光的偏振及相关知识PPT课件

2020/6/8,.,1,第五章光的偏振,光的偏振,第五章,2020/6/8,.,2,1自然光与偏振光,一.光的偏振性,1.定义偏振：,偏振现象,横波,振动面,波振动方向对于传播方向的不对称性.,2.偏振态的种类：,椭圆偏振光,自然光、,平面偏振光(线偏振光)、,部分偏振光、,圆偏振光、,2020/6/8,.,3,自然光（非偏振光）,一般光源发出的光,圆偏振光,椭圆偏振光,左旋,右旋,偏振态的分类,部分偏振光,完全偏振光,左旋,右旋,平面偏振光（线偏振光）,一般，用单色光讨论偏振态。,2020/6/8,.,4,二.自然光与偏振光,1平面偏振光(线偏振光),振动面,光振动方向与传播方向决定的平面称为振动面,2020/6/8,.,5,线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解,表示法：,2020/6/8,.,6,独立、同一原子不同时刻发的光,普通光源(自发辐射产生)一般发射自然光,独立、不同原子同一时刻发的光,D=(E2-E1)/h,E1,E2,波列,波列长L=cDt,发光时间Dt10-8s,原子发光：瞬息万变的初相位；此起彼伏、方向不定的间歇振动。,自发辐射跃迁,2.自然光,2020/6/8,.,7,自然光,特点,在垂直光线的平面内，光矢量沿各方向振动的概率均等.,E没有优势方向,这种大量振幅相同、各种振动方向都有、彼此没有固定相位关系的光矢量的组合叫非偏振光或自然光。,总光强,图示法,可以分解为彼此独立、振幅相等、振动方向互相垂直、不相干的两束线偏振光.,2020/6/8,.,8,3.部分偏振光,可以看成自然光和线偏振光的混合.,偏振度,意义：对各种偏振程度不同的光给以定量描述。,注意：Imax、Imin的方向必须相互垂直,2020/6/8,.,9,偏振度,0P1,平面偏振光:,Imin=0，P=1,自然光：,Imax=Imin，P=0,部分偏振光：,Io总光强IP偏振光的光强In自然光的光强,IP=0P=0自然光,In=0P=1线偏振光,2020/6/8,.,10,2线偏振光和部分线偏振光,振动方向相互垂直的两列光波的叠加,振动垂直,相位相同,说明：,一束线偏振光,自然光,偏振片,线偏振光,?,两束垂直、同相的线,一.线偏振光的表示,2020/6/8,.,11,二.起偏和检偏,1.起偏,(1)物质的二向色性，(2)反射和折射，(3)双折射,(4)散射，.,从自然光获得偏振光叫“起偏”，相应的光学器件叫“起偏器”。,3.物质的二向色性起偏,二向色性：,如:电气石对o光和e光的吸收有很大差异.,晶体对光振动选择吸收的特性。,2.起偏的途径,利用某种形式的不对称性,如,2020/6/8,.,12,电气石,Z,1mm厚的电气石可将o光吸收净，e光却有剩余可制成偏振片.,人造偏振片：,聚乙烯醇,加热拉伸,碘液浸染,玻片保护,偏振片的透振方向：,偏振片透过电矢量的方向。,线偏振光,用偏振片获得线偏振光,出射光强,2020/6/8,.,13,偏振片-大分子物质对振动方向反映出吸收系数不同,2020/6/8,.,14,形象说明偏振片的原理,通光方向,腰横别扁担进不了城门,2020/6/8,.,15,4.检偏,用偏振器件分析、检验光束的偏振状态称“检偏”。,偏振片既可“起偏”又可“检偏”。,设入射光可能是自然光、线偏振光或部分偏振光，如何用偏振片来区分它们？,以光线为轴转动P:,I不变？,I变，有消光？,I变，无消光？,2020/6/8,.,16,起偏器,检偏器,一般情况下I=？,2020/6/8,.,17,I0,I,马吕斯定律(1809),消光,三.马吕斯定律,线偏振光经过偏振片前后的光强关系,2020/6/8,.,18,例题1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300角时，观测一光源，又在成600角时，观察同一位置处的另一光源，两次所得的强度相等。求两光源照到起偏器上光强之比。,解:令I1和I2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I1/2和I2/2。按照马吕斯定律，透过检偏器后光的强度为,所以,但按题意,即,2020/6/8,.,19,光强为I0的自然光相继通过偏振片P1、P2、P3后光强为I0/8，已知P1P3，问：P1、P2间夹角为何？,解:分析,I0,I3=I0/8,I1,I2,例题2,2020/6/8,.,20,书P309页，例5.1,将两块理想的偏振片P1和P2共轴放置如图所示，然后将强度为I1的自然光和强度为I2的线偏振光同时垂直入射到P1上，从P1透射后又入射到偏振片P2上，试问：,（1）P1不动，将P2以光线为轴转动一周，从系统透射出来的光强将如何变化？（2）欲使从系统透射出来的光强最大，应如何放置P1和P2？,透振方向,2020/6/8,.,21,解：,已知自然光强I1，线偏振光光强I2，设线偏振光振动方向与P1透振方向夹角为,则，经P1后透射光强为,经P2后透射光强为,（1）将P2转动一周，可得,时，光强最大,时，光强最小,（2）,由（1）中讨论可知，,当=0，180且=0时，系统光强最大。,先固定P1，转动P2使透射光强达到最大；然后同步转动P1和P2，使透射光强达到最大即可。,2020/6/8,.,22,书P.312,例5.2,通过偏振片观察一束部分偏振光。当偏振片由对应透射光强最大位置转过60时，其光强减为一半。试求这束部分偏振光的强度之比和光束的偏振度。,经偏振片P后透射光强最大为(=0),P,Ip,偏振片转动60(=60)后透射光强为,整理得,偏振度,2020/6/8,.,23,布儒斯特角,反射光垂直入射面振动的成分多。折射光？,部分偏振光,偏振光,四.反射和折射光的偏振,2020/6/8,.,24,布儒斯特定律,2020/6/8,.,25,平行玻璃板上表面反射光是偏振光.,？,注意：上表面的折射角等于下表面的入射角,通常玻璃的反射率只有7.5%左右，要以反射获得较强的偏振光，你有什么好主意？,下表面的反射光是否也是偏振光？,2020/6/8,.,26,玻璃片堆,要提高反射线偏振光的强度，可利用玻璃片堆的多次反射。,2020/6/8,.,27,例题：画出下列图中的反射光、折射光以及它们的偏振状态。,2020/6/8,.,28,应用举例,制成偏光眼镜，可观看立体电影。,若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与地面成45角、且向同一方向倾斜的偏振片，,可以避免汽车会车时灯光的晃眼。,测量不透明介质的折射率？,2020/6/8,.,29,在拍摄玻璃窗内的物体时，去掉反射光的干扰,未装偏振片,装偏振片,2020/6/8,.,30,（C）用偏光镜消除了反射偏振光使玻璃门内的人物清晰可见,（A）玻璃门表面的反光很强,（B）用偏光镜减弱了反射偏振光,2020/6/8,.,31,外腔式激光管加装布儒斯特窗以利于激光的形成，激光输出为线偏振光.,光来回反射时，光强垂直分量反射损耗太大不能形成激光，这样，光强平行分量就更易形成激光.,2020/6/8,.,32,1-2小结一、光的偏振态自然光、线偏振光、部分偏振光二、线偏振光的获得偏振片法、反射和折射法、双折射法三、基本物理定律（光强变化）1.布儒斯特定律:2.马吕斯定律:四、偏振光的应用实例立体电影、汽车车灯、生物视觉、激光器的谐振腔、偏光显微镜等等,2020/6/8,.,33,作业:3-5,作业,索末菲曾写信给他的学生海森堡，告诫他:“要勒奋地去做练习,只有这样，你才会发现，哪些你理解了,哪些你还没有理解.”,35,2020/6/8,.,34,3光通过单轴晶体时的双折射,2.e光(非常光):不遵循折射定律.,一.双折射现象,一束光入射在介质中折射为两束光（o光、e光）的现象.,e,o,双折射现象,1.o光(寻常光):遵循折射定律.,2020/6/8,.,35,双折射现象,2020/6/8,.,36,当方解石晶体旋转时,o光的像不动，,e光的像围绕o光的像旋转。,2020/6/8,.,37,(如前图，入射角=0，但折射角re0)且e光折射线也不一定在入射面内。,1.寻常光(o光),两束折射光中，,遵守折射定律的折射光，称寻常光(正常光),n1sini=nosinro,2.非寻常光(e光),不遵守折射定律的折射光，称非寻常光(非常光),(sini/sinre)const,2020/6/8,.,38,单轴晶体：方解石,石英,红宝石等.双轴晶体：云母,蓝宝石,橄榄石等.,1.光轴:不发生双折射的任一直线.,二.光轴与主截面,当光在晶体内沿光轴传播时不发生双折射,光轴是一个方向,注意：,光轴在晶体内,2.主截面：,（主平面：光轴+光线）,o光的主截面由o光的传播方向与光轴组成；e光的主截面由e光的传播方向与光轴组成。,2020/6/8,.,39,此情形下，o光的振动方向e光的振动方向(我们主要讨论这种情况),3.偏振特点,(1)o光、e光都是线偏振光,(2)o光的振动方向o的主截面,e光的振动方向e的主截面,(3)当光轴在入射面内(或说“入射面包含光轴”)的情况下，,o光的主截面和e光的主截面重合,2020/6/8,.,40,三.o光和e光的相对光强,(1)自然入射到晶体上：,垂直照射,Io=Ie,(2)线偏振光入射到晶体上时：,晶体中：,为e光传播方向与光轴的夹角.,2020/6/8,.,41,出射光（空气中）：,即：,2020/6/8,.,42,例题强度为I的自然光，垂直入射到方解石晶体上后又垂直入射到另一块完全相同的晶体上。两块晶体主截面之间的夹角为，试求当分别等于300和1800时，最后透射出来的光束的相对强度（不考虑反射、吸收的损失）,例：5.4P.321,解：,经第一块晶体后：,经第二块晶体后,相对强度为,2020/6/8,.,43,经第二块晶体后,由于两块晶体相同，两主截面夹角为180，此时它们光轴方向关于表面法线对称，则e光在第一块晶体中的偏折方向与在第二块晶体中的偏折方向相反，因而从第二块晶体出射的o光和e光传播方向重合，成为一束自然光。其强度为：,2020/6/8,.,44,振动方向不同的折射波具有不同的位相，也就具有不同的位相传播速度（相速）。,4光在晶体中的波面,1.双折射现象的定性解释:,(1)构成晶体的原于、离子是各向异性的振子。,三个方向上有不同的固有频率1、2和3,(2)光入射时，粒子产生受迫振动,受迫振动发出的次波叠加形成晶体中的折射波,(3)当入射光中光矢量的振动方向与某一个重合时，则受迫振动的位相与该方向的固有频率有关，振动频率与入射光频率相同,2020/6/8,.,45,单轴晶体,1为平行于晶体的光轴方向的固有振动频率,2为垂直于光轴方向的固有频率,光轴,C为晶体中作受迫振动的一个粒子,o光在各个方向上的速度都相同。O光矢量波面为球面。,2o光的波面,振动方向o的主截面,沿着任何方向传播的光，都使得振子在垂直于光轴的方向上振动,与固有频率为2有关,因此在各个方向上有相同的速度0,2020/6/8,.,46,使振子作受迫振动的位相差与1有关,e光波面为旋转椭球面。e光传播方向不一定垂直于波面,3e光的波面,e光的振动方向e的主截面,对不同的传播方向，光振动的方向与光轴成不同的角度,CA1方向的振动光轴,受迫振动和入射光的电矢量间的位相差与2有关,这个方向上速度o,CA2方向的振动光轴,这个方向上的速度e,振动方向主截面的光是e光；e光在各个方向上的光速不同。,2020/6/8,.,47,双折射的实质可表述为：晶体中o、e两光具有不同的相速。,o光波面为球面,e光波面为旋转椭球面,沿光轴方向上，,o光和e光的光矢量均在垂直于光轴方向振动,o光和e光的相速相同,不发生双折射,o、e光波面在光轴方向相切,2020/6/8,.,48,在光轴的方向上，两种子波面相切,4、正晶体与负晶体,单轴晶体分为正晶体和负晶体,正晶体：0e，(noo，(neo,晶体,vot,vet,A,B,D,re,2020/6/8,.,51,(2)过A点作AB垂直BD;AB为入射光波面。,(3)求出B到D的时间t,t=BD/C入射面与主截面重会，则o光和e光在主截面内。,(4)确定O光折射线方向：0光服从折射定律以A为圆心，ot为半径作半圆，过D向半圆到切线交于O(切点)，连接AO即为o光方向,惠更斯作图法基本步骤,(1)平行光入射界面上A、D两点；,2020/6/8,.,52,(5)确定e光折射线方向：e光与o光波面在光轴上相切。对负晶体,e光波面是扁椭球，过D作e光波面切点E，连接AE，则为e光折射线。,(6)画出o光和e光的偏振态：o光与e光与光轴构成的主平面重合且为纸平面，则e光电矢量振动方向在主平面内o光电矢量振动方向垂直于主平面,2020/6/8,.,53,o、e传播方向相同但速度不同，,vove,2.光轴垂直于晶体表面，正入射,在晶体内光沿光轴传播,o、e速度相同,无双折射,e=o,3.光轴界面且垂直于入射面自然光正入射,有双折射,2020/6/8,.,54,o、e传播方向相同但速度不同,惠更斯作图法,4.光轴界面且位于入射面内自然光正入射,有双折射,3,4情况，即:o、e光重合,但有光程差波晶片原理,2020/6/8,.,55,二、单轴晶体的主折射率,此特殊情况(光轴入射面)下，e光形式上满足折射定律，,例：光轴界面，且垂直入射面，自然光斜入射,注意：此图中为e振动，|为o振动,n1sini1=nosini2on1sini1=nesini2e,o光主折射率,e光主折射率,2020/6/8,.,56,对吗？,例题,用方解石切割成正三角形截面的棱镜，自然光以i角入射，定性画出o光、e光的振动方向，传播方向。,光轴,解：方解石负晶体垂直光轴方向vevo,o光,e光,e光,o光,o光、e光只在晶体内部才有意义！,2020/6/8,.,57,6偏振器件,偏振器（起、检、偏器）,玻璃片堆，,偏振棱镜.,一.尼科尔棱镜（1828）,由两块特殊要求加工的直角方解石用加拿大树胶粘合而成。,二向色性偏振片（人造偏振片），,玻璃片，,2020/6/8,.,58,偏振光产生过程,对Na光：no=1.658,ne=1.486,n胶=1.550,2020/6/8,.,59,可以用作起偏器与检偏器,Ie=（1/2）I,是入射光矢量振动方向与棱镜主截面之间的夹角,Ie=Icos2,入射光光强为I,2020/6/8,.,60,前一半,二、沃拉斯顿棱镜（偏光分束镜）,方解石none,后一半,注意：光在两块方解石中都是垂直光轴传播。,折射角小于入射角,折射角大于入射角,由两个方解石直角棱镜粘合而成,2020/6/8,.,61,请你练习,画出自然光垂直通过洛匈棱镜（方解石磨制）o光、e光的传播方向，振动方向！,o光,e光,o光,e光,A中的o光变为B中的e光：远法线折射,A中的e光与B中的o光折射率相等方向不变.,洛匈棱镜：,可用于强激光情况.,2020/6/8,.,62,光轴与晶体表面平行的单轴晶体o光和e光可以沿同一方向传播，这样的晶体叫做波片,想想，属于我们前面讲的哪种情况？,三.波（晶）片,1.什么是波片,2020/6/8,.,63,2.光在波片中的传播,结构：是光轴平行表面的晶体薄片。,厚度为d，,d,o光：Eo=Aocos(t-z/vo),其中：Ao=AsinAe=Acos,e光：Ee=Aecos(t-z/ve),晶体中：,晶体中e、o光的相位差：,2020/6/8,.,64,d,nodo光在波片中的光程,nede光在波片中的光程,光程差：=(no-ne)d,出射晶体后：(晶体厚度为d）,其中：,2020/6/8,.,65,从晶片出射的是两束传播方向相同、振动方向相互垂直、振幅分别为Ao和Ae的、相位差为的线偏振光。,自然光入射晶片：,o光、e光光强比1，无固定相位差,线偏振光正入射晶片:,o、e光振幅关系：,A0=AsinAe=Acos,2020/6/8,.,66,3.定义：,1/4波片：,半波片：,与光轴夹角为的线偏振光经过半波片后，出射光偏转2,仍为线偏振光!,全波片：,2020/6/8,.,67,作业：611,作业,逆水行舟用力撑，一篙松劲退千寻；古云“此日足可惜”，吾辈更应惜秒阴。董比武,611,2020/6/8,.,68,7椭圆偏振光和圆偏振光,圆偏振光电矢量大小不变，末端在波面内描绘出一个圆。,一、圆偏振光和椭圆偏振光的描述,1.定义,2020/6/8,.,69,椭圆偏振光电矢量大小改变，末端在波面内描绘出一个椭圆。,迎着光线方向看，,顺时针右旋,逆时针左旋,2020/6/8,.,70,2.描述,椭圆偏振光可通过两列频率相同，振动方向相互垂直，沿同一方向传播的线偏振光叠加得到。,端点轨迹方程：,y振动超前x振动,椭圆,2020/6/8,.,71,=0,讨论,线偏振光,光矢量位于、象限,=,线偏振光,光矢量位于、象限,2020/6/8,.,72,0，右旋,ne）随后在一理想的金属反射镜DD的表面上垂直反射。若N的主截面与C的晶轴之间的夹角为45o。求：（1）从1/4波片射出的光