CH15波动光学3

1、P.1/30第15章 波动光学光波：光波：特定频率范围内的电磁波特定频率范围内的电磁波.光矢量：光矢量：电磁波的电场强度电磁波的电场强度 矢量矢量.E 电磁波是横波，光矢量振动电磁波是横波，光矢量振动方向与光传播方向垂直方向与光传播方向垂直. 只有横波有偏振现象，而只有横波有偏振现象，而纵波无偏振问题纵波无偏振问题.通光方向通光方向腰横扁担进不了城门腰横扁担进不了城门P.2/30第15章 波动光学15.7.1 光的偏振态光的偏振态1. 线偏振光线偏振光a.线偏振光：线偏振光：光矢量只沿光矢量只沿一个固定方向振动一个固定方向振动. b.振动面：振动面：光振动方向与光振动方向与传播方向构成的平面传

2、播方向构成的平面.2.圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光(elliptically polarized light) 光矢量端点在垂直于光传播方向光矢量端点在垂直于光传播方向的截面内描绘出椭圆轨迹的截面内描绘出椭圆轨迹.检偏器旋检偏器旋转一周，光强两强两弱转一周，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播方向光矢量端点在垂直于光传播方向的截面内描绘出圆形轨迹的截面内描绘出圆形轨迹.检偏器检偏器旋转一周，光强无变化旋转一周，光强无变化.P.3/30第15章 波动光学3.自然光自然光 因原子发光的因原子

3、发光的“随机性随机性”，光矢量各向随机均匀分布，振光矢量各向随机均匀分布，振幅相等，称为幅相等，称为自然光自然光.EvEyExv自然光的图示法：自然光的图示法：各向光振动无固定相位关系各向光振动无固定相位关系.4.部分偏振光部分偏振光 一方向光振动较另其他方向一方向光振动较另其他方向占优势占优势.线偏振光与自然光的混线偏振光与自然光的混合合.P.4/30第15章 波动光学1.偏振片偏振片偏振化方向偏振化方向自然光自然光线偏振光线偏振光15.7.2 偏振片偏振片 马吕斯定律马吕斯定律 (1)偏振片：偏振片： 能吸收某一方向能吸收某一方向的光振动，而只让与之垂直的光振动，而只让与之垂直方向上的光振

4、动通过方向上的光振动通过 的一种的一种透明薄片透明薄片.(3) 自然光经起偏后光强变化自然光经起偏后光强变化 忽略偏振片的吸收，线偏振忽略偏振片的吸收，线偏振光强为入射自然光强的一半光强为入射自然光强的一半.(2)偏振化方向：偏振化方向：允许通过的光振动方向允许通过的光振动方向.偏振片的用途：偏振片的用途：“起偏起偏”和和“检偏检偏”自然光自然光偏振光偏振光 偏振光偏振光起偏起偏检偏检偏P.5/30第15章 波动光学2. 马吕斯定律马吕斯定律I0I0A1A2A 光强为光强为I0的线偏振光，透过的线偏振光，透过偏振片后，透射强度为：偏振片后，透射强度为：20cosII 0,0II 当：当：023

5、,2I当当：马吕斯定律的验证实验：马吕斯定律的验证实验：线线偏振光有两次消光现象偏振光有两次消光现象 例例15-14.已知自然光通过两已知自然光通过两个偏振化方向相交个偏振化方向相交60的偏振的偏振片，透射光强为片，透射光强为I1，今在，今在 这两这两偏振片之间再插入另一偏振片，偏振片之间再插入另一偏振片，它的偏振化方向与前两个偏振它的偏振化方向与前两个偏振片的偏振化方向均夹片的偏振化方向均夹30角，角，则透射光强为多少？则透射光强为多少？P.6/30第15章 波动光学解解:依题意依题意0I20II 1I21cosII60cos2II4114II III 30cos2II30cos421I13

6、I 43330cos12III149I 例例15-14.已知自然光通过两已知自然光通过两个偏振化方向相交个偏振化方向相交60的偏振的偏振片，透射光强为片，透射光强为I1，今在，今在 这两这两偏振片之间再插入另一偏振片，偏振片之间再插入另一偏振片，它的偏振化方向与前两个偏振它的偏振化方向与前两个偏振片的偏振化方向均夹片的偏振化方向均夹30角，角，则透射光强为多少？则透射光强为多少？例例15-15.一束光由自然光和线一束光由自然光和线偏振光混合组成，当它通过一偏偏振光混合组成，当它通过一偏振片时，发现透射光的强度随偏振片时，发现透射光的强度随偏振片的转动可以变化到振片的转动可以变化到5倍倍.求入求

7、入射光中自然光和线偏振光的强度射光中自然光和线偏振光的强度各占入射光强度的几分之几？各占入射光强度的几分之几？P.7/30第15章 波动光学解解:设入射光强度：设入射光强度：I0 ； 自然光强度：自然光强度：I10 ； 偏振光强度偏振光强度: I2020100III设通过偏振片后的光强分别为：设通过偏振片后的光强分别为： I ， I1 ， I210121II2202cosII 2201021cos21IIIII2010max210IIII时时10min2190III时时minmax5II10201021521III10202II31010II32020II20100III21III例例15-1

8、5.一束光由自然光和线一束光由自然光和线偏振光混合组成，当它通过一偏偏振光混合组成，当它通过一偏振片时，发现透射光的强度随偏振片时，发现透射光的强度随偏振片的转动可以变化到振片的转动可以变化到5倍倍.求入求入射光中自然光和线偏振光的强度射光中自然光和线偏振光的强度各占入射光强度的几分之几？各占入射光强度的几分之几？P.8/30第15章 波动光学偏振片的应用偏振片的应用立体电影立体电影P.9/30第15章 波动光学2n1n0ii900i2n1n一、反射和折射的起偏一、反射和折射的起偏折射光、反射光均为部分偏振光折射光、反射光均为部分偏振光折射光：折射光：入射面内的光矢量入射面内的光矢量大于大于垂

9、直入射面的光矢量；垂直入射面的光矢量；反射光：反射光：入射面内的光矢量入射面内的光矢量小于小于垂直入射面的光矢量垂直入射面的光矢量.此时，反射光为线偏振光此时，反射光为线偏振光)90cos(sincossintan0000iiii120sinsinnni即：即：120tannni P.10/30第15章 波动光学布儒斯特角：布儒斯特角：120arctannni 布儒斯特定律布儒斯特定律: 自然光以布儒斯特角入射到自然光以布儒斯特角入射到两不同介质表面，其反射光为两不同介质表面，其反射光为线偏振光，光振动垂直于入射线偏振光，光振动垂直于入射面面.2n1n0i120tannni 900iP.11/

10、30第15章 波动光学玻璃堆玻璃堆0i布儒斯特角布儒斯特角线偏振光线偏振光P.12/30第15章 波动光学 用偏光镜用偏光镜消除消除了了反射偏振光，使玻反射偏振光，使玻璃门内的人物清晰璃门内的人物清晰可见可见. .P.13/30第15章 波动光学流水画P.14/30第15章 波动光学方解石晶体双折射现象方解石晶体双折射现象(CaCO3 )寻常光线寻常光线(o光光)： 恒遵守通常折射定律的光线恒遵守通常折射定律的光线.非常光线非常光线(e光光)： 不遵守通常折射定律的光线不遵守通常折射定律的光线.检偏器检验表明：检偏器检验表明： o光和光和e光都是线偏振光光都是线偏振光.光轴光轴:在晶体中存在一

11、个特殊的方向，在晶体中存在一个特殊的方向，沿该方向不会产生双折射现象，沿该方向不会产生双折射现象，这一方向称为这一方向称为晶体的光轴晶体的光轴.15.9.1 晶体双折射现象的晶体双折射现象的基本规律基本规律P.15/30第15章 波动光学 主平面主平面:包含光轴和某光线包含光轴和某光线的平面称该光线的主平面的平面称该光线的主平面.o光振动光振动垂直垂直其主平面其主平面e光振动光振动平行平行其主平面其主平面 主截面主截面:包含光轴和晶面法包含光轴和晶面法线的平面线的平面. 入射光在主截面内时，入射光在主截面内时，两主平面重合两主平面重合.单轴晶体：单轴晶体：方解石方解石 石英石英 红宝石红宝石双

12、轴晶体：双轴晶体：云母云母 硫磺硫磺 蓝宝石蓝宝石o光在晶体中各方向传播速度光在晶体中各方向传播速度相同相同.e光在晶体中各方向传播速度光在晶体中各方向传播速度不同不同.15.9.2 惠更斯原理解释惠更斯原理解释双折射现象双折射现象ovev1.单轴晶体中光波的波面单轴晶体中光波的波面正晶体正晶体eovv P.16/30第15章 波动光学ovev15.9.2 惠更斯原理解释惠更斯原理解释双折射现象双折射现象1.单轴晶体中光波的波面单轴晶体中光波的波面正晶体正晶体eovv eevcn oovcn 2.主折射率主折射率:evoveoeonn vv负晶体负晶体(negative crystal)正晶体

13、正晶体(positive crystal)eoeonn vv 为为e光在旋转椭球光在旋转椭球长短轴方向上的折射率长短轴方向上的折射率.eonn 、P.17/30第15章 波动光学iCAB3.惠更斯作图法惠更斯作图法无双折射现象无双折射现象P.18/30第15章 波动光学 o光和光和e光都不折射，但速度和折射率不同，所以两波面并光都不折射，但速度和折射率不同，所以两波面并不重合不重合.由惠更斯原理解释双折射现象：由惠更斯原理解释双折射现象：P.19/30第15章 波动光学P.20/30第15章 波动光学15.9.3 偏振棱镜偏振棱镜(polarizing prism)1、尼科耳棱镜、尼科耳棱镜(

14、Nicol prism) 是将天然的方解石晶体按是将天然的方解石晶体按一定的要求加工成两块直角一定的要求加工成两块直角棱镜，然后再用特种树胶把棱镜，然后再用特种树胶把它们粘合起来制成一块斜长它们粘合起来制成一块斜长方形的光学棱镜方形的光学棱镜.树胶的折射率：树胶的折射率：55. 1no光的折射率：光的折射率：1.658one光的主折射率：光的主折射率：1.486enoennnoeACNMP.21/30第15章 波动光学2、沃拉斯顿棱镜、沃拉斯顿棱镜 两块光轴互相垂直的棱两块光轴互相垂直的棱镜粘接而成，可使两束线镜粘接而成，可使两束线偏振光分开偏振光分开.树胶的折射率：树胶的折射率：55. 1n

15、o光的折射率：光的折射率：1.658one光的主折射率：光的主折射率：1.486enoennnoeACNMP.22/30第15章 波动光学15.10.1 偏振光干涉偏振光干涉 从偏振片从偏振片P得到的线偏振光得到的线偏振光经过晶片经过晶片C后，成为两束相互后，成为两束相互之间有相位差而振动方向互相之间有相位差而振动方向互相垂直的垂直的o光和光和e光光.(相位差不等相位差不等于于 的整数倍时，构成椭圆偏的整数倍时，构成椭圆偏振光振光.) 椭圆偏振光再穿过一椭圆偏振光再穿过一个偏振片个偏振片A后，由于偏振后，由于偏振片只有一个偏振化方向，片只有一个偏振化方向，所以通过偏振片后，这所以通过偏振片后，

16、这两束互相垂直的同频率、两束互相垂直的同频率、相位差恒定的光，具有相位差恒定的光，具有了同一个振动方向，因了同一个振动方向，因此这两束光成了相干的此这两束光成了相干的偏振光偏振光.P.23/30第15章 波动光学 表示表示o光和光和e光通过偏振光通过偏振片片A时时,在平行其偏振化方在平行其偏振化方向的分振动，它们就是透向的分振动，它们就是透过偏振片过偏振片A的相干光的相干光.若为若为复色光入射时，晶体对不复色光入射时，晶体对不同波长的光干涉条件各不同波长的光干涉条件各不相同，因此在检偏器后应相同，因此在检偏器后应看到不同的颜色，这种情看到不同的颜色，这种情况，我们称之为况，我们称之为色偏振色偏

17、振(chromatic polarization). A1表示入射偏振光的光矢表示入射偏振光的光矢量，量，Ao和和Ae分别为分别为A1在平行在平行和垂直于晶体主截面方向上的和垂直于晶体主截面方向上的分量分量A2o和和A2e.P.24/30第15章 波动光学经晶片：经晶片： o光和光和e光的位相差为光的位相差为dnneo)(21P2P1AeAoA振幅为振幅为sin1oAA cos1AAeeA2oA2-满足相干条件满足相干条件经经振幅为：振幅为：cos2ooAAsin2eeAAsincos1Asincos1A dnneo)(2讨论：讨论：干涉极大，视场最亮干涉极大，视场最亮.2122eokdnnk

18、 或当干涉极小，视场最暗干涉极小，视场最暗.kdnnkeo12或当P.25/30第15章 波动光学色偏振色偏振P.26/30第15章 波动光学15.10.2 人为双折射人为双折射 有些各向同性的非晶体或液有些各向同性的非晶体或液体，受外界的人为因素影响而体，受外界的人为因素影响而转变为各向异性，呈现出双折转变为各向异性，呈现出双折射现象射现象.这种现象称为这种现象称为人为双折人为双折射射.1.光弹性效应光弹性效应(photoelastic effect) 某些非晶体物质，在力的作某些非晶体物质，在力的作用下发生形变时，将失去非晶用下发生形变时，将失去非晶体的各向同性的特征而具有晶体的各向同性的

19、特征而具有晶体的性质，从而也能呈现出双体的性质，从而也能呈现出双折射现象折射现象.P.27/30第15章 波动光学应用：光开关应用：光开关.S1P2Pp1p2透光轴相互垂直透光轴相互垂直EC克克尔尔盒盒222dVkldVE 202)(2klEnnle2.电光效应电光效应(electrooptical effect)(克尔效应克尔效应) 某些各向同性的非晶体或液体等透明物质，在强电场作用某些各向同性的非晶体或液体等透明物质，在强电场作用下，使分子定向排列，能变为各向异性而显示双折射现象下，使分子定向排列，能变为各向异性而显示双折射现象电致双折射电致双折射.2KEnneoK-克尔常数克尔常数P.28/30第15章 波动光学15.10.3 旋光现象旋光现象 1.旋光现象：旋光现象：偏