第9章光的偏振

1、一、偏振光与自然光一、偏振光与自然光第一节第一节 偏振光概述偏振光概述 1、自然光自然光 具有一切可能的振动方向的许多光波之和。 特点特点：振动方向无规则性。 表示：表示：可用两个振动方向垂直的、强度相等的、位相关系不确 定的光矢量表示。 自然光自然光第九章第九章 光的偏振和偏振器件光的偏振和偏振器件偏振光方程：)(expexp2100kziaEikzaEyExEEyxyx2、偏振光：偏振光： 光矢量的振动方向和振幅大小有规则变化的光。 线偏振光：线偏振光：光矢量方向不变，其大小随位相变化。 圆偏振光：圆偏振光：光矢量大小不变，其方向绕传播方向均匀转动，且矢量末端轨迹为圆。 椭圆偏振光：椭圆偏

2、振光：光矢量大小和方向都在有规律地变化，且矢 量末端轨迹为椭圆。偏振光分类n 线偏振光线偏振光 振动平面： 光矢量与传播方向组成的平面 称为线偏振光的振动平面。01)exp(xikzaEExzxy沿沿x方向振动，大小发生变化方向振动，大小发生变化n 圆偏振光圆偏振光2)(exp )exp(020121ykziaxikzaEaa左旋右旋2z振动方向改变，大小不变振动方向改变，大小不变n 椭圆偏振光椭圆偏振光20)(exp )exp(020121ykziaxikzaEaa左旋椭圆光右旋椭圆光z振动方向和大小都变，轨迹为椭圆振动方向和大小都变，轨迹为椭圆minmaxminmaxIIIIIIPP总自然

3、光自然光部分偏振光部分偏振光3、部分偏振光部分偏振光：自然光在传播过程中，由于外界的作用 造成振动方向上强度不等，使某一方向上的振动比其它方向上的振动占优势。 表示表示：部分偏振光=完全偏振光+自然光 完全偏振光 Ip=Imax-Imin偏振度：二二、 偏振光的产生偏振光的产生 主要方法：主要方法： 1、利用反射和折射、利用反射和折射 2、利用二向色性、利用二向色性 3、利用晶体双折射、利用晶体双折射偏振分光镜偏振分光镜 ZnS(n2)冰晶石 (n1)45。n3 制作 原理 n3 膜层厚度 层数1、由反射和折射产生偏振光、由反射和折射产生偏振光入射角满足布儒斯特角入射角满足布儒斯特角二向色性二

4、向色性：各向异性的晶体对不同振动方向不同振动方向的偏振光有不同的吸收比。各向异性的晶体对光的吸收本领随波长改变随波长改变（选择吸收特性）外，还随光矢量相对晶体的方位而改变。2、由二向色性产生偏振光、由二向色性产生偏振光人造偏振片：人造偏振片：H偏振片和K偏振片三、三、 偏振光的检测和马吕斯定律偏振光的检测和马吕斯定律如果一入射线偏振光的电矢量振动方向和检偏器的透光轴成 q 角，则通过检偏器之后的光强 I 为：q20cosII起偏器起偏器：用来产生偏振光的偏振器件。检偏器检偏器：用来检验偏振光的偏振器件。EcosqEsinqy（透光轴方向）xq消光比：消光比：最小透射光强和最大透射光强之比。消光

5、比与最大透射比消光比与最大透射比（透过的最大光强之比）评价偏振器性能的主要参数。消光比小，最大透射比大，偏振器质量高验证马吕思定律的实验装置：验证马吕思定律的实验装置：自然光起偏器检偏器光电接收器P1P2Ecosqq1. 定义定义当一束单色光在各向异性各向异性晶体的界面折射时，可以产生两束折射光，这种现象称为双折射双折射。2. 寻常光（寻常光（o光）和非寻常光（光）和非寻常光（e光）光）两束折射光中，遵守折射定律的光称为寻常光（o光）；另外一束不遵守折射定律的光称为非寻常光（e光）。均为线偏振光说明：说明：1o光和e光与晶体密不可分 2折射定律的含义一、晶体的双折射现象一、晶体的双折射现象第二

6、节第二节 光在晶体中的传播光在晶体中的传播 双折射现象的发现：1669 丹麦科学家巴塞林纳斯二、晶体特性二、晶体特性 方解石晶体（CaCO3）钝隅折射定律有两个含义：折射定律有两个含义：A. 入射角和折射角的关系；B. 入射光线和折射光线与法线同在一个平面。1、光轴：、光轴：在双折射晶体中存在一个特殊的方向，当光束在这个方向传播时不发生双折射，此方向方向称为晶体的光轴。在光轴方向上，o 光和 e 光都遵守折射定律。而且： no=ne三、三、光线垂直入射时的双折射现象光线垂直入射时的双折射现象 a)晶体表面平行于光轴 b)晶体表面平行于光轴 c)晶体表面倾斜于光轴 d) 晶体表面垂直于光轴(a)

7、光轴光轴eeAoAAoA入射光入射光O光线垂直入射时的双折射现象光线垂直入射时的双折射现象(晶体表面平行于光轴晶体表面平行于光轴)EOE（b）光轴光轴eeAoAAoA入射光入射光O光线垂直入射时的双折射现象光线垂直入射时的双折射现象(晶体表面平行于光轴晶体表面平行于光轴)EO(c)光轴光轴eeAoAAoA入射光入射光EO光线垂直入射时的双折射现象光线垂直入射时的双折射现象EOAA(d)光轴光轴eeAoAAoA入射光入射光O光线垂直入射时的双折射现象光线垂直入射时的双折射现象(晶体表面垂直于光轴晶体表面垂直于光轴)EOE一、偏振器件一、偏振器件n 尼科耳棱镜（尼科耳棱镜（W.Nicol） 材料：

8、方解石48641. 1 ,65836. 1eonn1. 偏振偏振起偏起偏棱镜棱镜自然光入射，其中一束线偏振光发生全反射，只出射另一束偏振光第三节第三节 晶体偏振器件晶体偏振器件作用：产生偏振光或检测偏振光。55. 1Bn696584. 155. 1sinsin11cBcnnq加拿大树胶eBonnn O光全反射，透出的偏振光的光矢量与入射面平行e光n 格兰汤姆逊（格兰汤姆逊（Glan-Thompson）棱镜）棱镜AAqA光轴光垂直于棱镜端面入射时方解石直角棱镜胶合剂e光光o光光树胶折射率接近非寻常光折射率树胶折射率接近非寻常光折射率AAqA光轴ii孔径角的限制当入射光束不是平行光或平行光非正入射

9、时48641. 1,65836. 1eonn 55. 1Bn69cqnm3 .589加拿大树胶73q27. 3qtg长宽比：1:27. 3孔径角：1381q31. 6qtg长宽比：1:31. 6孔径角：4025. 3qtg孔径角：32甘油474. 1Bn90.72q长宽比：1:25. 3n 格兰付科（格兰付科（Glan-foucault）棱镜）棱镜qqAAa)光轴垂直入射面qqAAb)光轴平行入射面空气薄层优点：适用于紫外波段，能承受强光照射缺点：孔径角小，透射比不高e光光o光光n 渥拉斯顿棱镜（渥拉斯顿棱镜（Wollaston）：）： 利用两个正交的光轴分解光。材料：冰洲石，石英eonn 2

10、. 偏振偏振分束分束棱镜棱镜也称为双像棱镜也称为双像棱镜ffqqftgnne0arcsin改变振动方向互相垂直的两束线偏振光的传播方向，获得两束分开的线偏振光ABCDn 洛匈棱镜洛匈棱镜oenn 材料：石英只允许光从左方射入棱镜只允许光从左方射入棱镜！二、波片（位相延迟器）二、波片（位相延迟器）作用：o光和e光通过波片时的光程差与位相差：dnndnneoeo2D为波片厚度。使两个振动方向相互垂直的光产生位相延迟。使两个振动方向相互垂直的光产生位相延迟。制作：制作：用单轴透明晶体做成的平行平板，光轴与表面平行。自然光起偏器检偏器PAxy 波片 光轴快轴和慢轴：快轴：称晶体中传播速度快的光矢量方向

11、为快轴。慢轴：称晶体中传播速度慢的光矢量方向为慢轴。波片最常用的材料：云母，石英，聚乙烯醇薄膜22)41(mmdnneo , 对应的则称该波片是1/4波片，1/4波片的最小厚度：)(4mineonnd若当n0ne时，e光超前，波片的快轴为e 矢量方向。1、 /4波片波片性质：1) 线偏振光入射时，出射光为椭圆偏振光2) 与快慢轴都成45度线偏振光入射，出射光为圆偏振光3) 可以使圆偏振光或椭圆偏振光变成线偏振光4) 对某一特定波长的光产生某一特定的相位变化5) 自然光入射，出射光为自然光O光和e光产生的光程差) 12()21(mmdnneo对应的 , 称该晶片为二分之一波片。2、 /2波片波片

12、性质：1）椭圆偏振光入射时，出射光仍为椭圆偏振光，只是旋向相反；2）线偏振光入射时，出射光仍为线偏振光。若入射的线偏振光与快（慢）轴夹角为，出射光的振动方向向着快（慢）轴转动了2。线偏振光通过半波片后光矢量的转动线偏振光通过半波片后光矢量的转动入射时快（慢）轴出射时3、全波片、全波片mmdnneo2对应的 , 称该晶片为全波片。性质：1）不改变入射光的偏振状态；2）只能增大光程差。一、偏振光的变换一、偏振光的变换第四节第四节 偏振光的变换和测定偏振光的变换和测定1、椭圆偏振光的获得、椭圆偏振光的获得 方法方法：采用起偏器和/4波片从自然光中获得自然光线偏光椭圆偏振光q 波片xy快轴起偏器2、偏

13、振光的检验、偏振光的检验 方法：方法：利用位相延迟器和偏振器检偏器椭圆偏振光部分椭圆偏光部分线偏光光强变化，但不消光。检偏器椭圆偏振光部分线偏光部分椭圆偏光1/4波片有两个消光位置转动检偏器波片转过45光强不变光强变化，但不消光转动检偏器二、偏振光的测定二、偏振光的测定 线偏振光的测定线偏振光的测定 含义：含义：确定是否是线偏振光；测定线偏振光的振动方向。 出发点：马吕斯定律半影式检偏器：用以提高检偏器方位的定位精度。PHAy半影式检偏器工作原理半影式检偏器工作原理) (sin) (sin22222211qqqqOHIOHIxOAqP1qP2qH1H2三、光偏振应用三、光偏振应用 光的偏振调制

14、利用光经过各向异性物质的双折射现象。光的偏振调制利用光经过各向异性物质的双折射现象。l光弹效应：某些非晶体材料通常情况下是各向同性的，不光弹效应：某些非晶体材料通常情况下是各向同性的，不产生双折射现象，当受到外力作用时，就会产生双折射现产生双折射现象，当受到外力作用时，就会产生双折射现象，当外力除去时，双折射随之消失。象，当外力除去时，双折射随之消失。kPnneokPllnneo)()(sin2kPlIIol 光弹效应测力计的基本结构光弹效应测力计的基本结构为使电流为使电流I和和F成接近线性关系，光电测力计光路中放有若干云母片成接近线性关系，光电测力计光路中放有若干云母片7，用以产生附加光程差

15、。，用以产生附加光程差。本节重点内容回顾本节重点内容回顾1. 偏振光的定义与分类（线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振偏振光的定义与分类（线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振 光、部分偏振光及偏振度）。光、部分偏振光及偏振度）。2. 偏振光的产生（利用反射和折射、利用二向色性、利用散偏振光的产生（利用反射和折射、利用二向色性、利用散 射、利用晶体双折射、马吕斯定律和消光比）射、利用晶体双折射、马吕斯定律和消光比）3. 光在晶体中的传播（晶体的双折射现象、光线垂直入射晶光在晶体中的传播（晶体的双折射现象、光线垂直入射晶 体表面时的双折射现象）。体表面时的双折射现象）。4. 晶体偏振器件工作原理（偏振起偏棱镜、偏振分束棱镜、晶体偏振器件工作原理（偏振起偏棱镜、偏振分束棱镜、 波片）。波片）。5. 偏振光的变换、检验和测定。偏振光的变换、检验和测定。2、 o光和光和e光的主平面（单轴晶体）光的主平面（单轴晶体）n o光主平面光主平面：o光和晶体光轴组成的面为o主平面。o光振动方向垂直于o主平面。总与光轴垂直n e光主平面：光主平面：e光和晶体光轴组成的面为e主平面。e光振动方向位于e主平面。与光轴的夹角随着传播方向的不同而改变。3、主截面：、主截面：由光轴和晶体表面法线组成。由光轴和晶体表面法