大学物理课件15光的偏振

第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2018-6-61 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2018-6-62 一、光的偏振性一、光的偏振性 1、横波和纵波的区别、横波和纵波的区别偏振偏振 纵波：振动方向与传播方向一致，不存在偏振问题；纵波：振动方向与传播方向一致，不存在偏振问题； 横波：振动方向与传播方向垂直，存在偏振问题。横波：振动方向与传播方向垂直，存在偏振问题。 定义：定义：振动方向对振动方向对 于传播方向的不对于传播方向的不对 称性称为偏振性。称性称为偏振性。 说明：说明：只有横波才只有横波才 具有偏振现象，偏具有偏振现象，偏 振现象是横波区别振现象是横波区别 于纵波的最明显的于纵波的最明显的 特征。特征。 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2018-6-63 2、光的偏振性：、光的偏振性： 对于平面电磁波，电场强度矢对于平面电磁波，电场强度矢 量量光矢量的振动方向与传光矢量的振动方向与传 播方向垂直。播方向垂直。 H HES E 光矢量的振动方向总是与光的传播方向垂直的，即光光矢量的振动方向总是与光的传播方向垂直的，即光 矢量的横向振动状态，相对于传播方向不具有对称性，矢量的横向振动状态，相对于传播方向不具有对称性， 这种这种光矢量的振动相对于传播方向的不对称性，称为光矢量的振动相对于传播方向的不对称性，称为 光的偏振性光的偏振性。 光的偏振性说明光波是横波光的偏振性说明光波是横波 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2018-6-64 二、偏振态的分类二、偏振态的分类 1、自然光、自然光 各个方向上光振动振幅相同的光，称为各个方向上光振动振幅相同的光，称为自然光自然光。 特点：特点： 在所有可能的方向上，光矢量的振幅都相等；在所有可能的方向上，光矢量的振幅都相等； 自然光可分解为振动方向相互垂直但取向任意的两个线偏振光，自然光可分解为振动方向相互垂直但取向任意的两个线偏振光， 它们振幅相等，没有确定的相位关系，各占总光强的一半。它们振幅相等，没有确定的相位关系，各占总光强的一半。 自然光的表示方法：圆点与短线等距离地交错、均匀地画出。自然光的表示方法：圆点与短线等距离地交错、均匀地画出。 . u u x y 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2018-6-65 2、线偏振光、线偏振光 定义：在垂直于传播方向的平面内，定义：在垂直于传播方向的平面内， 光矢量只沿某一个固定方向振动，光矢量只沿某一个固定方向振动， 则称为则称为线偏振光线偏振光，又称为，又称为平面偏振平面偏振 光光或或线偏振光线偏振光。 3、部分偏振光、部分偏振光 定义：光波中不同方向上的光定义：光波中不同方向上的光 振动振幅不等，在某一方向上振动振幅不等，在某一方向上 振幅最大，而与之垂直的方向振幅最大，而与之垂直的方向 上的振幅最小，则称为上的振幅最小，则称为部分偏部分偏 振光振光。 特点：部分偏振光两垂直方向特点：部分偏振光两垂直方向 光振动之间无固定的相位差。光振动之间无固定的相位差。 偏振光的表示法偏振光的表示法 部分偏振光的表示法部分偏振光的表示法 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 椭圆偏振光：椭圆偏振光：光矢量末点的运动轨迹是正椭圆或斜椭圆。光矢量末点的运动轨迹是正椭圆或斜椭圆。 在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为 左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为右旋偏振光。左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为右旋偏振光。 圆偏振光圆偏振光 线偏光线偏光 2018-6-66 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2018-6-67 按照光的偏振状态不同，总共可分为五大类：按照光的偏振状态不同，总共可分为五大类： 自然光自然光 线偏振光线偏振光 部分偏振光部分偏振光 圆偏振光圆偏振光 椭圆偏振光椭圆偏振光 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 I ? P 待检光待检光 u 思思 考考 I I 不变不变待检光是什么光待检光是什么光 I I 变，有消光变，有消光待检光是什么光待检光是什么光 I I 变，无消光变，无消光待检光待检光是什么光是什么光 2018-6-68 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2018-6-69 三、偏振片三、偏振片 起偏和检偏起偏和检偏 1、基本概念、基本概念 普通光源发出的是自然光，用于从自然光中获得偏振光普通光源发出的是自然光，用于从自然光中获得偏振光 的器件称为的器件称为起偏器起偏器。 人的眼睛不能区分自然光与偏振光，用于鉴别光的偏振人的眼睛不能区分自然光与偏振光，用于鉴别光的偏振 状态的器件称为状态的器件称为检偏器检偏器 2、偏振片、偏振片 是一种人工膜片，对不同方向的光振动有选择吸收的性能，是一种人工膜片，对不同方向的光振动有选择吸收的性能， 从而使膜片中有一个特殊的方向，当一束自然光射到膜片从而使膜片中有一个特殊的方向，当一束自然光射到膜片 上时，与此方向垂直的光振动分量完全被吸收，只让平行上时，与此方向垂直的光振动分量完全被吸收，只让平行 于该方向的光振动分量通过，即只允许沿某一特定方向的于该方向的光振动分量通过，即只允许沿某一特定方向的 光通过的光学器件，叫做光通过的光学器件，叫做偏振片偏振片。这个特定的方向叫做。这个特定的方向叫做偏偏 振片的偏振化方向振片的偏振化方向，用，用“ ”表示。表示。 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2018-6-610 3、起偏器、起偏器 自然光通过偏振片后成为线偏振光，线偏振光的振动方向自然光通过偏振片后成为线偏振光，线偏振光的振动方向 与偏振片的偏振化方向一致。与偏振片的偏振化方向一致。 4、检偏器、检偏器 用来检验某一束光是否偏振光。用来检验某一束光是否偏振光。 方法：转动偏振片，观察透射光强度的变化。方法：转动偏振片，观察透射光强度的变化。 自然光：自然光：透射光强度不发生变化透射光强度不发生变化 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2018-6-611 线偏振光：线偏振光：透射光强度发生变化，可以完全消光。透射光强度发生变化，可以完全消光。 部分偏振光：部分偏振光：偏振光通过偏振片后，在转动偏振片的过程偏振光通过偏振片后，在转动偏振片的过程 中，透射光强度发生变化。但不能完全消光。中，透射光强度发生变化。但不能完全消光。 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2018-6-612 四、马吕斯定律四、马吕斯定律 马吕斯马吕斯 ( Etienne Louis Malus 1775-1812 ) 法国物理学家及军事工程师。出法国物理学家及军事工程师。出 生于巴黎。生于巴黎。 1808年发现反射光的偏振，确定年发现反射光的偏振，确定 了偏振光强度变化的规律；了偏振光强度变化的规律； 1810年被选为巴黎科学院院士，年被选为巴黎科学院院士， 曾获得过伦敦皇家学会奖章。曾获得过伦敦皇家学会奖章。 1811年，他发现折射光的偏振。年，他发现折射光的偏振。 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2018-6-613 1、马吕斯定律的内容、马吕斯定律的内容 强度为强度为I0的偏振光，通过检偏的偏振光，通过检偏 器后，透射光的强度为：器后，透射光的强度为： I=I0 cos2 其中其中为检偏器的偏振化方为检偏器的偏振化方 向与入射偏振光的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方 向之间的夹角。向之间的夹角。 A I I0 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2018-6-614 为线偏光的光振动方向为线偏光的光振动方向OM与检偏器透振方向与检偏器透振方向ON间的夹角。间的夹角。 0 A O M N cos 0 AA 2 2 0 2 0 cos A A I I 0 I 2 0 I M o 一束光强为一束光强为I0的自然光透过检偏器，透射光强为的自然光透过检偏器，透射光强为I0 /2 2、解释、解释 I=I0 cos2 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 【例例15.1】光强为光强为I0的一束自然光，连续垂直经过两块理想的的一束自然光，连续垂直经过两块理想的 偏振片，如果这两块偏振片的偏振化方向夹角为偏振片，如果这两块偏振片的偏振化方向夹角为30，45和和 60，试分别求出上述各种情况下的透射光的强度。，试分别求出上述各种情况下的透射光的强度。 2 0 2 1 cosII 0 2 0 8 3 30 2 1 30III cos时 0 2 0 4 1 45 2 1 45III cos时 0 2 0 8 1 60 2 1 60III cos时 2018-6-615 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2018-6-616 3、讨论、讨论 当检偏器以入射光为轴转动时，透射光强度将有变化。当检偏器以入射光为轴转动时，透射光强度将有变化。 起偏器与检偏器偏振化方向平行时：起偏器与检偏器偏振化方向平行时：=0 =0 或或=，I=I0， 透射光强度最大；透射光强度最大； 起偏器与检偏器偏振化方向垂直时：起偏器与检偏器偏振化方向垂直时：=/2 =/2 或或=3/2=3/2， I=0，透射光强度最小；，透射光强度最小； 为其它角度时，透射光的强度介于为其它角度时，透射光的强度介于0I0之间。之间。 马吕斯定律是对偏振光的无吸收而言的，对于自然光并不成马吕斯定律是对偏振光的无吸收而言的，对于自然光并不成 立。若是自然光立。若是自然光I0，通过偏振片后，通过偏振片后，II0/2，偏振片在这里实，偏振片在这里实 际上起着起偏器的作用。际上起着起偏器的作用。 当两个偏振片互相垂直时，光振动沿第一个偏振片偏振化方当两个偏振片互相垂直时，光振动沿第一个偏振片偏振化方 向的线偏振光被第二个偏振片完全吸收，出现所谓的消光现象。向的线偏振光被第二个偏振片完全吸收，出现所谓的消光现象。 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2 12 cosII 3 p 1 p 0 I 0 I 1 I 3 p 2 p 1 p 2 I 3 I 2 p 3 p 1 p 01 2 1 II 2 0 cos 2 I 在两块正交偏振片在两块正交偏振片 之间插入另一块偏之间插入另一块偏 振片振片 ，光强为，光强为 的自然光垂直入射于偏振片的自然光垂直入射于偏振片 ， 讨论转动讨论转动 透过透过 的光强的光强 与转角的关系与转角的关系 .I 31 p,p 2 p 2 p 3 p 0 I 1 p 讨论讨论 2018-6-617 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 ) 2 (cos2 23 II 2 0 2 cos 2 I I 22 0 2 23 sincos 2 1 sinIII 2sin 8 1 2 03 II 若若 在在 间变化，间变化， 如何变化如何变化？20 3 I 0 2 3 2 0 2 3 I k , , , , 84 7 4 5 4 3 4 2 2 0 3 I I k , , , , 0 I 1 I 3 p 2 p 1 p 2 I 3 I 2 p 3 p 1 p 每旋转偏振片每旋转偏振片P一周，输出光强有一周，输出光强有“四明四零四明四零”。 2018-6-618 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2018-6-619 附、偏振光的应用附、偏振光的应用 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2018-6-620 15.2.2 反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振 一、反射光和折射光的偏振一、反射光和折射光的偏振 自然光在两种各向同性介质的自然光在两种各向同性介质的 分界面上反射和折射时，不但光分界面上反射和折射时，不但光 的传播方向要改变，而且光的偏的传播方向要改变，而且光的偏 振状态也要改变，所以反射光和振状态也要改变，所以反射光和 折射光都是部分偏振光。折射光都是部分偏振光。 i n1 n2 在一般情况下，反射光是在一般情况下，反射光是 以垂直于入射面的光振动为以垂直于入射面的光振动为 主的部分偏振光；折射光是主的部分偏振光；折射光是 以平行于入射面的光振动为以平行于入射面的光振动为 主的部分偏振光主的部分偏振光。 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 由由 i 0 0 布儒斯特角布儒斯特角或或 起偏角起偏角i0 0 + +r0 0 = 90 = 90O O 020201 cossinsininrnin 有有布儒斯特定律布儒斯特定律 (1812(1812年年) ) 21 1 2 0 tgn n n i i = = i0 0 时，反射光 时，反射光成为振动方向垂直于成为振动方向垂直于 入射面的完全偏振光。入射面的完全偏振光。 n1 n2 i i r 自然光反射和折射自然光反射和折射 后产生部分偏振光后产生部分偏振光 n1 n2 i0 i0 r0 线偏振光线偏振光 S 起偏振角起偏振角 二、布儒斯特定律二、布儒斯特定律 2018-6-621 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 【例例15.2】一束太阳光，以某一入射角射到平面玻璃上，一束太阳光，以某一入射角射到平面玻璃上， 这时反射光为完全偏振光，折射光的折射角这时反射光为完全偏振光，折射光的折射角320，试问：，试问： （1 1）太阳光的入射角是多少？）太阳光的入射角是多少？ （2 2）玻璃的折射率是多少？）玻璃的折射率是多少？ 6 .158tan tan sin sin )2( 0 2 1 2 0 1 2 0 0 n n n i n n r i 000 0 583290)1( i 2018-6-622 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的 7.4%，而约占，而约占85%的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。 p i 1.5 1.5 1.5 1.0 1.0 1.0 1.0 在玻璃片下表面处的反射，其入射角在玻璃片下表面处的反射，其入射角33.70也正是光从玻璃射向也正是光从玻璃射向 空气的起偏振角，所以反射光仍是垂直于入射面振动的偏振光。空气的起偏振角，所以反射光仍是垂直于入射面振动的偏振光。 为了增加折射光的偏振化程度，可采用玻璃片堆的办法。为了增加折射光的偏振化程度，可采用玻璃片堆的办法。 一束自然光以起偏角一束自然光以起偏角56.30入射到入射到20层平板玻璃上，如图：层平板玻璃上，如图： 2018-6-623 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2018-6-624 外腔式激光器谐振腔外腔式激光器谐振腔 布儒斯特窗布儒斯特窗 i0i0 激光输出激光输出 M1M2 i0 i0 u 激光器谐振腔激光器谐振腔 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 例、已知某材料在空气中的布儒斯特角例、已知某材料在空气中的布儒斯特角 ，求它的，求它的 折射率？若将它放在水中（水的折射率为折射率？若将它放在水中（水的折射率为 1.33），求光线），求光线 从水入射到该材料中的布儒斯特角？该材料对水的相对折从水入射到该材料中的布儒斯特角？该材料对水的相对折 射率是多少？射率是多少？ 0 58 p i 解：解： 设该材料的折射率为设该材料的折射率为 n ，空气的折射率为空气的折射率为1 6 . 1599. 158tan 1 tan 0 n i p 解：解： 放在水中，则对应放在水中，则对应 有有 2 . 1 33. 1 6 . 1 tan 水水 n n ip 0 3 .50 p i所以：所以： 该材料对水的相对折射率为该材料对水的相对折射率为1.2 2018-6-625 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 【例题例题】要使一束线偏振光通过偏振片后振动方向转过要使一束线偏振光通过偏振片后振动方向转过 9090o o，至少需要让这束光通过几块理想偏振片。在此情况至少需要让这束光通过几块理想偏振片。在此情况 下，透射光强最大是原来光强的多少？下，透射光强最大是原来光强的多少？ 两两块块。 44 2sin 4 ) 2 (coscos 0 max 2022 0 I I I II P1 P2 2018-6-626 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2018-6-627 例题例题 用两偏振片平行放置作为起偏器和检偏器。在它们用两偏振片平行放置作为起偏器和检偏器。在它们 的偏振化方向成的偏振化方向成30300 0角时，观测一光源，又在成角时，观测一光源，又在成60600 0角时，角时， 观察同一位置处的另一光源，两次所得的强度相等。求两观察同一位置处的另一光源，两次所得的强度相等。求两 光源照到起偏器上光强之比。光源照到起偏器上光强之比。 解解 : : 令令I I1 1和和I I2 2分别为两光源照到起偏器上的光强。分别为两光源照到起偏器上的光强。 透过起偏器后，光的强度分别为透过起偏器后，光的强度分别为I I1 1/2/2和和I I2 2 /2 /2。按照。按照 马吕斯定律，透过检偏器后光的强度为马吕斯定律，透过检偏器后光的强度为 60cos 2 22 1 2 II 所以所以 30cos 2 12 1 1 II 但按题意但按题意 21 II 60cos30cos 2 2 2 1 II 即即 3 1 30cos 60cos 4 3 4 1 2 2 2 1 I I 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 一、光的双折射现象：一、光的双折射现象： 一束光入射晶体分成两一束光入射晶体分成两 束光的现象称为双折射。束光的现象称为双折射。 15.2.3 光的双折射光的双折射 方解石晶体方解石晶体 实验一实验一 实验二实验二 在在各向同性的介质中各向同性的介质中S是点物是点物S 的象的象 天然的方解石晶体是双折射晶体天然的方解石晶体是双折射晶体 A B S S 2018-6-628 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 1. 寻常光和非常光寻常光和非常光 实验发现，有一束光遵守折射定律称实验发现，有一束光遵守折射定律称-寻常光（寻常光（ Ordinary)， 即即 光。另一束光不遵守折射定律称光。另一束光不遵守折射定律称-非常光，即非常光，即 光光 (extraordinary)。 e o 2018-6-629 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 晶体的光轴晶体的光轴 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生不发生 双折射，双折射，该方向称为晶体的该方向称为晶体的光轴。光轴。 例如，方解石晶体例如，方解石晶体( (冰洲石冰洲石) ) A B 光轴光轴 102 光轴是一特殊的方向光轴是一特殊的方向, ,凡平行凡平行 于此方向的直线均为光轴。于此方向的直线均为光轴。 单轴晶体：单轴晶体：只有一个光轴的晶体只有一个光轴的晶体 （方解石、石英）（方解石、石英） 双轴晶体：双轴晶体：有两个光轴的晶体有两个光轴的晶体 （云母、硫磺）（云母、硫磺） 2. 晶体的光轴与光线得主平面晶体的光轴与光线得主平面 2018-6-630 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 若若沿光轴方向入射，沿光轴方向入射，O 光和光和e光具有相同的折光具有相同的折 射率和相同的波速，因射率和相同的波速，因 而无双折射现象。而无双折射现象。 寻常光（寻常光（O光）和非常光（光）和非常光（e光）光） 寻常光寻常光：对于晶体一切方向都具有相同的折射率（即波速：对于晶体一切方向都具有相同的折射率（即波速 相同），且在入射面内传播，简称它为相同），且在入射面内传播，简称它为O光。光。 非常光非常光：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且不一：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且不一 定在入射面内传播，简称为定在入射面内传播，简称为 e 光。光。 O光振动方向垂直于该光线（在晶体中）与光轴组成的平光振动方向垂直于该光线（在晶体中）与光轴组成的平 面面(O光的主平面光的主平面)。 e 光振动方向平行于该光线（在晶体中）与光轴组成的平光振动方向平行于该光线（在晶体中）与光轴组成的平 面面(e光的主平面光的主平面) 。 若光轴在入射面内，实若光轴在入射面内，实 验发现：验发现：O光、光、 e光光均均 在入射面内传播，且振在入射面内传播，且振 动方向相互垂直动方向相互垂直。 2018-6-631 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 主平面和主截面主平面和主截面 主平面主平面：晶体中光的传播方向与晶体晶体中光的传播方向与晶体 光轴构成的平面。光轴构成的平面。 e光光 光轴光轴 e光的光的 主平面主平面 o光光 光轴光轴 o光的光的 主平面主平面 主截面主截面：晶体表面的法线与晶体光晶体表面的法线与晶体光 轴构成的平面。轴构成的平面。 e光与光轴组成的面称光与光轴组成的面称 e光主平面。光主平面。 o光垂直与光垂直与 o光主平面；光主平面；e光平行与光平行与 e光主平面。光主平面。 2018-6-632 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 产生原因为：产生原因为：o光各方向速度相同，而光各方向速度相同，而 e光各方向速度不相同光各方向速度不相同 光轴：在光轴方向光轴：在光轴方向 o 光和光和 e 光的传播速度一样。光的传播速度一样。 二、双折射现象的解释二、双折射现象的解释 1. 单轴晶体中光波的波面单轴晶体中光波的波面 vo t 光轴光轴 光轴光轴 ve t vo t O光波面光波面 e 光波面光波面 惠更斯原理：惠更斯原理： O 光光在晶体内任意点所引起的波阵面是球面。在晶体内任意点所引起的波阵面是球面。 即具有各向同性的传播速率。即具有各向同性的传播速率。 e 光在晶体内任意点所引起的波阵面是旋转椭球面。光在晶体内任意点所引起的波阵面是旋转椭球面。 沿光轴方向与沿光轴方向与O光光具有相同的速率。具有相同的速率。 2018-6-633 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 o光光: : 0 0 c n e光光: : e c ee n n0 0 ， ，ne称为称为晶体的主折射率晶体的主折射率 正晶体正晶体 : : ne no 负晶体负晶体 : : n ne e ve) 负晶体负晶体 (vo o o) ) 负晶如方解石负晶如方解石CaCO3正晶如石英正晶如石英SiO2 垂直光轴方向垂直光轴方向 2018-6-634 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 u光轴平行晶体表面，自然光垂直入射光轴平行晶体表面，自然光垂直入射 e o e o 光轴光轴 晶体晶体 o o, , e e在方向上虽没分在方向上虽没分 开，但速度上是分开的。开，但速度上是分开的。 2018-6-635 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 二向色性人造偏振片二向色性人造偏振片 波晶片（波片波晶片（波片） 二向色性晶体也具有各向异性、双折射的特点，同时有二向色性晶体也具有各向异性、双折射的特点，同时有 选择吸收的性能。例如，电气石对选择吸收的性能。例如，电气石对O 光的吸收能力特别光的吸收能力特别 强，结果就只剩下强，结果就只剩下e 光穿出晶体。光穿出晶体。 厚度为厚度为d ,光轴与两个表面平行光轴与两个表面平行 的双折射晶体薄片称为波片。的双折射晶体薄片称为波片。 当线偏振垂直入射时，由晶体当线偏振垂直入射时，由晶体 出射的是振动方向相互垂直的出射的是振动方向相互垂直的 线偏振光，它们沿原入射方向线偏振光，它们沿原入射方向 同向传播，但传播速度不同。同向传播，但传播速度不同。 对于方解石晶体对于方解石晶体e光比光比O光快光快。 对于石英晶体对于石英晶体e光比光比O光慢光慢。 e O 光轴光轴 d 石英 2018-6-636 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 O光和光和e光两者到达波片的另一光两者到达波片的另一 表面时，必然有相位差。表面时，必然有相位差。 dnn oe 22 其光程差为：其光程差为： dnn oe e O 光轴光轴 d 石英 2018-6-637 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 /2dnn eo *若若O和和e光相位差为光相位差为 ，光程差是半波长。，光程差是半波长。 2 0 dnn e 称为二分之一波长片或半波片。称为二分之一波长片或半波片。 称为四分之一波长片。称为四分之一波长片。 4 0 dnn e 则则 则则 *若若O和和e光相位差为光相位差为 ，光程差是，光程差是 波长波长。2/ 4 1 波片的作用是使通过它的波片的作用是使通过它的o光光和和e光有相位上的光有相位上的 改变，因此也称为相位延迟器。在偏振光分析改变，因此也称为相位延迟器。在偏振光分析 中有着独特的作用。中有着独特的作用。 *若若O光和光和e光的相位差为：光的相位差为： ，光程差是波长的整数倍，光程差是波长的整数倍。 2 dnn e0 该波片称为波长片或全波片。该波片称为波长片或全波片。 方解石方解石 2018-6-638 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 例例15.3 用方解石制作用方解石制作1/4波片，方解石的主折射率差值为波片，方解石的主折射率差值为no- ne=0.172，对波长，对波长632.8nm的红光，试问波片的最小厚度是的红光，试问波片的最小厚度是 多少。多少。 解解 波片的最小厚度为波片的最小厚度为 mm1020. 9 172. 04 108 .632 4 4 9 eo nn d 实际的实际的1/4波片波片 k 4 实际的实际的1/2波片波片 k 2 2018-6-639 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 三、椭圆偏振光的获得三、椭圆偏振光的获得 椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光，椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光，均可等效为两个具有均可等效为两个具有 恒定相位差、相同振动频率、振动方向相互垂直的线偏振光恒定相位差、相同振动频率、振动方向相互垂直的线偏振光。 波片可以将垂直入射的线偏光波片可以将垂直入射的线偏光 分解成同频率、相互垂直振动分解成同频率、相互垂直振动 的的O 光和光和 e光，它们沿同一方光，它们沿同一方 向传播，如图。向传播，如图。 e O 光轴光轴 d 波片厚度波片厚度d 决定决定O 光、光、 e光恒定相位差的大小。光恒定相位差的大小。 因此，可用波片来产生因此，可用波片来产生 椭圆偏振光、圆偏振光椭圆偏振光、圆偏振光 或改变入射的偏振态。或改变入射的偏振态。 2018-6-640 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2 0 I O A e A M d M是起偏器，经它可是起偏器，经它可 从自然光中获得垂直从自然光中获得垂直 射向波片射向波片C的线偏光。的线偏光。 C c o 波片波片C光轴平行于晶体光轴平行于晶体 表面，透振方向与光表面，透振方向与光 轴方向之间的夹角轴方向之间的夹角 垂直射入波片的线偏光，分解成垂直射入波片的线偏光，分解成O光其振动光其振动 方向垂直于入射面，垂直光轴；分解成的方向垂直于入射面，垂直光轴；分解成的 e 光振动方向平行于入射面，平行于光轴。光振动方向平行于入射面，平行于光轴。 2/ 0 IA 入射波片的线偏光的振幅入射波片的线偏光的振幅 0 I cosAAe sinAAO 2018-6-641 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 当一束线偏振光透过晶片后，分解为振动方向互相垂直当一束线偏振光透过晶片后，分解为振动方向互相垂直 的两束光，它们之间有一定的相位差。设此两光沿的两束光，它们之间有一定的相位差。设此两光沿Z轴方轴方 向传播，相位差为向传播，相位差为 ，则有，则有 )(cos )(cos Z tEE Z tEE YY XX 2 2 0 0 2 00 2 0 2 2 0 2 sincos 2 YX YX Y Y X X EE EE E E E E 2018-6-642 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 偏振片偏振片M与与N的透振方向相互垂直（的透振方向相互垂直（M N) 2 0 I C c o 入射自然光入射自然光 M M 起偏器起偏器 0 I 线偏光线偏光 偏振光干涉偏振光干涉 N 椭圆椭圆 偏光偏光 检偏器检偏器 cosAAe sinAAO M N e A eN A ON A o c O A /2dnn eo 2018-6-643 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 dnn eo /2 cosAAe sinAAOcossin AAON sincos AAeN M N e A eN A ON A o c O A 因子因子+ 来源于投影中，来源于投影中， 和和 反向反向 ON A eN A 输出光强与其振幅的平方成正比。输出光强与其振幅的平方成正比。 )cos(sincos cos 12 2 222 222 A AAAAA eNONONeN出出 212, kk 2112,)( kk 相干相长相干相长 相干相消相干相消 2018-6-644 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 二、显色偏振二、显色偏振 白光入射，晶片白光入射，晶片d均匀均匀 屏上屏上由于某种颜色干涉相消，而呈现它由于某种颜色干涉相消，而呈现它 的的互补色互补色这叫（显）这叫（显）色偏振色偏振。 若若d不均匀，则屏上出现彩色条纹不均匀，则屏上出现彩色条纹 ( (等厚干涉条纹等厚干涉条纹) )。 如 红色红色相消绿色绿色；蓝色蓝色相消黄色黄色， 2018-6-645 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 人为地造成各向异性，而产生双折射。人为地造成各向异性，而产生双折射。 二二. . 光弹效应光弹效应( (应力双折射效应应力双折射效应) ) P1P2 d F S F 干涉干涉 有机玻璃有机玻璃 C 应力应力各向异性各向异性 各向不同各向不同n各向不同各向不同 S F knn oe 在一定应力范围内：在一定应力范围内： S为材料为材料 F受力的面积。受力的面积。 为胁强光学系数为胁强光学系数k 2018-6-646 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 S Fdk nn d oe 22 三三. .电光效应电光效应 电光效应也叫电致双折射效应电光效应也叫电致双折射效应 1.1.克尔效应克尔效应 (1875年) l + - P1P2 克尔盒克尔盒 d 2018-6-647 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 某些各向同性的透明介质（如非晶体和液某些各向同性的透明介质（如非晶体和液 体），在外电场的作用下，显示出双折射现体），在外电场的作用下，显示出双折射现 象，称为象，称为克尔效应克尔效应。 当外电场撤消时，这种性质立即消失，当外电场撤消时，这种性质立即消失， 因此，也称为因此，也称为电致双折射现象电致双折射现象。 光轴沿电场强度的方向光轴沿电场强度的方向 2018-6-648 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 不加电场不加电场液体各向同性液体各向同性P P2 2不透光不透光 加电场加电场液体呈单轴晶体性质，液体呈单轴晶体性质， 2 kEnn oe 二次电光效应二次电光效应 E E 电场强度，电场强度，k 克尔常数克尔常数 克尔效应引起的相位差为：克尔效应引起的相位差为： lkElnn oek 2 22 E 光轴平行光轴平行 P P2 2透透 光光 2018-6-649 第第 15 章章 光的偏振光的偏振 2.