第四章-光的偏振..

1 第四章光的偏振 2 4 1自然光和偏振光 线偏振光 自然光和部分偏振光 光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性 光的偏振证实光的横波性 偏振态 电场矢量在与光传播方向垂直的平面内的振动状态 线偏振光自然光部分偏振光圆偏振光椭圆偏振光 3 线偏振光 光的振动方向始终在一个平面内 自然光 没有哪一个方向振动更占优势 普通光源如太阳 烛焰 灯泡发出的光都是自然光 4 部分偏振光 介于线偏振光和自然光之间 部分偏振光可分解成两个振动方向互相垂直 振幅不等的线偏振光 光的偏振度 式中Imax Imin分别是与最大振幅和最小振幅相应的光强 5 圆偏振光和椭圆偏振光 迎着光观察 光矢量向左或向右匀速旋转光矢量大小不变 为圆偏振光 光矢量大小变化 为椭圆偏振光 按旋转的方向分为左旋和右旋 右旋对应顺时针方向 左旋对应逆时针方向 6 圆偏振光和椭圆偏振光可以看成是两个同频 振动方向相互垂直 并且有稳定的相位关系的线偏振光合成的结果 反之 任何一个圆偏振光和椭圆偏振光可以分解成两个同频 振动方向相互垂直 并且有稳定的相位关系的线偏振光 光传播方向 横平面 7 4 2起偏振器与检偏振器马吕斯定律 某些晶体 如电气石 存在一个方向 光矢量与之平行入射时被吸收很少 与之垂直入射时则被强烈的吸收 晶体的这一性质称为二向色性 相应的方向称为光轴 自然光入射 透射线偏振光 光轴方向 天然的电气石晶体很小 透光面积不大 8 偏振片 Polaroid 获得线偏振光的平面片状器件 1928年由一位19岁的美国大学生 E H LandatHarvardCollege 发明 二向色性的微小有机晶体 如碘化硫酸奎宁沉淀在聚乙烯醇薄膜或其它塑料膜内 在高温下拉伸 然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片 它有一个特定的方向 只让平行于该方向的振动通过 49mmPolarizerFilter 9 七对小电极的某一对充电后 其间的液晶失去螺状相 阻光 液晶显示器原理 10 11 马吕斯定律 线偏振光射到偏振片上 透过的线偏振光的强度遵从马吕斯定律 EtienneMalus1775 1812 12 利用偏振片 可以区分线偏振光 自然光和部分偏振光 起偏振器其实就是检偏振器 在线偏振光的光路中插入检偏器 检偏器旋转一周 光强两亮两暗 13 在自然光和圆偏振光的光路中插入检偏器 检偏器旋转一周 在光路中插入检偏器 屏上光强减半 检偏器旋转 屏上亮暗无变化 14 部分偏振光和椭圆偏振光的光路中插入检偏器 检偏器旋转一周 检偏器旋转一周 屏上光强两强两弱 15 根据上面的实验 检偏振器可以区分出线偏振光 但是无法区分自然光和圆偏振光 也无法区分部分偏振光与椭圆偏振光 关于自然光和圆偏振光 部分偏振光和椭圆偏振光的区分 以后讲解 PolarizerPuzzle 16 4 3反射和折射时的偏振 自然光在两种各向同性介质分界面上反射 折射时 反射光和折射光都是部分偏振光 反射光中垂直振动 s 多于平行振动 p 折射光中平行振动 p 多于垂直振动 s 布儒斯特角与入射角之和为90 当入射角等于某一特定角度iB时 反射光为线偏振光 其振动方向与入射面垂直 该角称为布儒斯特角 从空气到玻璃 从空气到水 17 反射和折射时的偏振现象以及布儒斯特定律 在理论上可以从电磁波在介质分界面上应满足的边界条件导出 反射光强 18 反射光的偏振态和入射光的偏振态 入射角和介质的折射率有关 举一特例 自然光入射 从光疏介质到光密介质 19 20 21 22 4 4散射光的偏振 光的散射现象 当阳光射入地球大气层时 遇到大气分子而被散射 在高空没有尘埃 故以分子散射 瑞利散射 为主 散射光的光强与入射光的波长四次方成反比 阳光所含的七种色中 紫 蓝光等的波长短 被分子散射强烈 而波长较长的橙光 红光等被散射较弱 在高空的散射光便以紫 蓝光等为主 综合的效果使天空呈蔚蓝色 尘粒和水滴的尺度一般大于等于可见光波长 这时的散射以米氏散射为主 米氏散射不遵从分子散射那样的散射规律而是遵从更复杂的规律 和波长没有明显的关系 阳光被散射后基本上仍为白光 比如白云 23 瑞利散射 瑞利散射适用于散射体的尺度比光的波长小 光作用在散射体上的电场可视为交变的均匀场 在入射光的激励下 分子感生电偶极矩 辐射为电偶极辐射 电偶极辐射 24 辐射光强 自然光散射强度 为辐射与入射光的夹角 25 瑞利散射和米氏散射的比较 26 散射引起的偏振 入射线偏振光散射时的偏振 27 自然光散射偏振 在垂直入射光方向的x y平面内 沿各方向的散射光都是线偏振光 在原入射光方向和其相反方向的散射光都仍是自然光 在其它方向的散射光为不同偏振度的部分偏振光 28 太阳光本身并不是偏振光 但当它穿过大气层 受到大气分子或尘埃等颗粒的散射后 便变成了部分偏振光 根据天空偏振光的图形 就可以确定太阳的位置 蜜蜂的偏光导航仪是在头部的复眼中 它的复眼是由6300只小眼组成的 每只小眼里有8个作辐射状排列的感光细胞 蜜蜂就是靠这些小眼来感受天空偏振光的 散射偏振光和导航 29 4 5双折射现象 30 o光 寻常光 遵守折射定律e光 非常光 不遵守折射定律 如垂直入射时折射角不为零所谓o光和e光 只在双折射晶体的内部才有意义 射出晶体以后 就无所谓o光和e光了 双折射光的偏振特点 双折射的两条光线都是线偏振光 转动方解石 e光绕着o光转动 31 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 天然方解石晶体是一六面棱体 每一面都是菱形 大角约为102o 小角约为78o 六面体中有两个相对的分别由三个钝角围成的顶角 连接这两个顶角 与连线平行的方向既是方解石光轴的方向 单轴晶体 只有一个光轴 如方解石 石英 的晶体双轴晶体 有两个光轴 如云母 硫磺 的晶体 32 主截面 光轴和晶体表面光入射点的法线组成的平面 主平面 晶体中光 o光或e光 的传播方向与晶体光轴构成的平面 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 当o光和e光的主平面相互平行时 两光的振动互相垂直 说明 当入射面和主截面重合一致时 e光的偏折依然在入射面内 当入射面和主截面不一致时 则e光射线就可能不在入射面内 o光的偏折总在入射面内 33 寻常光 o光 1 振动面垂直与自己的主平面的线偏振光 2 符合折射定律和反射定律 3 沿各个方向折射率相同 no 传播速度相同 非常光 e光 振动面平行于自己的主平面的线偏振光 一般不符合折射定律 在垂直于光轴的方向传播时符合折射定律 沿不同的方向折射率不同 传播速度不同 沿光轴的方向折射率和速度为no 与o光相同 沿垂直于光轴的方向的折射率称为ne no和ne成为晶体的主折射率 34 4 6惠更斯作图法 单轴晶体中的波面 2 回转椭球面外切于球面 ne no的晶体 称为正晶体 如石英 1 回转椭球面外切于球面 ne no的晶体 称为负晶体 如方解石 单轴晶体可分为两类 o光的波面是球面 e光的波面是回转椭球面 两者相切 相切的方向就是光轴 35 几种单轴晶体的主折射率和双折射率 双轴晶体的波面形状更为复杂 36 光在晶体内传播的波面 O xyz是方解石晶体内的三维坐标 t 0时刻自原点发出的光振动 在t t时刻 o光振动传到以v0t为半径的球面上 因此 o光的波面图是球面 e光波面图是长轴为vet 短轴为vot 在光轴方向上外切球面的椭球面 负晶体 37 正晶体 38 用惠更斯作图法确定光在晶体中的传播 惠更斯作图法要点 1 根据给定情况 作出光在介质1中的波面AB 2 在A点作光在介质2中的次波波面 次波波面的半径R满足 3 由C作次波波面的共切面DC 它就是折射波的波面 4 由A通过切点D作直线AD 它就是折射光线 39 空气 晶体 用惠更斯作图法确定光在晶体中的传播方向 例题1 负晶体方解石 光轴 以入射点为中心 以1 no为半径作圆 以1 no为短轴 1 ne为长轴作椭圆 40 空气 晶体 例题2 方解石 光轴 以AC no为半径作圆 以AC no为短轴 AC ne长轴 作椭圆 41 空气 晶体 光轴 以AC no为半径作圆 以AC ne为半径作圆 42 空气 方解石 光轴 晶体 例题4 43 4 7偏振棱镜 尼科耳棱镜 加拿大树胶 对钠黄光的折射率为1 55 介于方解石的ne 1 486和no 1 658之间 进入晶体发生双折射 44 o光发生全反射 被底面的吸收层吸收 e光不发生全反射 最后射出棱镜 尼科耳棱镜 输入自然光 输出线偏振光 尼科耳棱镜对入射的自然光的汇聚程度有一定的限制 上下不超过140 上面斜向下超过140 e光会发生全反射 下面斜向上超过140 o光不发生全发射 o光e光都透过尼科耳棱镜 45 格兰 汤普森棱镜 单色自然光 线偏振光 光轴 方解石 加拿大树胶 e光 o光 涂黑 46 4 8波片和补偿器 波片 波片 也称相位延迟器 是由晶体制成的有准确厚度的薄片 其光轴与薄片表面平行 e光 o光 光轴 光轴 当光垂直通过波片时 在波片内分解为o光e光 因在晶体内垂直于光轴传播 所以o光e光的传播速度不同 传播到波片的后表面 o光e光就有了附加的相位差 47 e光 o光 光轴 平行光轴的振动进入波片成为e光 通过晶片后的相位为 垂直光轴振动的o光通过晶片后的相位为 它们通过波片后的相位差 若 表示o光落后 若 表示o光超前 48 1 全波片 入射偏振光通过全波片后不改变其偏振态 2 二分之一波片 入射线偏振光经过二分之一波片后仍为线偏振光 但改变象限 49 3 四分之一波片 线偏振光透过 4后 可成为椭圆偏振光或圆偏振光 50 当椭圆偏振或圆偏振光入射到 4片后 出射光可以转变为线偏振光 51 补偿器 补偿器 能任意改变光程差的器件 经过补偿器后两偏振光之间的相位差 索列尔补偿器 TheSoleilcompensator 光轴 光轴 52 偏振光的检验 实际中需要对接收到的光进行检验 以确定它的偏振状态 4片不仅可以用来产生圆偏振或椭圆偏振光 它们也是检验圆偏振光和椭圆偏振光的重要器件 利用波片和检偏振器区分五种偏振态 53 54 4 9偏振光的干涉 单色偏振光的干涉 在晶体的内部 o光和e光的波速并不相同 透过晶片后 它们频率相同 有固定的相位差 但振动方向垂直 e光 o光 光轴 设晶体的光轴与表面平行 线偏振光垂直入射 如果在晶片后再放一块偏振片 把振动方向引到同一方向 就可以产生偏振光的干涉 55 1 两个偏振片的偏振化方向互相垂直 即 偏振片1 偏振片2 波片 自然光 o光和e光透过第二块偏振片的振幅 它们的相位差 晶体双折射 投影取向相反 56 透过第二个偏振片的两束线偏振光是相干的 透射光的强度取决于 此外 透射光的强度还取决于相干光束本身的强度 在正交偏振片之间旋转晶片一周 一般会有四个消光位置 四个强度极大位置 57 2 两个偏振片的偏振化方向互相平行 即 o光和e光透过第二块偏振片的振幅 一般情况下 在正交偏振片之间旋转晶片一周 与两个偏振片垂直时的亮暗互补 58 4 10人为双折射 光测弹性 Photoelasticity 1816年布儒斯特发现正常情况下各向同性的透明物质在应力作用下可变为光学上各向异性的 这一现象称为光测弹性或应力双折射 在应力作用下 材料具有正或负单轴晶体的性质 两种情况下 等效光轴都沿应力的方向 双折射效应正比于应力 若作用在材料上的应力不均匀 对应的双折射效应也不相同 使用白光 在正交偏振片下 在施加应力的介质内可以看到复杂的彩色干涉条纹 59 在构件上施加一定拉力和压力 介质内部形成一定的应力分布 介质变成各向异性 产生双折射 在一定的应力范围里 双折射率 n与应力成正比 n的空间分布反映在偏振光的干涉条纹花样 由相似原理换算出实际应力 构件做成模型 置于光场中 测定模型应力值 偏振片1 偏振片2 自然光 构件 60 有些透明的各向同性介质 在加工过程中有残存的应力 也会产生双折射 61 电场引起的双折射 电光效应 electro opticeffect 在外加电场作用下 某些原本各向同性的物质变成各向异性 表现出光学双折射现象 或者某些原本为单轴的晶体变为双轴晶体 1 克尔效应 平方电光效应 第一个电光效应是苏格兰物理学家JohnKerr在1875年报告的 在强电场作用下的玻璃板具有双折射效应 后来人们发现许多物质包括气体都有这种电光效应 只不过通常情况下气体或固体的克尔效应没有液体那么明显 62 外加电场破坏了溶液的各向同性 产生双折射 等效的光轴方向平行于电场方向 造成一定的折射率差 63 当电压在此值与零值间变换时 克尔盒 Kerrcell 可使光路通 断 故可用作电光开关 若克尔盒的电极与调制信号电压相接 则通过P2的光强将随信号电压的变化而改变 这时的克尔盒就是一个光调制器 由于克尔效应几乎没有延迟时间 随外电场变化的响应时间极短 可达10 9s 因此可制成高速光闸和光调制器等 用于高速摄影 电影电视以及激光通讯等领域 经过长度为l的电场区 克尔效应产生的附加相位差为 当电场为零时 透过的光强为零 当电场满足 透过的光强最大 此时的电压称为半波电压 d为平行极板的间距 64 2 泡克耳斯效应 Pockelseffect 透明电极加在单轴晶体两端 光沿光轴方向传播 光轴与电场平行 P1 P2 不加电场时 无双折射 泡克耳斯效应实验装置 加电场 晶体变双轴晶体 原光轴方向附加了双折射效应 泡克耳斯效应产生的 n正比于外加电场 65 经过长度为l的电场区 泡克耳斯效应产生的附加相位差为 磷酸二氢钾 KH2PO4 简称KDP 磷酸二氢胺 NH4H2PO4 ADP 等单晶都具有线性电光效应 时 P2透光最强 相应的电压成为半波电压 例如KDP晶体对于 546nm的绿光 no 1 51 10 6 1012m V 时 半波电压V 7600V 这比克尔盒要求的电压低得多 泡克尔斯效应的开关响应时间也极短 一般小于10 9s 可用作超高速开