光学教程第五章 光的偏振【PPT课件】

1,Chap.5 Polarization of Light,第5章 光的偏振,2,主 要 内 容,光在各向同性介质面上的反射、折射时的偏振现象在各向异性介质面中传播过程发生的双折射现象偏振光的产生和讨论偏振光的干涉,3,5.1 自然光与偏振光5.1.1、光的偏振性. 纵波：波的振动方向与波的传播方向相互平行；如声波。 横波：波的振动方向与波的传播方向相互垂直。如张紧的柔软的绳、电磁波。 偏振：振动方向对于传播方向的不对称性。只有横波才有偏振现象。,4,电磁波是横波 ，电磁波是偏振的。 光波是电磁波，光波也是横波，光波是偏振的。观察到光波的偏振，就说明光波的横波性。 光的五种偏振态 ：自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。,5,5.1.2、自然光与偏振光 自然光：具有在轴对称的各个方向上电矢量的时间平均值是相等的这种特点的光称为自然光。 它是由轴对称分布、无固定相位关系的大量线偏振光集合而成的。即：它可以看作是两个振幅相同、振动相互垂直的非相干的线偏振光的叠加。 一般光源所发出的光，按统计理论，满足上述要求，即一般光源所发出的光为自然光 。,6,由统计平均有：,7,线偏振光：光在传播过程中电矢量的振动 只限于某一确定平面内（投影为直线）。也叫平面偏振光。 振动面：电矢量和光的传播方向所构成的平面。,8,5.2.1 、由二向色性产生的线偏振光,二向色性： 是指有些晶体对不同方向振动的电矢量，具有选择吸收的性质。如：电气石（晶体）、聚乙烯醇片、硫酸碘奎宁晶体等。偏振片： 只允许某一方向的电矢量的光通过，该方向为偏振片的透振方向。 含有平行地排列起来的长链聚合物分子的薄膜就是一偏振片。,5.2线偏振光与部分偏振光,9,透振方向：偏振片上能透过电矢量振动的方向。起偏器：能以某种方式选择自然光中的一束线偏振光，而摈弃另一束线偏振光的光学器件。用来产生平面偏振光的器件。自然光经过起偏器后可以转变成线偏振光。检偏器：能够将偏振光以特殊的光强形式显现。用来检验平面偏振光的器件偏振片既可以用作起偏器，也可以用作检偏器,10,线偏振光的电矢量：,11,马吕斯定律： 偏振片的特点是只允许电振动沿透振方向的光通过；自然光通过无吸收的理想偏振片后其强度应减为原来的一半。,12,如图：自然光通过偏振片 P1后为振幅为A，方向平行于 P1的透振方向的平面偏振光 光继续传播，通过与P1的透振方向成 角的偏振片P2时，只有过与偏振片P2的透振方向平行的、振幅为 的平面偏振光才能透过。有： 线偏振光通过检偏器后透射光强随 角变化的规律：,13,5.2.2、反射光的偏振态, 反射光的偏振态 当一束自然光在两种介质界面上反射和折射时，反射光和折射光的传播方向由反射定律和折射定律决定，而其偏振态则由电磁场的边界条件决定（菲涅尔公式）：,14,讨论： 在,反射光为自然光。,15, 当自然光以其它任何角度（除0、90 外）入射时，有,反射光为部分偏振光光,16,部分偏振光的图示：偏振度P：讨论： if： if ：,17,布儒斯特定律：,，即,18,5.2.3、透射光的偏振态,自然光以任意入射角入射时，折射后从介质透射出来的光总是部分偏振光。 只是在以布儒斯特角入射时，电矢量的平行分量是100%透过，这时透射光的偏振度最高。利用菲涅耳公式给予解释,Ap1,，As1,，,19,由：,，将,代入，得：,同理：,又由：,，将,代入，得：,同理，得：,显然：多次折射后，,0 ，,透射光由部分偏振光转变为全偏振光,20,采用多次折射的方法，亦可获得线偏振光： 自然光以布儒斯特角入射到透明介质堆上时，透射光几乎是线偏振光，它的电矢量平行于入射面。 在偏振光分析和激光技术中，广泛地应用着反射起偏和透射起偏。,21,5.3光通过单轴晶体时的双折射现象5.3.1、双折射现象, 双折射：同一束入射光折射后分成两束的现象。 o光和e光： 寻常光（ordinary ray）：遵从折射定律传播； 或折射率为常数。 非常光（extraordinary ray）：不遵从折射定律。 或折射率为变量,22,注意： o光和e光只有在双折射晶体内部才有意义，是两束折射光，射出晶体以后就没有意义了。,23,5.3.2、光轴和主截面, 光轴：若改变入射光的方向，将发现在晶体内存在着一些特殊的方向，沿着这些特殊方向传播的光并不发生双折射，即o光和e光的传播速度和传播方向都一样。这些特殊的方向就称为晶体的光轴。注意：晶体光轴仅表示一个方向，用一系列平行线表示。几何光学中的光轴是一条固定直线。如： ，,24,单轴晶体： 只有一个光轴的晶体。如方解石（碳酸钙、冰洲石）、石英（水晶）、红宝石等。双轴晶体： 有两个光轴的晶体。如云母、硫磺、黄玉等。多轴晶体： 有三个或以上光轴的晶体。,25, 主截面： 包含晶体光轴和一条给定光线的平面叫做与这条光线相对应的晶体的主截面。 如：通过光轴和o光所作的平面就是和o光对应的主截面；通过光轴和e光所作的平面就是和e光对应的主截面。 o光和e光都是线偏振光,但它们的光矢量的振动方向不同： o光的振动面垂直于自己的主截面；e光的振动面平行于自己的主截面。 注意：晶体主截面是一个确定平面。几何光学中的主截面是包含光轴的一系列平面。,26,一般情况下，o光和e光的主截面并不重合；仅当光轴位于入射面内时，这两个主截面才严格的相互重合。在大多数情况下，这两个主截面之间的夹角很小，o光和e光的振动面几乎互相垂直。 我们为讨论问题简便，在没有特别强调的情况下，认为o光和e光这两个主截面共面，o光和e光的振动面互相。,27,5.3.3、o光和e光的相对光强,不论是自然光，还是线偏振光，当它们入射到单轴晶体时，一般都会发生双折射。 在自然光入射的情况下，o光和e光的振幅相同； 而在线偏振光入射时，o光和e光的振幅不一定相同，且随着晶体方向改变，其振幅也发生变化。,28,AA垂直入射的线偏振光的振动面与纸 面的交线。 晶体的主截面与纸面的交线。 振动面与主截面的夹角。,29,又 o光的振动面垂直于主截面， e光的振动面平行于主截面. 即：,角,光传播速度和光轴的夹,30,如果：o光和e光射出晶体后都在空气中传播，此时则没有o光和e光之分，则： 显然：o光和e光的相对光强随 角的改变而改变，当晶体绕入射光传播方向为轴旋转时，两束光的相对光强也就不断变化。,31,讨论： 当 = ，即晶体主截面垂直于入射偏振光的振动面时， 当 ，即晶体主截面平行于入射偏振光的振动面时，,32,当（ 为任意角 且）扩大入射光束使o光和e光相互重叠时，则：即不论晶体怎样转动，重叠部分强度不变。,o,33,5.4 光在晶体中的波面,1960年，惠更斯假定：振动方向垂直于主截面的光是o光，它们沿着一切方向传播的速度都相同。o光的波面是一个球面。 振动方向平行于主截面的光是e光，它在不同方向有不同的传播速度。e光的波面是旋转椭球面。 此处的波面 完全包住一个单色点光源的波阵面。,34,各向异性介质中的受迫振动 各向异性晶体内部的微观粒子也是各向异性的振子，为次波波源； 各向异性晶体内部的固有频率在三个互相垂直的方向上各不相同：w1、w2、w3，在不同方向上振动的相位不同-传播速度不同。 单轴晶体内部固有w1、w2=w3，其中， w1为平行于光轴方向的固有频率，w2为垂直于光轴方向的固有频率。,35,1、寻常光的传播 振动方向垂直于主截面的光是o光，它们沿着一切方向传播的振动方向都垂直于光轴，其传播速度都相同。o光的波面是一个球面。 2、非常光的传播 振动方向平行于主截面的光是e光，它在不同的传播方向与光轴有平行、垂直或成任意夹角，具有不同的传播速度。但关于光轴和与光轴垂直方向对称，故e光的波面是旋转椭球面。,36,对于o 光而言，它的传播方向总是垂直于波面。 对于截面不大的e光束来说，它的传播方向仅在光轴和与光轴垂直的方向上，与波面垂直，其余则不垂直于波面。我们一般讨论时都假设传播方向与波面垂直。 光在单轴晶体中传播时，沿着光轴方向传播的光，速度都相同，不发生双折射。,37,（光轴方向：,旋转椭球面在球面之外,旋转椭球面在球面之内,=,),o,v,e,v,晶体的分类：正晶体：负晶体：,38,5.5 光在晶体中的传播方向,5.5.1、单轴晶体内o光与e光的传播方向 利用晶体中波面的特点和惠更斯作图法，便可确定晶体内o光和e光的传播方向，下面以方解石为例： （因为方解石的双折射现象非常明显，且方解石在偏振器件中应用广泛. ）,39, 惠更斯作图法-平行光斜入射： o光的传播方向垂直于它的波面，e光的传播方向不垂直于它的波面。 利用传播方向与波面的垂直关系，先找波面，在确定方向。 光轴在入射面内 o光和e光也都在入射面内，相应的两个主截面都和入射面重合。 o光的振动垂直于图面(小黑点)，e光的振动平行于图面（短线条）。,40, 光轴不在入射面内 e光不在入射面内，o光和e光的主截面不再重合。 光轴不在入射面内并与入射面垂直 o光和e光的主截面重合，且e光在不同的传播方向上，传播速度相同。 显然， 、 中的e光不满足折射定律 注意：当一束光与光轴平行地入射到晶体时，e光与入射光线在表面法线的同侧。此时必产生双折射。,41, 平行光束垂直入射 o光和e光在晶体中沿同一方向传播。 光轴垂直于晶体表面并平行于入射面 光在晶体内、外都沿着光轴传播，两束光不再分开，且传播速度相同，所以不发生双折射。,42, 光轴平行于晶体表面并垂直于入射面 o光和e光的传播方向相同，但二者波面不重合（传播速度不同），传播一段距离后，o光和e光有相位差 有双折射。 传播方向相同，但传播速度不同，也是产生了双折射。,43, 光轴平行于晶体表面并平行于入射面 o光和e光的传播方向相同，但其传播速度不同，波面不重合，传播一段距离后，o光和e光有相位差， 有双折射。 实际上，、是对应于相同的情况，它们代表同一组球面和椭球面的两个不同截面。,44,5.5.2、单轴晶体的主折射率方解石： =1.65836， =1.48641石英： =1.54425， =1.55336 （e光沿垂直于光轴的方向传播）,光轴垂直于入射面）,(,常数，,常数,45,5.6 偏振器件,由o光和e光的特点，利用晶体制作的光学元件：,46,5.6.1、尼科耳棱镜, 原理： 利用双折射现象，将自然光分成 o 光和 e 光，再利用全反射把o光反射到棱镜侧壁上，只让e光通过棱镜，从而获得一束振动方向固定的线偏振光，其振动面称为尼科耳棱镜的主截面。 一般利用双折射现象明显的方解石制作尼科耳棱镜。,47, 结构：,.,用加拿大树胶粘结,割开方解石，,再沿对角线,再将两端面磨掉一部分，使夹角,的平行六面体，,将方解石割制为,48, 光路： 对e光来说，树胶相对于方解石是光密介质；对o光来说，树胶相对于方解石是光疏介质。 入射光平行于棱 o光不能透出； 而e光因 不能产生全反射，全部透射出来。,全反射,49, 入射光不是平行于 由 o 光恰能全反射的条件，可得入射极限角 S M 。 尼科尔棱镜端面打磨也是为使入射光的发散角上下对称。 注意：在使用尼科耳时，应避免用高度会聚或发散的光束，激光作为入射光束最为理想。,50, 应用： 尼科耳可以作为起偏器，也可以作为检偏器。 作为检偏器： 透射出尼科耳后的线偏振光（e光）的光强为： 其中：,51, 自然光连续通过两个尼科耳： N1 起偏器，N2 检偏器， 两尼科耳主截面(e光)之间的夹角。a. 平行尼科耳： 自然光通过平行尼科耳时透射光最强。b. 正交尼科耳： 自然光通过正交尼科耳时透射光强为0。,52,5. 傅科棱镜： 仅以空气层代替加拿大树胶。横截面相同时，长度较尼科耳短，AC:AB=0.9。 优点： 可用于紫外线（加拿大树胶对紫外线有强烈吸收，尼科耳对此波段不适应用）； 制造成本较低（长度较尼科耳短，材料使用少） ； 更坚固耐用（长度短，稳定性相对就好）。,53,5.6.2、沃拉斯顿棱镜,1、作用： 能获得两束互相分开的、振动互相垂直的线偏振光。2、结构： 由两个光轴互相垂直的直角三棱镜组成，一般仍使用方解石制作。,54,3. 光路： 自然光垂直入射 ,55,5.6.3、波晶片（波片）,1. 定义： 由单轴晶体切割成的光轴平行个表面且能使 o 光和 e 光沿同一方向传播并产生一定相位差的薄片。2. 原理： 当一束振幅为A0 的平行光垂直入射到波片上时，在入射点分解成的 o 光和 e 光的相位是相等的。但光一进入晶体，由于 o光和 e光的传播速度不同，其波长也不相同，所以就逐渐形成相位不同的两束光。,56,这两束光在波片内引起的振动分别为： . 其中：o、 e 是在波片中o光和e光的波长，r 是光波进入波片中的某点离波片表面(入射点)的距离。 在波片中，两束光的相位差为：,.,57,可见：两束光在波片内不同深度的各点 不同。 当两束光射出波片后，其相位差即为：可见：,注意：自然光通过任何一个波片，由于相位差不恒定，出射光依然是自然光。,58,3. 种类： 实际上： 半波片：,波片：,4,1,59,半波片的特点： 线偏振光垂直入射到半波片而透射后，仍为线偏振光。若入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过 2。 全波片： 全波片的特点： 线偏振光垂直入射到全波片而透射后，仍为振动方向不变的线偏振光。其余应用，以后各节再讲。 此外还有 波片及任意波片等。,60,5.7.1、椭圆和圆偏振光的描述, 椭圆偏振光： 椭圆偏振光指的是电矢量的端点在波面内描绘出的轨迹是椭圆；它可用两列频率相同、振动方向相互垂直、相位差恒定且沿同一方向传播的线偏振光的叠加描述。,5.7 椭圆偏振光和圆偏振光,61,椭圆的方向取决于相位差 。迎着光传播的方向观察，电矢量端点描出的椭圆沿顺（逆） 时针方向，则为右（左）旋椭圆偏振光。,.,为界的矩形框内。,椭圆的大小限制在以,y,y,y,x,x,A,E,A,E,y,kz,t,A,x,kz,t,A,y,E,x,E,E,kz,t,A,E,kz,t,A,E,=,=,D,+,-,+,-,=,+,=,D,+,-,=,-,=,),cos(,),cos(,),cos(,),cos(,j,w,w,j,w,w,Q,62,若,则椭圆的半长轴与半短轴分别与入射的两振动方向平行，此时的椭圆偏振光称为正椭圆偏振光,63, 圆偏振光： 电矢量的端点在波面内描绘出的轨迹是圆。 当 在光的传播方向上任意一个场点电矢量端点的轨迹是一个圆圆偏振光。 半波片使左旋圆偏振光转变成了右旋圆偏振光。,64,5.7.2、椭圆和圆偏振光的获得,利用波片产生具有一定相位差的两相互垂直振动的线偏振光。 一束线偏振光 垂直入射到 波片上，且 振动方向与光轴有一定夹角时，有 此为正椭圆偏振光，若波片任意，则获得斜椭圆偏振光。,65,对于负晶体制作的 波片,66,当入射线偏振光的电矢量振动方向与 波片的光轴成角 时， 此时，从 波片出射的光为圆偏振光。 出射后： 当k=0，2，4，.时，出射光是右旋圆偏振光； 当k=1，3，5，.时，出射光是左旋圆偏振光。,即：,67,5.7.3、自然光改造成椭圆或圆偏振光,1. 自然界中大多数光源发出的光是自然光，如果把自然光直接入射到波片上，出射后，不可能得到椭圆偏振光，仍然为自然光。 2. 要使自然光转化为椭圆偏振光，首先必须通过一个偏振器产生线偏振光，然后将它垂直入射到一块波片上。,68,一个恰当取向的起偏器和一块波片的串接组合椭圆偏振器。自然光通过椭圆偏振器后转化为椭圆偏振光。,69,3. 要使自然光转化为圆偏振光，首先必须通过一个偏振器和一块 波片，其次必须使起偏器的透振方向与 波片的光轴成 角。 透振方向与光轴成 角的一个起偏器和一个 波片的串接组合圆偏振器。 自然光通过圆偏振器后就转化成圆偏振光。,70,5.8 偏振态的实验检验,偏振光有五种不同的偏振态，它们对于人眼看起来是一样的，要决定光束的偏振态，必须借助于检偏器。,71,5.8.1、线偏振光的检验,消光现象：透射时光的强度为 0 。,两次极大，两次消光现象,两次极大，两次极小，无消光现象,两次极大，两次极小，无消光现象,光强不变，无消光现象,光强不变，无消光现象,利用一块偏振片可以将线偏振光区分出来。,检偏,72,1、圆偏振光的检验： 利用一块偏振片可以将圆偏振光与自然光区分出来， 再利用一块 波片，就可将圆偏振光改造成线偏振光，再利用线偏振光的检验，确定圆偏振光。,5.8.2、圆和椭圆偏振光的检验,圆偏振光,波片,线偏振光,检偏器,两次极大，两次消光现象,73,2、椭圆偏振光的检验： 利用一块偏振片可以将椭圆偏振光与部分偏振光区分出来， 再利用一块 波片，就可将正椭圆偏振光改造成线偏振光，再利用线偏振光的检验，确定椭圆偏振光。 将坐标轴旋转斜椭圆就改造为正椭圆。,74,光通过旋转的偏振片后情景：,75,5.8.3、补偿器,原理： 引进了可变的 ，使波长的影响可消除，巴俾涅补偿器（细光束）：索列尔补偿器（宽光束）：,76,5.9.1、偏振光干