《光学教程》光的偏振幻灯片.ppt

物理科学与技术学院 第五章光的偏振 1 5 1偏振光与自然光 偏振度5 2由反射和折射获得偏振光布儒斯特定律5 3单轴晶体的双折射现象5 4用波面的概念解释双折射现象5 5偏振棱镜和偏振片马吕斯定律5 6椭圆偏振光与圆偏振光波片5 7偏振态的实验检验5 8偏振光的干涉5 9光弹性效应和电光效应5 10线偏振光沿晶体光轴传播时振动面的旋转 2 5 1自然光与偏振光偏振度 纵波 波的振动方向对传播方向具有对称性 横波 波的振动方向对传播方向没有对称性 偏振 5 1 1光的偏振性 电矢量 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 前言 频率 3 一般 用单色光讨论偏振态 4 5 1 2自然光与偏振光 面对光的传播方向看 1 平面偏振光 线偏振光 线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解 光振动垂直板面 光振动平行板面 振 动 面 播 传 方 向 表示法 5 2 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 没有优势方向 自然光的表示法 6 自然光 自然光 相位分布关联 不显示偏振性 7 线偏振光 线偏振光 8 5 1 3部分偏振光和偏振度 平面偏振光 自然光 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 偏振度 自然光P 0 线偏振光P 1 部分偏振光0 P 1 9 5 2 1布儒斯特角 自然光 部分偏振光 5 2由反射和折射获得偏振光 布儒斯特定律 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 反射光的偏振态 10 5 2 2由折射获得偏振光 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 激光器谐振腔 布儒斯特窗 一般用玻璃堆 透射光成平面偏振光 11 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 5 2 3偏振现象的解释 12 书P 206 例5 1 自然光以入射角i投射到水面上 使发射光成为完全偏振光 现有一块玻璃浸于水中 如光从玻璃面反射也为完全偏振光 试求水面与玻璃面之间的夹角 13 5 3单轴晶体的双折射 5 3 1寻常光和非寻常光 2 寻常 o 光和非寻常 e 光 自然光入射到各向异性介质中 折射光分成两束的现象 1 双折射现象 o o光折射线在入射面内 e e光折射线也不一定在入射面内 遵从折射定律 一般不遵从折射定律 14 方解石 o e 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 演示 15 双折射会映射出双像 方解石晶体 16 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 方解石晶体 17 5 3 2光轴 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 方解石晶体 冰洲石 定义 沿光轴方向传播n no 沿垂直于光轴方向传播n ne 由钝隅引出的与三个棱边成等角的方向就是光轴 n 为e光的折射率 18 单轴晶体 方解石 石英 双轴晶体 云毋 硫磺 黄玉 5 3 3主截面 晶体光轴与晶体表面法线构成的平面叫主截面 光轴 法线 经过每一点有三个主截面 注意与课本定义的差别 P 207 主截面 19 o光 光轴 o光主平面 e光 光轴 o光的振动方向垂直于o光的主平面 e光的振动方向平行于e光的主平面 一般 o光与e光的振动方向不垂直 主平面 由光轴和光线构成的平面叫主平面 o光主平面 e光主平面 e光主平面 20 如果光轴在入射面内 两主平面重合 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 5 3 4o光与e光的相对光强 a 自然光入射 光轴 考虑垂直入射的特殊情况 光轴在入射面内 特例 主截面 21 b 线偏振光入射 以入射光为轴旋转晶体 主截面随之转动 改变 0 I0 0 Ie I 90 I0 I Ie 0 22 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 单轴晶体 以光轴 z轴 旋转对称 如图 在晶体中不同方向数值不同 5 4用波面的概念解释双折射现象 光轴 光振动方向垂直z轴 光振动方向沿z轴 光振动方向沿其它方向 介于 之间 23 主平面 由光线和光轴构成的平面 o光 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 e光 振动方向平行于主截面 振动方向垂直于z 振动方向平行于z 波阵面为旋转椭球面 传播方向沿z 传播方向沿z o光沿任何方向传播速度相同 e光沿不同方向传播速度不相同 24 正晶体 负晶体 ve vo ve vo 石英 方解石 5 4 2o光和e光的传播方向 a 光轴在入射面内 r0 i vo t ve t A B D e o re 25 b 光轴垂直于晶体表面 正入射 c 光轴平行于晶体表面 正入射 不发生双折射 光轴 分不开 相同传播速度 发生双折射 分不开不同传播速度 光轴 26 d 光轴垂直入射面 正入射 光轴 发生双折射 同c e 光轴垂直入射面 斜入射 27 5 5偏振棱镜波片 1 尼科耳棱镜 no 1 658ne 1 486nb 1 550 e 2 渥拉斯顿棱镜 加拿大树胶 e o e o 5 5 1偏振棱镜 28 玻璃 例 1 2 方解石 负晶体 no 1 658ne 1 486 no 1 658ne 1 486nglass 1 5 方解石 e o 29 5 5 2偏振片 利用二向色性获得偏振光 二向色性指有些晶体对振动方向不同的电矢量具有选择吸收的性质 二向色性晶体 方解石 光轴 电气石 垂直分量 吸收 水平分量 栅丝偏振器 30 5 5 3马吕斯定律 马吕斯定律 1809 消光 透振方向 31 例5 2假定在两个静止的 理想的 正交的起偏器之间有另一个理想的起偏器以角速度w旋转 试证透射光的强度满足下列关系式 例5 3设一水晶棱镜的顶角A为60度 光轴与棱镜主截面垂直 钠光以最小偏向角的方向在棱镜中折射 用焦距为0 5m的透镜聚焦 no 1 54425 ne 1 5536 试求o光和e光两谱线的间隔为多少 32 5 6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 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 5 6 1圆偏振光和椭圆偏振光的描述 b 描述 a 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 33 振幅 0 2 其他值 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 讨论 线偏振光 34 椭圆偏振光 其中 变化 35 圆偏振光 右旋圆偏振光 左旋圆偏振光 36 5 6 2波 晶 片 d 波片厚度为 nod o光在波片中的光程 ned e光在波片中的光程 no ne d 相位差 主截面 光程差 波片 波片 半波片 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 37 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 b 平面偏振光入射 o光 e光光强比 sin2 cos2 相位差 a 自然光入射 在任意两个垂直方向的分量无固定位相差 o光和e光无固定位相差 出射光为自然光 对于半波片 光轴 38 通过厚为d的晶片 o e光产生相位差 一般情形 从晶片出射的两束光合成为一束椭圆偏振光 5 6 3圆偏振光和椭圆偏振光的产生 a 线偏振光通过波片 39 且 b 线偏振光通过1 4波片 圆偏振光 线偏振光 波片厚度满足 椭圆偏振光 正椭圆 则出射光为圆偏振光 特例 当 40 c 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 自然光I0 光轴 波片 当 45 圆偏振光 一般为椭圆偏振光 41 例5 4一束圆偏振光 1 垂直入射到1 4波片上 求透射光的偏振态 2 垂直入射到1 6波片上 求透射光的偏振态 例5 5一单色自然光通过尼科尔棱镜N1 N2和晶片C 其次序如图示 N1的主截面水平 C对应于这波长的1 4波片 其主截面与竖直方向成30度 试问 1 在N1和C之间 C和N2之间 以及从N2透射出来的光各是什么性质的光 2 若入射光的强度为I0 则上述各部分的光的强度各是多少 注 此例最好放到偏振光干涉之后讲 计算波片厚度 i 1 4波片 ii 1 2波片 已知 例 42 5 7偏振态的实验检验 5 7 1补偿器 巴比涅补偿器 索累尔补偿器 43 5 7 2偏振态的检验 入射光 转动偏振片 I变 有消光 I不变 无消光 I变 无消光 线偏振光 圆偏振光或自然光 椭圆偏振光或部分偏振光 第一种情况 第二种情况 第三种情况 44 第二种情况 初始光束 转动偏振片 I变 有消光 I不变 线偏振光 圆偏振光或自然光 入射到1 4波片上 自然光 非偏振光 圆偏振光 45 初始光束 转动偏振片 I变 有消光 I变 无消光 线偏振光 椭圆偏振光或部分偏振光 入射到1 4波片 光轴平行于最大光强或最小光强方向放置 部分偏振光 线偏振光 自然光 部分偏振光 第三种情况 椭圆偏振光 46 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 47 5 8偏振光的干涉 5 8 1偏振光干涉装置和强度分布 A1o A2o P2 P1 C A1 A1e A2e 在P1后 在P2后 透振方向 48 干涉光强 波片引入的位相差 49 相消干涉 若单色光入射 且d不均匀 则屏上为等厚条纹 P1 P2在波片光轴的异侧 相长干涉 P1 P2在