第五章 光的偏振ppt课件.ppt

第五章 光的偏振 基本概念 5 1 5 2 自然光 偏振光 光在晶体中的双折射 5 3 5 5 偏振元件 5 6 偏振态的实验检定 5 8 椭圆偏振光和圆偏振光 5 7 偏振光的干涉 5 9 本章概述 一 横波与偏振现象 对于纵波 包含传播方向与振动方向的任一平面都没有什么不同 称之为振动方向对传播方向具有对称性 对于横波 包含传播方向与振动方向的平面与不包含振动方向的平面是有区别的 这种区别称之为振动方向对传播方向不具有对称性 偏振 振动方向对传播方向的不对称性 是横波与纵波的重要区别 如果光在传播过程中电矢量的振动只限于某一确定的平面内 则这种光称为平面偏振光 由于平面偏振光的电矢量在与传播方向相垂直的平面上的投影为一条直线 故又称为线偏振光 二 线偏振光 注意 偏振光中电矢量和光的传播方向所构成的平面称为偏振光的振动面 三 自然光 平均效果 任何方向上有相同的平均振幅和能量 没有哪个方向的振动占优势 把自然光中所有方向的振动都投影到相互垂直的两个方向上 这两个方向上的平均振幅相等 自然光可分解成两个 相互垂直 振幅相等 无固定位相关系 的线偏振光 三 自然光 四 部分偏振光 占优 振动方向随机变化 某一方向振幅最大 振动占优势 与其垂直方向振幅最小 部分偏振光可视为一个平面偏振光和一个自然光的混合 部分偏振光的图示法 占优 五 偏振度 定义偏振度 Imax 强度最大方向光强 Imin 强度最小方向光强 偏振度最小 自然光 部分偏振光 偏振度最大 线偏振光 从实用的角度看 首先必须解决两大问题 1 如何判别光源的偏振态 偏振光的检验 2 如何从普通光源中取得偏振光 光矢量对传播方向的偏振性 在与物质的作用过程中 一定有所反映 二向色性 某些各向异性晶体对不同方向光振动具有选择吸收的性质 天然晶体中 电气石 六角形片状 具有强烈的二向色性 1mm厚的电气石晶体可把垂直于光轴振动的光矢量全部吸收 六角形长对角线方向为光轴 E 光轴 E 光轴 吸收很少 通过较多 通过很少 吸收较多 自然光入射 线偏振光出射 一 二向色性与偏振片 透振方向 允许通过光矢量振动的方向 优点 造价低廉 面积大 通光孔径大 轻便 缺点 带有选择性吸收 使透射的偏振光带有颜色 通 不通 透振方向 入射光 透振方向 入射光 透振方向 透明聚乙烯淳片 强烈吸收某一方向上的光振动 透射光成为线偏振光 二 人造偏振片 形象说明偏振片的原理 透振方向 腰横别扁担进不了城门 起偏 检偏 三 起偏和检偏 三 起偏和检偏 I 四 马吕斯定律 四 马吕斯定律 四 马吕斯定律 S波 光矢量垂直于入射面 自然光入射在各向同性介质表面 反射 折射光线的偏振状态 自然光在介质界面上反射时 分解成 P波 光矢量平行于入射面 由菲涅耳公式知S波和P波反射系数不一样 1 一般情况 一般入射角i 反射光和透射光均为部分反射光 自然光分解成平行于入射面和垂直于入射面的两个分量 反射光的S波比P波强 透射光的P波比S波强 五 反射光的偏振态 2 特殊情况 布儒斯特定律Brewster sLaw 由菲涅耳公式知当 反射光为光矢量垂直于入射面的完全偏振光 i2 2 i0 透射光为部分偏振光 i0称为起偏振角 布儒斯特角 五 反射光的偏振态 讨论下列光线的反射和折射 起偏角 反射光为完全偏振光 i0 i2 在玻璃片上表面用布儒斯特角入射 在玻璃片下表面仍为布儒斯特角入射 反射光为完全偏振光 透射光为完全偏振光 多次反射后 透射光出射 六 透射光的偏振态 六 透射光的偏振态 1 双折射现象 用眼睛观看发光点 会看到两个像点 透过方解石晶体 纸面上的字成了的双字 一 晶体的双折射现象 一 晶体的双折射现象 自然光进入各向异性晶体中 光线怎样传播 两束折射光 服从折射定律寻常光线ordinaryray O光 不服从折射定律异常光线extraray e光 不服从折射定律指的是 折射光线一般不在入射面内 不遵守折射定律 折射率 传播速度 和入射光线在晶体内的方向有关 O光 e光仅在晶体内部有意义 2 O光和e光 用检偏器检验O光和e光 问题 1 e光在晶体内的传播方向 3 O光和e光偏振态 振动方向垂直 条件见后 均是偏振光 2 o光e光的振动方向 不发生双折射 注意 在晶体内光轴是一个方向 实验上怎么操作呢 令入射表面垂直光轴 光线沿光轴方向入射 光线在晶体内部传播不发生双折射 实验中改变入射光的方向 发现在晶体中存在特殊方向 光在晶体中沿这个方向传播时不发生双折射 该特殊方向称为晶体的光轴 光轴方向 二 光轴 方解石晶体的光轴 方向 78 8 三个角度均为101 52 的顶点称为钝隅 78 8 101 52 两钝隅连线方向为光轴方向 单轴晶体 uniaxiscrystal 只有一个光轴方向 方解石 冰洲石 石英 quartz 红宝石 云母 mica 蓝宝石 sapphire 黄玉 人工拉制单轴晶体 ADP 磷酸二氢氨 铌酸锂 LiNiO3 双轴晶体 biaxiscrystal 有两个光轴方向 一般情况下 o光和e光的主截面不重合 但夹角很小 晶体主截面 单轴晶体中包含晶体光轴和一条给定光线的平面 O光的主截面 e光的主截面 e光主截面 过e光线和晶体光轴的平面 o光主截面 过o光线和晶体光轴的平面 光轴在入射面内的特殊情况下实验和理论都指出 o光和e光的主截面和晶体的主截面重合 我们讨论的情况 给定一束入射光 三 主截面 o光和e光都是线偏振光 其振动方向如何 o光的振动垂直o光的主截面 e光的振动在e光的主截面内 光轴在入射面内时 两条光线的主截面就是入射面 用检偏器检验知 两光偏振方向垂直 o光的振动垂直入射面 e光的振动在入射面内 四 o光和e光的振动方向 ve 与光轴垂直 两个主折射率 o光的主折射率 vo o光在晶体中的传播速度 e光的主折射率 ve e光在晶体中垂直于光轴方向的传播速度 e光在晶体中的传播速度与传播方向有关 ve取垂直于光轴的特殊方向 ne no ve vo 正晶体 如石英 ne no ve vo 负晶体 如方解石 五 o光和e光的主折射率 入射光的振动方向 入射光的振动面 晶体的主截面 1 自然光入射发生双折射 设入射光强为I 振幅为A 2 线偏振光垂直入射发生双折射 在晶体中 在晶体外 射出晶体后 两束光无o光e光之分 为e光传播方向与光轴的夹角 六 o光和e光的相对光强 讨论 当晶体绕入射光方向旋转时 两束光的相对光强不断变化 o光强度最大 e光完全消失 o光完全消失 e光强度最大 扩大入射光束使两束光相互重叠 由于 无论晶体怎样转动 重叠部分光强度不变 惠更斯假设晶体中发光点的波面 o光为球面 e光为旋转椭球面 符合 对光的本性和晶体结构的认识 晶体微观结构的各向异性 分子为各向异性的振子 三个振动方向的振动固有频率为 1 2 2 方向确定 大小不变 相互垂直 各向异性的振子的三个振动方向 振子的振动方向为两个 设 平行于晶体光轴方向的振动频率为 1 垂直于晶体光轴方向的振动频率为 2 单轴晶体 5 4光在晶体中的波面 入射光的电矢量振动方向和 1所在方向相同时 晶体中的带电粒子做稳定受迫振动 并发出频率与入射光频率相同的次波叠加形成折射波 其位相和 1有关 改变入射光的方向或晶体的位置 若使入射光的电矢量振动方向和 2所在方向相同时 受迫振动位相和 2有关 晶体中振动方向不同的成分具有不同的位相传播速度 决定光在晶体中的波面 光通过晶体时 晶体中的带电粒子在光的交变电场作用下做受迫振动 其频率和入射光的频率相同 5 4光在晶体中的波面 vo vo ve 晶体光轴 发光点c 过c点晶体主截面 研究自c点发出的所有光线 振动方向垂直于主截面 o光 在主截面内沿任何方向传播的光都使振子在垂直于光轴方向振动 其位相均与 2有关 有相同的传播速度vo 不同传播方向光振动方向和主轴成不同夹角 振动方向平行于主截面 e光 CA1方向 光振动方向 光轴 受迫振动位相与 2有关 传播速度为vo CA2方向 光振动方向 光轴 受迫振动位相与 1有关 传播速度为ve CA3方向 光振动方向与光轴成一夹角 传播速度介于vo和ve之间 其波面为以光轴为轴的旋转椭球面 其波面为以光轴为轴的球面 讨论 1 e光的传播方向不一定垂直于波面 晶体中特有的现象 2 单轴晶体 在光轴方向 旋转椭球波面和球波面相切 光的传播速度相同 不发生双折射 正晶体 negative 旋转椭球波面在球波面内 负晶体 positive 旋转椭球波面在球波面外 正晶体 正晶体 负晶体 负晶体 光轴 光轴 光轴 光轴 光轴在入射面内时 o光 e光 用晶体的特点和惠更斯作图法确定晶体中光线传播方向 讨论单轴晶体内o光和e光的传播方向 以例说明 例1 光轴在入射面内 自然光垂直入射至方解石 负晶体 表面 o光不改变传播方向 e光发生折射 5 5光在晶体中的传播方向 例2 自然光垂直入射特例 光轴垂直于晶面 o e 光 光轴方向 o光e光传播方向相同 不发生双折射 传播速度相同 例3 自然光垂直入射特例 光轴平行于晶面 光轴方向 o光e光传播方向相同 但传播速度不同 o光 e光 例4 光轴在入射面内 自然光从空气斜入射至方解石晶体表面 A B D 垂直于光轴方向 i ie o光遵守折射定律 e光不遵守折射定律 io 令 例5 光轴垂直入射面自然光斜入射 方解石 A B D i 光轴方向 o光 e光 io ie 令 令 e光传播方向 光轴方向 ne为主折射率 此时可用折射定律 例6 光轴在入射面内线偏振光斜入射 1 入射光振动 入射面 2 入射光振动在入射面内 3 入射光的振动与入射面有一夹角现象如何 把晶体制成双折射棱镜 从普通光源中获得线偏振光 71 尼科耳棱镜的制作过程 结构 取长度约为宽度3倍的方解石晶体 1 尼科耳棱镜的制作 一 尼科耳棱镜 Nicolprism 尼科耳棱镜的制作过程 3 3 此角从71 磨成为68 涂上加拿大树胶 68 尼科耳棱镜的制作过程 两块重新粘连成一块棱镜的粘合面 A D C B 尼科耳棱镜的横截面 E F 注意剖面 粘合面 A EC F和面A BC D的特点 68 71 A C 剖面A EC F要求 与A BC D相互垂直 两面交线为A C 与晶体的两端面相互垂直 2 尼科耳棱镜原理 77 13 13 入射光 加拿大树胶 o光被涂黑的镜壁吸收 e光从光疏介质射入光密介质 不发生全反射 o光从光密介质射入光疏介质 发生全反射 入射光SM A D 在棱镜表面上的入射角为 o光全反射临界角 在棱镜A BC 内分成o光和e光 o光折射角13 在加拿大树胶上的入射角为77 ioc 发生全反射 e光通过棱镜A DC 出射 22 尼科耳棱镜可以用作起偏器与检偏器 起偏器 检偏器 光轴方向 光轴方向 由两块直角方解石棱镜胶合而成 两棱镜 光轴平行于各自表面 光轴相互垂直 2 沃拉斯顿棱镜原理 自然光垂直于AB面 垂直于光轴 入射时 棱镜ADB的主截面在屏面内 棱镜CDB的主截面垂直于屏面 棱镜ADB产生的o光e光不分开 棱镜ADB中o光e光速度不同 二 沃拉斯顿棱镜 E矢量垂直于屏面的偏振光 对ADB为o光 对CDB为e光 该束光从光密到光疏 向远离法向MN方向偏折 从CDB向外偏折时 进一步向远离法向MN方向偏折 E矢量在屏面内的偏振光 对ADB为e光 对CDB为o光 该束光从光疏到光密 向靠近法向MN方向偏折 从CDB向外偏折时 从光密到光疏 向远离法向MN方向偏折 从沃拉斯顿棱镜出射两束彼此分开振动方向相互垂直的偏振光 当沃拉斯顿棱镜顶角 不很大时 两束出射光几乎对称地分开 可以证明两束出射光夹角 1 波晶片结构 从单轴晶体切出的平行平面薄片 光轴与表面平行 光垂直入射时 主截面为o xz A Ao Ae 线偏振光垂直入射到波片上 分成o光和e光 对于负晶体 光轴方向 x方向快轴 y方向慢轴 o光e光不分开 但传播速度不同 通过波片后会产生位相差 三 波晶片 2 波晶片产生的位相差 设波片的厚度为d o光e光的光程差 o光e光的位相差 晶体一定时 和 由厚度d决定 四分之一波片 光程差 位相差 实际取 实际取 二分之一波片 全波片 椭圆偏振光 在光的传播方向上 电矢量的端点在波面内描绘出一个椭圆 圆偏振光 在光的传播方向上 电矢量的端点在波面内描绘出一个圆 椭圆偏振光的特例 考虑 频率相同 振动方向相互垂直 位相差恒定 沿z方向传播的两线偏振光的叠加 例 上述两线偏振光的获得 设线偏振光正入射到波片上 振动方向与光轴成 角 入射光被分成o光 沿y轴 初位相为 y 和e光 沿x轴 初位相为 x o光和e光从波片出射后 有恒定的位相差 传播速度相同 一 圆和椭圆偏振光的描述 两线偏振光的波动方程为 合成波的波动方程为 1 2 由 1 和 2 消除时间t 得关于Ex Ey的方程 电矢量E的矢端轨迹方程 1 2 电矢量E作周期性的运动 与Ex和Ey有相同的周期 椭圆的一般方程 结论 电矢量E的矢端轨迹为椭圆 椭圆偏振光 边长为2Ax 2Ay的矩形 椭圆与其内切 Ex在 Ax之间变化 Ey在 Ay之间变化 椭圆主轴 长轴 与x夹角 讨论 椭圆的形状与Ax Ay和 有关 分析几种特殊情形 1 0或 2 的整数倍 直线方程 一 三象限的对角线 2 2 的半整数倍 例 直线方程 二 四象限的对角线 3 2及其奇数倍 例 2 标准椭圆方程 主轴与坐标轴重合 若Ax Ay 则电矢量E的矢端轨迹为圆 圆偏振光 4 0 2 一般椭圆方程 例 线偏振光正入射到1 4波片上 振动方向和光轴方向成45 角 则o光和e光等振幅Ax Ay 2 出射光为圆偏振光 h 3 2 2 二 椭圆偏振光的旋向 合矢量E的旋向不同 可分为两类偏振光 迎光传播方向观察 合矢量顺时针旋转 右旋偏振光 合矢量逆时针旋转 左旋偏振光 判据 由 相隔1 4 2 周期值的分析 左旋偏振光 右旋偏振光 例 若 2 则 设t t0时 t0 kz 0 则Ex Ax Ey 0 当t t0 T 4时 t kz t0 T 4 kz t0 kz 2 则Ex 0 Ey Ay 从Q1 Q2 顺时针旋转 为右旋偏振光 二 椭圆偏振光的旋向 1 椭圆偏振器 用起偏器获得线偏振光 垂直入射到波片上获得椭圆偏振光 2 圆偏振器 用起偏器获得线偏振光 垂直入射到1 4波片且使入射线偏振光的振动方向与光轴成45 获得圆偏振光 三 自然光改造成椭圆偏振光或圆偏振光 一 平面偏振光的检定 仅用一个检振器 可唯一确定平面偏振光 光强变化 有消光 平面偏振光 无消光 待定 部分偏振光 椭圆偏振光 光强不变 待定 自然光 圆偏振光 旋转偏振片 被检光 旋转偏振片 波片 自然光 圆偏振光 自然光 线偏振光 光强变化且消光圆偏振光 光强不变为自然光 用 波片和检振器 可区分自然光和圆偏振光 二 自然光和圆偏振光的检定 旋转偏振片 波片 椭圆偏振光 线偏振光 光强变化且消光椭圆偏振光 光强变化无消光部分偏振光 部分偏振光 部分偏振光