同济大学物理下学期课件

同学们好同学们好 P.2/28 光学光学 相关回顾相关回顾 二、光的偏振态二、光的偏振态 一、偏振现象一、偏振现象 波振动对传播方向非对称分布波振动对传播方向非对称分布, ,区分区分 横波和纵波的标志横波和纵波的标志. . 三、起偏方法及规律三、起偏方法及规律 利用光在两种介质界面上的反射和折射利用光在两种介质界面上的反射和折射 利用光在各向异性介质中的传播：偏振片利用光在各向异性介质中的传播：偏振片, ,双折射双折射 马吕斯定律马吕斯定律 布儒斯特定律布儒斯特定律 双折射起偏双折射起偏 1)光在晶体内沿光轴传播光在晶体内沿光轴传播, ,无双折射无双折射. . .,eo, 0)2传播方向相同光有相位差、光轴入射，且传播方向相同光有相位差、光轴入射，且 =i 3)其余情况均得两束分开的线偏振光其余情况均得两束分开的线偏振光. . P.3/28 光学光学 四、检偏方法四、检偏方法 如何检查一束自然光入射到介质分界面而反射的光的如何检查一束自然光入射到介质分界面而反射的光的 偏振状态？偏振状态？ 0 i 入入 射射 面面 将上面的玻璃片，将上面的玻璃片， 绕竖直轴旋转绕竖直轴旋转 P.4/28 光学光学 椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光 波片波片 一、椭圆偏振光和圆偏振光一、椭圆偏振光和圆偏振光 x t=0 1 2 3 4 5 t=0 1 2 3 4 5 1. 条件条件 两振向垂直、同向传播、相差恒定、同频率偏振光的合成两振向垂直、同向传播、相差恒定、同频率偏振光的合成. . 2. 获得获得 ? 由自然光分成的由自然光分成的o、e光重叠而成光重叠而成? 相位差不恒定相位差不恒定. 由单色线偏振光垂直入射晶面由单色线偏振光垂直入射晶面(光轴光轴/晶面晶面)分成的分成的o、e光重光重 叠而成叠而成. P.5/28 光学光学 两个同频率相互垂直简谐振动的合成：两个同频率相互垂直简谐振动的合成： )cos( 11 +=tAx )cos( 22 +=tAy 合成以后为合成以后为 椭圆轨迹方程椭圆轨迹方程 )(sin)cos( 2 12 2 12 21 2 2 2 2 1 2 =+ AA xy A y A x ()1 2 12 2 2 2 2 1 2 12 =+= A y A x k正椭圆正椭圆 P.6/28 光学光学 )(cos e ee u x tAy= )(cos o oo u x tAy= 偏振光偏振光 自然光自然光 )()()( eoo u x u x u x t u x t e = 光轴光轴 A o A e A 点击放大 P.7/28 光学光学 )()()( eooe u x u x u x t u x t= e e o o ,n u c n u c = e e o o ,u n c u n c = )( eo nn c x = )( 2 eo nnx= 圆偏振光为圆偏振光为正椭圆偏振光正椭圆偏振光Ao=Ae之特例之特例. =)( 2 eo nnd 2 ) 12(+k 正椭圆正椭圆 ) 12(+k线偏振光线偏振光 P.8/28 光学光学 椭圆偏振光椭圆偏振光 (elliptically polarized light) 光矢量端点在垂直于光光矢量端点在垂直于光 传播方向的截面内描绘出传播方向的截面内描绘出 椭圆轨迹椭圆轨迹. .检偏器旋转一周检偏器旋转一周, , 光强两强两弱光强两强两弱. . 圆偏振光圆偏振光 (circularly polarized light) 光矢量端点在垂直于光传光矢量端点在垂直于光传 播方向的截面内描绘出圆播方向的截面内描绘出圆 形轨迹形轨迹. .检偏器旋转一周检偏器旋转一周, , 光强无变化光强无变化. . 点击图片放大 P.9/28 光学光学 晶片是从单轴晶体中切晶片是从单轴晶体中切 割下来的平行平面板割下来的平行平面板, ,其其 表面与晶体的光轴平行表面与晶体的光轴平行. . P.10/28 光学光学 二、波片二、波片 =)( 2 eo nnd 2 ) 12(+k 正椭圆正椭圆 ) 12(+k线偏振光线偏振光 =)( eo nnd 4 ) 12( +k 2 ) 12( +k 正椭圆正椭圆 线偏振光线偏振光 四分之一波片四分之一波片(quarter-wave plate)：偏振光通过波偏振光通过波 片后片后, ,o光和光和e光的光程差等于光的光程差等于( 4)的奇数倍的奇数倍. . 四分之一波片的最小厚度四分之一波片的最小厚度： )( 4 eo min nn d = P.11/28 光学光学 四分之一波片四分之一波片 线偏振光振动方向与四线偏振光振动方向与四 分之一波片的光轴方向成分之一波片的光轴方向成 45 角时角时, ,通过后线偏振光通过后线偏振光 变为变为圆偏振光圆偏振光. . cos ,sin eo AAAA=强度 d 线偏振光振动方向与四线偏振光振动方向与四 分之一波片的光轴方向的分之一波片的光轴方向的 夹角不为夹角不为45 角时角时, ,则通过则通过 后线偏振光变为后线偏振光变为椭圆偏振椭圆偏振 光光. . d P.12/28 光学光学 四分之一波片四分之一波片 圆偏振光通过四分之一圆偏振光通过四分之一 波片后波片后, ,变为线偏振光变为线偏振光， 其振动方向与光轴方向成其振动方向与光轴方向成 45 角角. . d d 椭圆偏振光长轴或短轴椭圆偏振光长轴或短轴 与四分之一波片的光轴平与四分之一波片的光轴平 行时行时, ,通过后椭圆偏振光变通过后椭圆偏振光变 为线偏振光为线偏振光, ,其振动方向与其振动方向与 光轴方向的夹角不等于光轴方向的夹角不等于45 角角. . P.13/28 光学光学 半波片半波片(half-wave plate)：偏振光通过此波片后偏振光通过此波片后, ,o光光 和和e光的光程差等于光的光程差等于( 2)的奇数倍的奇数倍. 线偏振光通过半波片后仍是线偏振光线偏振光通过半波片后仍是线偏振光, ,只是振只是振 动方向转过了动方向转过了2 . . 2 ) 12()( eo +=knnd线偏振光线偏振光 )(2 eo min nn d = 半波片的最小厚度：半波片的最小厚度： d P.14/28 光学光学 全波片：全波片： = 出射光与入射光相同出射光与入射光相同 适当选取厚度适当选取厚度d可将线偏振光转化为椭圆偏振光或可将线偏振光转化为椭圆偏振光或 将椭圆偏振光转化为线偏振光将椭圆偏振光转化为线偏振光 /4波片波片 /4波片波片 /2波片波片 P.15/28 光学光学 圆偏振镜圆偏振镜(CPL镜镜)：由一片线偏振镜：由一片线偏振镜(PL)与一片四与一片四 分之一波片分之一波片(为特殊双折射材料为特殊双折射材料), ,彼此胶合而成彼此胶合而成. .该四该四 分之一波片的光轴与线偏振镜的偏振光振动方向之分之一波片的光轴与线偏振镜的偏振光振动方向之 间成间成45夹角夹角. .光线自线偏振镜一端射入为正向光线自线偏振镜一端射入为正向, ,自四自四 分之一波片一端射入为反向分之一波片一端射入为反向. .正向射向圆偏振镜的自正向射向圆偏振镜的自 然光然光, ,先后通过线偏振镜和四分之一波片后先后通过线偏振镜和四分之一波片后, ,即成为即成为 圆偏振光圆偏振光. . P.16/28 光学光学 各种光的偏振特性各种光的偏振特性 P.17/28 光学光学 入射光入射光 检检 偏偏 器器 旋旋 转转 部分偏振光？部分偏振光？ 椭圆偏振光？椭圆偏振光？ 有消光有消光 线偏振光线偏振光 I变变 有消光有消光 I不变不变 自然光？自然光？ 圆偏振光？圆偏振光？ /4 波波 片片 I变变 无消光无消光 无消光无消光 椭圆偏振光椭圆偏振光 部分偏振光部分偏振光 I变变 I不变不变 圆偏振光圆偏振光 自然光自然光 第一步 光振动状态的实验区分光振动状态的实验区分 第二步 P.18/28 光学光学 一、偏振光干涉一、偏振光干涉 从偏振片从偏振片P得到的线偏振光经过晶片得到的线偏振光经过晶片C后后, ,成为两束相互之成为两束相互之 间有相位差而振动方向互相垂直的间有相位差而振动方向互相垂直的o光和光和e光光. .(相位差不等于相位差不等于 的整数倍时的整数倍时, ,构成椭圆偏振光构成椭圆偏振光. .) 偏振光的干涉偏振光的干涉 人为双折射现象人为双折射现象 旋光现象旋光现象 圆偏振光再穿过一个偏振片圆偏振光再穿过一个偏振片A后后, ,由于偏振片只有一个偏振由于偏振片只有一个偏振 化方向化方向, ,所以通过偏振片后所以通过偏振片后, ,这两束互相垂直的同频率这两束互相垂直的同频率、相位相位 差恒定的光差恒定的光, ,具有了同一个振动方向具有了同一个振动方向, ,因此这两束光成了相干因此这两束光成了相干 的偏振光的偏振光. . P 1 A 光轴光轴 1 A o A e A C A 光轴光轴 o A e A e2 A o2 A oe 2 =()nn d + 2o2e AA与方向相反导致 P.19/28 光学光学 若复色光入射时，晶体对不同波长的光干涉条件各不相同若复色光入射时，晶体对不同波长的光干涉条件各不相同, ,因因 此在检偏器后应看到不同的颜色此在检偏器后应看到不同的颜色, ,这种情况称之为这种情况称之为色偏振色偏振 (chromatic polarization)。 色偏振色偏振 取不同厚度的云母取不同厚度的云母 片将它们以各种图案片将它们以各种图案 贴在玻璃板上贴在玻璃板上, ,并将其并将其 放在两个用白光照明放在两个用白光照明 的偏振片之间的偏振片之间, ,出射光出射光 的颜色和亮度会发生的颜色和亮度会发生 变化变化. .旋转上面的偏振旋转上面的偏振 片片, ,可呈现彩色斑斓的可呈现彩色斑斓的 图案花纹图案花纹. . P.20/28 光学光学 二、人为双折射二、人为双折射 有些各向同性的非晶体或液体有些各向同性的非晶体或液体, ,受外界的人为因素影响而转变受外界的人为因素影响而转变 为各向异性为各向异性, ,呈现出双折射现象呈现出双折射现象称为称为人为双折射人为双折射. . 光弹性效应光弹性效应(photoelastic effect) 某些非晶态透明物质某些非晶态透明物质(如玻璃、塑料等如玻璃、塑料等)， 在机械外力的作用下发生形变时在机械外力的作用下发生形变时, ,其内部会其内部会 产生应力分布产生应力分布, ,从而导致光学上的各向异性从而导致光学上的各向异性, , 也能呈现出双折射现象也能呈现出双折射现象. .这种现象称为这种现象称为光弹光弹 效应效应. . P1 P2 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v各向不同各向不同n各向不同各向不同出现干涉条纹出现干涉条纹 P.21/28 光学光学 透明介质插在两偏振片之间透明介质插在两偏振片之间, ,不同地点因不同地点因o光和光和e光光 的折射率不同会引起的折射率不同会引起o光和光和e间不同的相位差间不同的相位差, ,图片将图片将 呈现出反映这种差别的干涉图样呈现出反映这种差别的干涉图样. .应力越集中地方应力越集中地方, , 各向异性越强各向异性越强, ,干涉条纹越细密干涉条纹越细密. .在白光照射下在白光照射下, ,则显则显 示出彩色的干涉图样示出彩色的干涉图样. . P.22/28 光学光学 电光效应电光效应(electrooptical effect)(克尔效应克尔效应) (1875年年) 某些各向同性的非晶体或液体等透明物质某些各向同性的非晶体或液体等透明物质, ,在强电场作在强电场作 用下用下, ,能变为各向异性而显示双折射现象能变为各向异性而显示双折射现象. . l + - 45 45 P1 P2 克尔盒克尔盒 d 不加电场不加电场液体各向同性液体各向同性P2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, ,光轴平行光轴平行 P2透光透光 E P.23/28 光学光学 三、物质的旋光性三、物质的旋光性(optical activity) 旋光现象：旋光现象：偏振光在通过某些物质后偏振光在通过某些物质后, ,其振动面会以其振动面会以 光的传播方向为轴转过一个角度的现象光的传播方向为轴转过一个角度的现象. . P.24/28 光学光学 左旋物质左旋物质: 逆时针旋转逆时针旋转 右旋物质右旋物质: 顺时针旋转顺时针旋转 旋光物质旋光物质(optical active substance)：具旋光性的物质具旋光性的物质 石英晶体、葡萄糖、果糖（右旋）石英晶体、葡萄糖、果糖（右旋） 旋光度旋光度( )：偏振光通过旋光物质后偏振光通过旋光物质后, ,其振动面转过的其振动面转过的 角度角度. .它它与偏振光通过旋光晶体的距离与偏振光通过旋光晶体的距离 d 成正比成正比 d=称为称为介质的旋光率介质的旋光率 线偏振光 检偏器 起偏器 自然光 样品室 对于旋光溶液：对于旋光溶液： cd= c 为溶液的浓度为溶液的浓度 P.25/28 光学光学 旋光仪 P.26/28 光学光学 液晶显示器液晶显示器 起偏器起偏器 检偏器检偏器 反射镜反射镜 液晶液晶(旋光物质旋光物质) E K 透明电极透明电极 合上开关合上开关K：偏振：偏振 光经过液晶使偏振光经过液晶使偏振 化