第十四章-光学-偏振.ppt

14 18偏振光的干涉及应用 14 17光的双折射现象 14 16反射和折射时光的偏振 14 15自然光和偏振光光的横波性质马吕斯定律 14 19全息照相简介 光波是一种电磁波 传播方向 能够引起感光作用和生理作用的是电场矢量 电振动 磁振动和光传播方向的相互关系 14 15自然光和偏振光光的横波性质马吕斯定律 电磁波是变化电场和变化磁场的传播过程 电场矢量 称为光矢量 矢量的振动称为光振动 1 自然光各方向上光振动的振幅相等的光 自然光所有光矢量都分 一 自然光和偏振光 两分量大小一般不等 各方向光振动振幅相等 x 传播方向 y 传播方向 所有光矢量的分量叠加综合效果 每一光矢量都可分解 振动方向相互垂直的分振动 则可表示为两个振幅相等 解到相互垂直的这两个方向 2 线偏振光 传播方向 传播方向 传播方向 传播方向 3 部分偏振光 只在一个固定方向有光振动 两方向的振幅不等 但是所有光矢量都分解到两相互垂直的方向后 所有各方向都有光振动 4 自然光 线偏振光和部分偏振光的图像表示 振动垂直纸面的线偏振光 振动平行纸面的线偏振光 平行纸面的光振动较强的部分偏振光 垂直纸面的光振动较强的部分偏振光 自然光各方向振动强度相同 5 圆偏振光和椭圆偏振光 在垂直光传播方向的平面内 光矢量按一定频率旋转 左旋或右旋 光矢量端点的轨迹为圆是圆偏振光 光矢量端点的轨迹为椭圆是椭圆偏振光 从振动的合成知 圆偏振光或椭圆偏振光是由两个振动方向相互垂直 具有一定相位差的分振动合成 本书只涉及线偏振光和部分偏振光 绳上横波通过狭缝显示出横波特性 二 起偏和检偏光的横波性质 狭缝与振动同方向 狭缝与振动方向垂直 把自然光变为偏振光的装置称为起偏器 自然光不能显示光的横波特性 偏振片 其他方向的光振动 自然光 线偏振光 偏振化方向 一些天然晶体和人造薄膜可以把自然光变为 偏振光 称为偏振片 允许光振动通过的方向称为偏振片的偏振化方向 偏振片仅容许某一特定方向的光振动通过而吸收 电气石晶片 偏振眼镜 旋转偏振片 可以检测入射光的偏振特性 两偏振片偏振化方向平行 两偏振片偏振化方向垂直 偏振片作为起偏器 也能检测入射光的偏振特性 即作为检偏器 此时无透射光 如果透射光强有两个位置等于零 当偏振片以光线为轴转动时 检偏方法与结果判断 如果透射光强恒为入射光光强的一半 如果透射光强周期性变化 入射光是自然光 入射光是偏振光或部分偏振光 入射光为全偏振光 线偏振光 光的横波性纵波的振动方向与传播方向相同 因而纵波有绕传播方向的对称性 横波的振动方向与传播方向垂直 没有绕传播方向的对称性 自然光 在一切方向上都有光振动 产生了绕传播方向的对称性 掩盖了光波的横向振动的本性 可用前面讨论过的装置考察光的横波性 图中用起偏器获得偏振光 检偏器旋转时可看到视场中光强的明暗变化 表明只有在光振动矢量的振动方向与检偏器的偏振化方向相同时 光矢量才允许通过 因而光波没有绕传播方向的对称性 证实光是横波 三 马吕斯定律 光强为I0的线偏振光入射到偏振片 光振动的分解 透射光的光强为 若振动方向与偏器片的偏振化方向间的夹角是 透射光强最大 透射光强为零 自然光通过偏振片 例两个偏振片叠在一起 在它们的偏振化方向成 1 30 时 观测一束单色自然光 又在 2 45 时 观测另一束单色自然光 若两次观测得的透射光强度相等 求两次入射自然光的强度之比 解 当自然光在两种介质分界面上反射 折射时 通常反射光 折射光 14 16反射和折射时光的偏振 会发生偏振现象 可以是全偏振光 在一定条件下反射光 都是部分偏振光 反射光和折射光 反射光为全偏振光 i0称为起偏角 布儒斯特角 布儒斯特定律 即满足 当入射角等于特定值i0 与入射角i有关 偏振化程度 反射光线与折射光线垂直 光从空气射向玻璃时 可以证明 当入射角等于全偏振角i0时 自然光以全偏振角从空气射向普通玻璃 为了增大折射光的偏振化程度 可使用玻璃片堆 入射光中垂直振动的能量只有约15 被反射 照相机偏振镜的应用 未加偏振镜 强反射景象 加偏振镜后 获透射景象 入射光经各向异性介质 一 双折射现象 二 寻常光和非常光 非常光 e光 寻常光 o光 14 17光的双折射现象 等 折射后分成两束的现象 石英晶体 方解石晶体 折射率为常数 其折射光线总在入射面内 折射光线遵守折射定律 折射率不为常数 其折射线不一定在入射面内 折射光线不遵守折射定律 三 光轴主平面主截面 光轴 产生双折射的原因 此方向称为晶体的光轴 与非寻常光传播速度相等 沿晶体中某方向寻常光 而非常光的传播速度随方向而变化 寻常光沿晶体中各个方向的传播速度相同 单轴晶体只有一个光轴的晶体 双轴晶体有两个光轴的晶体 主平面晶体中光的传播方向 主截面晶体表面法线 入射光 主平面 主截面 与晶体光轴构成的平面 与晶体光轴构成的平面 o光与e光的 实验表明 o光 光轴 o光的主平面 e光 光轴 e光的主平面 o光的振动方向垂直于自己的主平面 e光的振动平行于自己的主平面 o光和e光都是线偏振光 当入射光的入射面和晶体的主截面重合时 振动方向相互垂直 主平面相重合 四 正单轴晶体 负单轴晶体 ve为e光在垂直于光轴方向上的传播速度 c为真空中的光速 则 设vo为o光传播速度 o光沿各个方向的传播速度都相同 e光在晶体内形成的子波波振面 o光在晶体内形成的子波波振面是球面 e光沿各个方向传播的速度不相同 是以光轴为轴的旋转椭球面 用作图法可以确定o光和e光在晶体内的传播方向 光轴平行晶体表面 自然光垂直入射 o e光在传播方向上虽相同 但速度不相等 光轴 o光 e光 五 惠更斯原理在双折射现象中的应用 以方解石为例 光轴平行晶体表面 且垂直入射面 自然光斜入射 光轴与晶体表面斜交 自然光垂直入射 此时e光的波面不再与其波射线垂直了 格兰 汤普森棱镜由两块光轴平行于底面的方解石直角棱镜组成 两棱镜的斜面相对胶合在一起 胶的折射率大于ne 小于no 同时令 角大于o光在胶合面上的临界角 六 格兰 汤普森棱镜 一 椭圆偏振光和圆偏振光 14 18偏振光的干涉及其应用 线偏振光射向晶片C后 在晶体内分成o光 e光 相应的相位差为 则 且 所以 若 合成光为线偏振光 合成光为直椭圆偏振光 合成光为斜椭圆偏振光 合成为圆偏振光 1 4波片 二 波片 波片是厚度均匀 光轴与表面平行的晶体薄片 能使o光 e光出射时产生 2k 1 2的相位差 因为 所以 说明 一束偏振光通过1 4波片后 出射的偏振状态由 线偏振光振动方向与波片光轴的夹角 确定 当 0 或90 时 出射线偏振光 当 45 时 出射圆偏振光 为其他值时 出射光为椭圆偏振光 椭圆偏振光 圆偏振光 经1 4波片后 变为线偏振光 如图 线偏振光通过半波片后 出射光仍为线偏振光 但其振动方向却移过2 角 1 2波片 能使线偏振光出射时的两束线偏振光产生 2k 1 的相位差 这样的波片称为1 2波片 单色自然光经P1后成为线偏振光 通过C后 又成为两束不相干的线偏振光 再经P2后 就成为频率相同 振动方向相同而相位差恒定的相干光 从而产生偏振光干涉 三 偏振光的干涉 通过P2两束相关光的振幅分别为产生o光 e光 两束光在晶体P2中产生的相位差 通过P1产生o光 e光 由于A1o与A2e方向相反 产生附加相位差 说明 在偏振光干涉中 屏幕上的明暗由晶体厚度d决定 对一定波长的入射光来说 用白光进行实验时在晶体中厚度均匀的情况下 屏上出现一定色彩合成的混合色 这称为显色偏振 四 光弹效应 应力双折射效应 应力 各向异性 v各向不同 n各向不同 介质可由各向同性变为各向异性 产生双折射 这种现象称为光弹性效应 在机械应力作用下 各处不同 变导致改变 引起干涉情况变 在一定应力范围内 导致各处不同从而出现干涉条纹 加外力前 加外力后 五 旋光现象 当一束完全偏振光通过旋光物质时 其振动面会旋转一定角度 这种现象称为旋光现象 其中 a为旋光率 测定糖浓度的糖量计就是据此原理制成的 实验证明 旋光物质对线偏振光振动面的旋转角度 对于有旋光性的液体 与液体的浓度c成正比 与在物质中通过的距离成正比 六 克尔效应与泡克耳效应 由于弛豫时间短 10 9s 可以作为高速光闸 用途 且o光与e光的折射率之差满足 克尔效应 某些液体在外加电场E的作用下出现双折射现象 且o光与e光的折射率之差满足 泡克耳效应 某些晶体在外加电场E的作用下出现双折射现象 七 磁旋光效应 当一束线偏振光照射在被磁化的界面上 其反射光或透射光的偏振面发生旋转 这种效应称为磁旋光效应 一 全息照片的拍摄 14 19全息照相简介 在显微镜下才能看见的干涉条纹的全息图 底片