振器光强I 16 偏振光的应用 17 马吕斯定律 啥样的 18 用偏振片平行放置作为起偏器和检偏器 在它们的偏振化方向成30 角时 观测一光源 再将夹角改为60 观察同一位置处的另一个光源 两次测得光强相等 求两光源照到起偏器的光强之比 解 设两光源照起偏器的光强分别为I1和I2 则起偏器后的光强分别为I1 2和I2 2 设检偏器后的光强分别为I 1和I 2 依照马吕斯定律 依题意I 1 I 2 即 例 19 一束自然光入射到重叠起来的四片偏振片上 它们的偏振化依次顺时针 迎着投射光看 偏开30 角 求入射光中有百分之几的光强透过这组偏振片 不计偏振片的吸收 解 设入射光的光强为I0 透过第1 2 3 4片的光强分别为I1 I2 I3 I4 I1 I0 2 可见投射光强为入射光的21 例 20 14 16反射和折射时光的偏振 i iB时 反射光只有S分量 iB 布儒斯特角 Brewsterangle 或起偏角 polarizingangle iB rB 90o 由 有 布儒斯特定律 1812年 BrewsterLaw 一反射和折射光的偏振状况 21 玻璃片堆可做起偏器 若n1 1 00 空气 n2 1 50 玻璃 则 S 根据 及折射定律 可导出 显然 可见从介质2以入射角r在介质1界面反射光也是平面偏振光 二反射起偏 玻璃片堆 22 演示一下反射和折射光的偏振 再看玻璃堆 23 天然的方解石晶体是双折射晶体 A B 光的双折射现象 一束自然光射向石英 方解石等各向异性介质时 其折射光有两束 这种现象称为双折射现象 14 17光的双折射现象 doublerefraction 24 一寻常光和非常光 1 双折射的概念 一束自然光入射到各向异性的媒质中分成两束线偏振的折射光的现象称为双折射 2 寻常光 o光 非常光 e光 寻常光 ordinarylight 遵从折射定律非常光 extraordinarylight 一般不遵从折射定律 即e光折射线也不一定在入射面内 25 A B C D o e o e o e 入射光束 晶体 观察屏 当晶体旋转时 有两种做法 仔细看 第一种 第二种 26 二光轴 主平面 1 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射 该方向称为晶体的光轴 单轴晶体 只有一个光轴的晶体 如方解石 石英 红宝石 冰等 双轴晶体 有两个光轴的晶体 如云毋 结晶硫磺 蓝宝石 橄榄石等 27 若沿光轴方向入射 o光和e光具有相同的折射率和相同的波速 因而无双折射现象 o光振动方向垂直于该光线 在晶体中 与光轴组成的平面 e光振动方向平行于该光线 在晶体中 与光轴组成的平面 若光轴在入射面内 实验发现 o光 e光均在入射面内传播 且振动方向相互垂直 28 看看这几个概念和现象 先看o光和e光 再看光轴 还有双折射 29 2 主平面和主截面 主平面 principalplane 晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面 o光振动垂直主平面 e光振动在主平面内 主截面 principalsection 晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面 30 三单轴晶体的子波波振面 双折射晶体中 e光光速不恒定 与方向有关 波阵面椭球形 o光 n0 ne称为晶体的主折射率 e光 31 其中ve ne均取垂直于光轴方向的值 32 A 光轴 D C N N G E F o e o e 光轴 o e a b c 在 c 的情形中 光轴平行于表面 o光和e光经过晶体并不分开 但是它们在晶体中的光程不同 基于此 可制作特殊的晶片 四惠更斯原理在双折射现象中的应用 33 五晶体偏振器件 尼科尔棱镜 沃拉斯特棱镜 洛匈棱镜 看一看 34 六晶体的二向色性和偏振片 晶体的二向色性 某些晶体对相互垂直的电矢量分量具有选择吸收的性能 称为晶体的二向色性 35 光弹现象 七 人为双折射现象 透明的各向同性介质在机械应力作用下 显示出光学上的各向异性 与OO 为光轴的双折射类似 这种现象叫做光弹效应 实验表明 在一定胁强强范围内 S为材料E受力的面积 k为胁强光学系数 36 克尔效应 某些各向同性的透明介质 如非晶体和液体 在外电场的作用下 显示出双折射现象 称为克尔效应 当外电场撤消时 这种性质立即消失 因此 也称为电致双折射现象 光轴沿电场强度的方向 两光通过厚度为l的液体时 光程差为 若去掉盒内电场 则没有光从N透出 整个系统起 光开关 的作用 通过控制外加电压 可调节输出的光脉冲的长短和频率 把电讯号转变成光讯号 由于光电效应几乎没有惯性 电讯号的控制速度可达10 9m s 光开关 光调制器 光断续器 有极快的速度启闭光路或调制光强 目前广泛应用于高速摄影 电影 电视和激光通讯等许多领域 37 14 18偏振光的干涉 一 椭圆偏振光和圆偏振光 椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光 均可等效为两个具有恒定相位差 相同振动频率 振动方向相互垂直的线偏振光 波片可以将垂直入射的线偏光分解成同频率 相互垂直振动的O光和e光 它们沿同一方向传播 波片厚度d决定O光 e光恒定相位差的大小 因此 可用它来产生椭圆偏振光 圆偏振光或改变入射的偏振态 38 M是起偏器 经它可从自然光中获得垂直射向波片C的线偏光 双折射晶体C光轴平行于晶体表面 透振方向与光轴方向之间的夹角 垂直射入波片的线偏光 分解成O光 其振动方向垂直于入射面 垂直光轴 分解成的e光 振动方向平行于入射面 平行于光轴 若C为1 4波片 即 2 且若 450 则出射圆偏振光 若C为1 4波片 且 450 900或00 则出射椭圆偏振光 若C不为波长片也不是半波片 即 k 时 且 450 900或 00时 则从C垂直出射椭圆偏振光 经过波片后 O光和e光的相位差 39 1 偏振片M与N的透振方向相互垂直 M N 二 偏振光的干涉 入射自然光 线偏光 偏振光干涉 40 因子 来源于投影中 和反向 输出光强与其振幅的平方成正比 41 2 偏振片M与N的透振方向相互平行 M N 结论 除 450以外 出射光强均不为零 即