波光光的偏振PPT课件

1、15.1 光的偏振状态光的偏振状态一一. 完全偏振光完全偏振光E播传方向振动面面对光的传播方向看线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：EEyEx yx1.线偏振光线偏振光（linearly polarized light） sinEEy cosEEx 表示法：表示法： 光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面第第2页页/共共79页页第1页/共79页2右旋圆偏振光 0 y yx z传播方向 /2x某时刻右旋圆偏振光 E 随 z 的变化E2. 圆偏振光圆偏振光（circularly polarized light）和和 线、圆和椭圆偏振光均称为线、

2、圆和椭圆偏振光均称为完全偏振光。完全偏振光。椭圆偏振光（elliptically polarized light）左旋椭圆偏振光第第3页页/共共79页页第2页/共79页3为某个确定值的为某个确定值的线偏振光的合成。线偏振光的合成。右旋圆偏振光的合成。右旋圆偏振光的合成。圆和椭圆偏振光可看成是两束频率相同、传播方向一致、振动方向相互垂直、相位差反之，线偏振光则可以看成是两束频率相同、相位相同、振幅相同、传播方向亦相同的左、相位差相位差 /2或或3 /2x y yxx，y振幅相同，相位差不等于相位差不等于 0，和 2 /2，3 /2第第4页页/共共79页页第3页/共79页4二二. 自然光自然光（n

3、atural light）垂直的、等幅的、垂直的、等幅的、不相干不相干的线偏振光。的线偏振光。yxEE xyxIIII2 自然光的表示法：自然光的表示法：没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解一束自然光可分解为两束振动方向相互非相干非相干第第5页页/共共79页页第4页/共79页5三三. 部分偏振光部分偏振光表示法：表示法： 自然光和完全偏振光的混合，就构成了自然光和完全偏振光的混合，就构成了部分部分最常讨论的部分偏振光可看成是自然最常讨论的部分偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合，偏振光。分解分解非相干非相干平行板面的平行板面的光振动较强光振动较强 垂直板面的垂直板面的光振动较强光振

4、动较强反射光反射光就是这种部分偏振光，就是这种部分偏振光，天空的散射光和水面的天空的散射光和水面的它可以分解如下：第第6页页/共共79页页第5页/共79页6四四. 偏振度偏振度（degree of polarization） pnptpIIIIIP Ip 部分偏振光中包含的完全偏振光的强度部分偏振光中包含的完全偏振光的强度It 部分偏振光的总强度部分偏振光的总强度In 部分偏振光中包含的自然光的强度部分偏振光中包含的自然光的强度完全偏振光完全偏振光 （线、圆、椭圆）（线、圆、椭圆） P = 1自然光自然光 （ 非偏振光）非偏振光） P = 0部分偏振光部分偏振光 0 P no负晶体：负晶体：n

5、e novot vet光轴点波源点波源votve t光轴evvcnee e光：光：oonv(ve vo)如：石英、冰如：石英、冰如：方解石、红宝石如：方解石、红宝石vot光轴光轴vetvot第第41页页/共共79页页第40页/共79页41 ee三三. . 单轴晶体中光传播的惠更斯作图法单轴晶体中光传播的惠更斯作图法 1. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射光轴平行晶体表面，自然光垂直入射光轴晶体 o、 e方向上虽没分开，方向上虽没分开，下面以负晶体(ve vo)为例，介绍该方法：oo但速度上是分开的，这仍是双折射。这仍是双折射。 以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法，以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法

6、，是研究光在晶体中传播的重要方法。第第42页页/共共79页页第41页/共79页42o e2. 光轴平行晶体表面，且垂直入射面，光轴平行晶体表面，且垂直入射面， 晶体光轴reivotve eto ectoooncir vsinsinnreeeci vsinsin自然光斜入射在这种特殊的情况下，对在这种特殊的情况下，对e 光也可以用光也可以用折射定律。r0第第43页页/共共79页页第42页/共79页433. 光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射 e方解石光轴o此时此时e光的波面不再与其波射线垂直了。光的波面不再与其波射线垂直了。ooee晶体光轴这正是前面演示的情形。

7、这正是前面演示的情形。注意：注意：第第44页页/共共79页页第43页/共79页445.5 椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光一一. 晶体起偏器件晶体起偏器件 1. 晶体的二向色性、晶体偏振器晶体的二向色性、晶体偏振器 某些晶体对某些晶体对o光和光和e光的吸收有很大差异，光的吸收有很大差异， 例如，电气石对例如，电气石对o光有强烈吸收，光有强烈吸收， 光轴光轴e光光电气石电气石光轴光轴对e光吸收很弱，用它就可以产生线偏振光。这叫晶体的二向色性（dichroism）。第第45页页/共共79页页第44页/共79页452. 偏振棱镜偏振棱镜 偏光棱镜：偏光棱镜： 光轴的取光轴的取向使向使e光对应

8、光对应的恰是的恰是 ne 。no（1.6584） n（1.55） ne（1.4864）i 临界角，临界角，o 光全反射了，光全反射了，e 光可通过。光可通过。偏振棱镜可由自然光获得高质量的线偏振光，可由自然光获得原方向的线偏振光如：如： 光轴光轴方解石方解石加拿大树胶 (n = 1.55)oe吸收涂层i格兰格兰 汤姆孙棱镜汤姆孙棱镜它又可分为它又可分为偏光棱镜偏光棱镜和和偏光分束棱镜。偏光分束棱镜。第第46页页/共共79页页第45页/共79页46 偏光分束棱镜：偏光分束棱镜： 可由自然光获得分开的两束线偏振光。ee12方解石方解石o光轴光轴光轴光轴沃拉斯顿棱镜沃拉斯顿棱镜o如：如： 光进入到第

9、光进入到第1块方块方解石后，解石后， o光和光和 e光光在方向上没有分开，在方向上没有分开，由于方解石2和方解石1二者光轴垂直，当光进入到方解石2时，o 光变成e光，e光变成o 光，于是两光束在界面处发生折射而分开。第第47页页/共共79页页第46页/共79页47二二. 晶体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏晶体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏1. 晶片晶片 相位延迟片相位延迟片晶片晶片是是光轴平行表面的晶体薄片。光轴平行表面的晶体薄片。ydxAAoAe线偏振光光轴 AAoAe光轴P， sinAAo 振幅关系：振幅关系： cosAAe 椭圆偏振光椭圆偏振光d光轴晶片晶片从晶片出射的两束光由于出现相位

10、差，而合成为一束椭圆偏振光。第第48页页/共共79页页第47页/共79页48 通过厚为通过厚为d的晶片，的晶片，o、e光产生相位差为：光产生相位差为： 2 dnnoe），（eoAA 4 23,2 则出射光为圆偏振光。则出射光为圆偏振光。若若且且ydxAAoAe线偏振光光轴 椭圆偏振光椭圆偏振光d光轴晶片晶片或圆偏振光或圆偏振光第第49页页/共共79页页第48页/共79页49 2. 波（晶）片波（晶）片 （1）四分之一波片）四分之一波片（quarter-wave plate）4 线偏振光线偏振光圆偏振光圆偏振光2 , 0 线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光可从线偏振光获得椭圆或圆偏振光可从线偏振光

11、获得椭圆或圆偏振光（或相反）（或相反）（是对某个确定波长（是对某个确定波长 而言的）而言的）波片厚度满足波片厚度满足4 dnnoe2 240， 线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光第第50页页/共共79页页第49页/共79页50（2）二分之一波片）二分之一波片2 dnnoe可使线偏振光振动面转过可使线偏振光振动面转过2 角度角度Ao入入Ao出出A入入A出出Ae入入= Ae出出光轴光轴（3）全波片）全波片2 dnnoe三三. 椭圆与圆偏振光的检偏椭圆与圆偏振光的检偏 用四分之一波片和偏振片用四分之一波片和偏振片可区分出可区分出自然光自然光和和或部分偏振光和椭圆偏振光。圆偏振光，第第51页页/共共

12、79页页第50页/共79页51 四分之一波片四分之一波片圆偏振光圆偏振光自然光自然光自然光自然光线偏振光线偏振光 偏振片（转动）偏振片（转动）线偏振光线偏振光 I不变不变线偏振光线偏振光I 变，有消光变，有消光以入射光方向为轴以入射光方向为轴 四分之一波片四分之一波片椭圆偏振光椭圆偏振光部分偏振光部分偏振光线偏振光线偏振光 偏振片（转动）偏振片（转动）线偏振光线偏振光I 变，有消光变，有消光 部分部分偏振光偏振光 光轴平行最大光强或最小光强方向放置光轴平行最大光强或最小光强方向放置线偏振光线偏振光I变变, 无消光无消光或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置第第52页页/共共79页页第51页/共7

13、9页52 如何区分由自然光和椭圆偏振光组成的如何区分由自然光和椭圆偏振光组成的 部分偏振光与由自然光和线偏振光组成部分偏振光与由自然光和线偏振光组成 的部分偏振光？的部分偏振光？ 思考思考 如何区分由自然光和圆偏振光组成的部分 偏振光与自然光？第第53页页/共共79页页第52页/共79页535.6 偏振光的干涉偏振光的干涉一一. 偏振光干涉装置偏振光干涉装置偏振化方向偏振化方向偏振片P2 单色自然光偏振片P1偏振化方向偏振化方向d晶片C光轴方向光轴方向二二. 偏振光干涉的分析偏振光干涉的分析1. 振幅关系振幅关系AoA2oP2P1CA1AeA2e在在P2 后：后：相干相干在P1 后： sin1

14、AAo cos1AAe cossincos12 AAAoooeeAAAA212cossinsin 屏屏第第54页页/共共79页页第53页/共79页54通过晶体通过晶体C后：后：oecnnd 2此两束光合成为一束椭圆偏振光。此两束光合成为一束椭圆偏振光。再通过再通过P2 后：后：2 oecnnd 2. 相位关系相位关系), 2 , 1(,2122 knnkdkoe 相长干涉相长干涉 oennkdk )12( 相消干涉相消干涉 若单色光入射，若单色光入射，则屏上为等厚条纹。且d不均匀，（若（若P1、P2夹角小于夹角小于 ，则无附加相位差）第第55页页/共共79页页第54页/共79页55石英劈尖的偏

15、振光干涉（等厚条纹）石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）第第56页页/共共79页页第55页/共79页56于某种颜色干涉相消，而呈现它的于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色，互补色，三三. 色偏振色偏振（chromatic polarization）若白光入射，且晶片若白光入射，且晶片d 均匀，均匀，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。红色红色（656.2 nm）相消相消如：如：蓝色蓝色（485.4nm）相消相消 色偏振是检验材料有无双折射效应的灵敏方法，色偏振是检验材料有无双折射效应的灵敏方法，用显微镜观察各种材料在白光下的色偏振，分析物质内部的某些结构 偏光显微术。则：

16、屏上由这叫（显）色偏振。绿色（492.1nm）；黄色（585. 3 nm）。可以第第57页页/共共79页页第56页/共79页57硫代硫酸钠晶片的色偏振图片硫代硫酸钠晶片的色偏振图片第第58页页/共共79页页第57页/共79页58 5.7 人工双折射人工双折射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。一一. 光弹效应光弹效应（photoelastic effect）应力应力各向异性各向异性SFknnoe 在一定应力范围内：在一定应力范围内：光弹效应也叫应力双折射效应。 v 各向不同 n各向不同FFP1P2 dS干涉有机玻璃C第第59页页/共共79页页第58页/共79页5

17、922 SFdknndoe 各处各处 不同不同各处各处 不同不同出现干涉条纹，出现干涉条纹，SF 模模型型的的光光弹弹图图象象吊吊钩钩的的光光弹弹图图象象 变变 变变干涉情况变。干涉情况变。SF 第第60页页/共共79页页第59页/共79页60二二. 电光效应电光效应（electro optic effect）电光效应电光效应也叫也叫电致双折射效应。电致双折射效应。1.克尔效应克尔效应 （kerr effect） （1875年）年）45P2盒内充某种液体，如硝基苯（盒内充某种液体，如硝基苯（C6H5NO2）l+-克尔盒dP145 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

18、电场加电场液体呈单轴晶体性质，液体呈单轴晶体性质，光轴平行电场强度光轴平行电场强度 P2透光。透光。E第第61页页/共共79页页第60页/共79页61222dUkkEnnoe 二次电光效应二次电光效应k 克尔常数，克尔常数，U 电压电压克尔效应引起的相位差为：克尔效应引起的相位差为： 2 22dkUllnnoek 则产生则产生2218V/m1044. 1 k硝基苯，若 l = 3cm，d = 0.8cm，对 = 600nm的黄光，时，时， k 克尔盒相当半波片，P2透光最强 。V1024 U。时的电压k= 第第62页页/共共79页页第61页/共79页62可作为可作为光开关光开关（响应时间（响应

19、时间 10 9s），）， 克尔盒的应用：克尔盒的缺点：和加数万伏的高电压，用于高速摄影、激光通讯、光速测距、脉冲激光系统（作为Q开关）硝基苯有毒，需要极高的纯度故现在很少用。易爆炸，第第63页页/共共79页页第62页/共79页632. 泡克尔斯效应泡克尔斯效应（pockels effect）（1893年）年）。电光晶体+。-P1P2KK泡克尔斯盒光传播方向与电场平行，光传播方向与电场平行， 21PP 电极电极K和和 K透明，透明，晶体是单轴晶体，晶体是单轴晶体， 不加电场不加电场 P2 不透光。不透光。 加电场加电场晶体变双轴晶体晶体变双轴晶体了双折射效应了双折射效应原光轴方向附加 P2 透光

20、。光轴沿光传播方向。第第64页页/共共79页页第63页/共79页64no o光在晶体中的折射率；泡克尔斯效应引起的相位差：泡克尔斯效应引起的相位差：rUnop32 线性电光效应线性电光效应r 电光常数；电光常数； 时，时，P2透光最强。透光最强。 p KH2PO4（KDP）、）、NH4H2PO4（ADP）等等 对对 = 546nm的绿光，的绿光， 如如KDP no =1.51， ，m/V106 .1012 r时时， p 。V106 . 73 UU 电压。激光调激光调Q，超高速开关（响应时间小于109s），数据处理显示技术，应用：单晶都具有线性电光效应。第第65页页/共共79页页第64页/共79

21、页65后空翻动作后空翻动作高速摄影图片：击高尔夫球的动作击高尔夫球的动作第第66页页/共共79页页第65页/共79页66牛牛奶奶滴滴向向盘盘中中的的牛牛奶奶第第67页页/共共79页页第66页/共79页67子弹射穿苹果的瞬间子弹射穿苹果的瞬间第第68页页/共共79页页第67页/共79页68三三. 磁致双折射磁致双折射科顿科顿 穆顿穆顿（Cotton-Mouton）效应：效应： 某些透明液体在磁场某些透明液体在磁场H作用下变为各向异性，作用下变为各向异性，HC2Hnnoe 二次效应二次效应需要很强的磁场才能观察到。需要很强的磁场才能观察到。性质类似于单轴晶体，光轴平行磁场。第第69页页/共共79页

22、页第68页/共79页695.8 旋光现象旋光现象一一. 物质的旋光性物质的旋光性（optical activity） 除石英外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖的除石英外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖的 旋光物质 a 旋光率旋光率 lla 1811年，法国物理学家年，法国物理学家阿喇果阿喇果（Arago）其振动面能发生旋转，其振动面能发生旋转，发现，线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时，这称为这称为旋光现象。旋光现象。光轴光轴水溶液等也都具有旋光性。第第70页页/共共79页页第69页/共79页70二二. 菲涅耳对旋光性的解释菲涅耳对旋光性的解释 线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确定线偏振光可看作是同频率、等

23、振幅、有确定相位差的左相位差的左(L)、右、右(R)旋圆偏振光的合成。旋圆偏振光的合成。实验表明，旋光率实验表明，旋光率 a 与旋光物质和入射波与旋光物质和入射波长有关，对于溶液，还和旋光物质的浓度有关。石英对石英对 = 589nm的黄光，的黄光，a = 21.75 /mm；而对而对 = 408nm的紫光，的紫光，a = 48.9 /mm 。 同一种物质也可以有同一种物质也可以有左旋体左旋体和和右旋体，右旋体，物质的旋光性是和物质原子排列结构有关的，原子排列互为镜像对称，原子排列互为镜像对称，它们的称为同分异构体。第第71页页/共共79页页第70页/共79页71RLRLnn vv 光通过旋光物

24、质后，初相位光通过旋光物质后，初相位EELERO在出射面上：在出射面上：， 02 lnRR。 02 lnLLLR 则则），即即（设设RLLRnnvv 设入射时L、R初相为0，旋光物质长为旋光物质长为l，同一时刻光通过光通过左旋左旋物质物质显然此物质为左旋体。显然此物质为左旋体。初相初相初相初相要滞后。ELERE入射面(a)出射面(b)ELERERL第第72页页/共共79页页第71页/共79页72由图示：由图示：LLR 2121LR 令令 )(LRnna 旋光率旋光率， la 则则 (a)(b) d出射面(b)ELERERLELERE入射面(a)21LR lnnLR )( 这既解释了旋光现象，这既解释了旋光现象，与物质（由nR和nL反映）和入射波长有关。又说明了旋光率a第第73页页/共共79页页第72页/共79页73三三. 量糖术量糖术对旋光溶液有对旋光溶液有C 溶液的浓度，溶液的浓度，“量糖计量糖计”可分析旋光（同分）异构体的成