第五篇波动光学.ppt

三 光的偏振 17 13自然光和偏振光 光波是电磁波 电磁波中起光作用的是电场矢量 光矢量 偏振态 光矢量的振动状态 五种偏振态 自然光 线偏振光 部分偏振光 椭圆偏振光 圆偏振光 1 自然光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 2 线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 3 部分偏振光 在垂直于光传播方向的平面内 各方向都有光振动 但振幅不等的光 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 4 圆偏振光和椭圆偏振光 椭圆偏振光 矢量端点轨迹为椭圆圆偏振光 矢量端点轨迹为圆 17 14起偏与检偏马吕斯定律 一 起偏与检偏偏振片 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 利用偏振片检验光线的偏振化程度 称为检偏 自然光通过偏振片后变为线偏振光 称为起偏 起偏 检偏 二 马吕斯定律 马吕斯定律 a 900或a 2700时 I 0光强最弱 检偏 例1 两平行放置的偏振片 偏振化方向成300角 自然光垂直入射后 透射光与入射光的强度之比为多少 分别讨论无吸收和10 的吸收的情况 解 无吸收时 根据马吕斯定律 10 吸收时 例2 强度分别为I1 I2的自然光和线偏振光同时垂直入射于偏振片P1 在E处观察通过偏振片P2后的光强 1 P1任意放置后不动 将P2以光线方向为轴转动一周 计算并讨论在E处所观察的光强变化情况 2 要在E处得到最大光强 应如何实现 解 设P1 P2的偏振化方向夹角为 入射线偏振光振动方向与P1偏振化方向夹角为 对自然光 线偏振光 因I1 和I2 是非相干光 即在E处观察到的光强随P2的转动而周期性变化 时 时 在E处得到最大光强 须同时满足 则 17 15反射和折射时光的偏振 一 部分偏振现象 自然光在两各向同性媒介分界面上反射和折射时 反 折射光均成为部分偏振光 特点 反射光垂直入射面的振动较强 折射光反之 二 布儒斯特定律 1812年布儒斯特发现 当入射角为某特定值时 反射光为振动方向垂直于入射面的线偏振光 此时有 由折射定律 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 反射光光强较弱 折射光较强 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 例3 将一介质平板放在水中 板面与水平面的夹角为 如图 已知折射率n水 1 333 n介质 1 681 要使水面和介质面反射光均为线偏振光 求 解 如图所示 根据布儒斯特定律 又 17 16光的双折射现象 一 双折射现象 o光 e光 寻常光 o光 遵守折射定律非常光 e光 不遵守折射定律 当方解石晶体旋转时 o光不动 e光围绕o光旋转 二 双折射光的偏振特点 1 概念光轴 光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双折射现象 这一方向称为晶体的光轴 只有一个光轴 如方解石 石英 的晶体为单轴晶体 有两个光轴 如云母 硫磺 的晶体为双轴晶体 主截面 光轴和晶体表面法线组成的平面 主平面 某一光线 o光或e光 与光轴组成的平面 光轴 o光 e光 一般情况下 e光不一定在入射面内 o光和e光的主平面并不重合 主截面 o光主平面 e光主平面 o光和e光均为线偏振光 2 特点 o光的振动方向垂直于它自己的主平面 e光的振动方向平行于它自己的主平面 当入射面是晶体的主截面时 o光和e光的主平面重合 此时o光与e光的振动方向相互垂直 三 双折射现象的解释 原因 o光在晶体内的速度是各向同性的 而e光却是各向异性的o光 子波波面为球形面 e光 子波波面为旋转椭球面 正晶体 负晶体 惠更斯原理解释 四 尼科尔棱镜 一 椭圆偏振光和圆偏振光的获得 17 17椭圆和圆偏振光波片 o光和e光同频率 振动方向垂直 但无固定的位相差 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 穿过d厚度后 o光和e光得光程差为 当D kp时 轨迹为一条直线 此时椭圆偏振光退化为线偏振光当D kp时 轨迹为一椭圆 位相差为 讨论 当D kp p 2时 轨迹为正椭圆偏振光 若Ae Ao 轨迹为圆偏振光 此时q 450 二 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光光程差为l 4的晶片 即 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 或 位相差为的两相互垂直谐振动的合成 经波片 产生位相差 正椭圆 圆 透射时 三 二分之一波片 二分之一波片 l 2波片 晶体厚度恰能使o光和e光光程差为l 2的晶片 即 线偏振光通过l 2波片后仍为线偏振光 但振动方向与原方向相比转过2q角 讨论 圆偏振光通过l 2波片后仍为圆偏振光 但转动方向与原来的相反 四 偏振光的检验 方法 第一步 让光通过检偏器 并让检偏器旋转一周 则 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 光强始终不变 第二步 区别自然光与圆偏振光 部分偏振光与椭圆偏振光 圆偏振光和椭圆偏振光 由两个有确定位相差的相互垂直的光振动合成而成 自然光和部分偏振光 不同振动面上的光振动彼此独立 即两个相互垂直的振动之间没有恒定的位相差 基本方法 在检偏器前加一块l 4波片 区别自然光和圆偏振光 区别部分偏振光和椭圆偏振光 l 4波片的光轴方向平行于椭圆偏振光的长轴或短轴 经l 4波片后椭圆偏振光变为线偏振光 可根据光强的变化进行区别 一 偏振光干涉原理 17 18偏振光的干涉 经晶片 o光和e光的位相差为 振动方向垂直 位相差固定 振幅为 经检偏器 o光和e光都沿检偏器的偏振化方向振动 但振幅矢量方向相反 附加位相差 满足相干条件 振幅为 振幅相等 两相干偏振光总的位相差为 讨论 D 2kp或 no ne d 2k 1 l 2 D 2k 1 p或 no ne d kl 干涉极大 视场最亮 干涉极小 视场最暗 白光入射则出现色彩 色偏振 晶片厚度不均匀时 出现干涉条纹 二 人工双折射 各向同性非晶体在人为条件下 变为各向异性而产生的双折射现象 1 光弹性效应 在机械力作用下产生的双折射现象 实验表明 k 比例系数