偏振光与双折射相关概念详解

1、第五章光的偏振1、阐明自然光、平面偏振光、部份偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光的概念及其检验方法C2、了解由反射、折射和二向色性晶体所产生的偏振；掌握布儒斯特定律的马吕斯定律。3、叙述单晶体双折射的特点，说明惠更斯作图法，阐明几种偏振仪器的作用。4、叙述1/4波晶片的作用，分析平行平面偏振光干涉的条件及其实现的方法。阐明偏振光的干涉及应用。5/光的偏振性马吕斯定律一.光的偏振状态1.线偏振光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Ex=Ecosa,px鸟nAEy=EsnaEx线偏振光的表示法：光振动垂直板面IIIII,光振动平行板面2 .自然光自然光的光矢量在所有可能的方向上，且振幅E

2、相等.没有优势方向自然光的分解一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。Ex=EyI=Ix+Iy自然光的表示法：1*3 .部分偏振光某一方向的光振动比与之相垂直方向的光振动占优势的光.部分偏振光部分偏振光的分解部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光.部分偏振光的表示法：-H-H-I-平行板面的光振动较强垂直板面的光振动较强4.偏振光和椭圆偏振光偏振面随时间旋转的光为圆或椭圆偏振光.迎着光线看,光矢量顺时针旋转为右旋偏振光.二.偏振片的起偏和检偏1 .起偏和检偏 起偏:从自然光获得偏振光. 起偏原理:利用某种光学的不对称性. 起偏器：起偏的

3、光学器件. 检偏:检验偏振光，起偏器也就是检偏器.2 .偏振片如利用某些物质能吸收某一方向的光振动，而让与这个方向垂直的光振动通过的性质（二向色性）制成起偏器.这种起偏器叫偏振片.振光3起偏示意图线偏振光/JII_.自然光/偏振化方向 （透光方向）非偏振光4,甘用偏振器件分析、检验光的偏振态.偏振化方向（透光方向）思考:当偏振片旋转时./不变f?是什么光/变，有消光f?是什么光/变，无消光f?是什么光三.马吕斯定律/0ocf02,IccE2=E02cos2a/=/0cos2a一马吕斯定律(1809)V，3一消光例题有两个偏振片,一个用作起偏器,一个用作检偏器.当它们的偏振化方向之间的夹角为30

4、。时,一束单色自然光穿过它们，出射光强为当它们的偏振化方向之间的夹角为60。时，另一束单色自然光穿过它们,出射强度为右,且/产右-求两束单色自然光的强度之比.解:由马吕斯定律3cos230。同理:21cos602cos230=cos26022两束单色自然光的强度比为:cos26001cos230=3起偏振角5-2反射和折射光的偏振一.反射时光的偏振自然光反射和折射后产生部分偏振光i=片时，反射光只有垂直于入射面的光振动.且=;=布儒斯特定律（1812年），0布儒斯特角或起偏角.sini0n2.sin o = cos i0由-A=tgno(vev()负晶体：nev)正晶体(% %)负晶体(%v

5、%)54光在晶体中的波面及传播正晶体光轴光轴O波面负晶体口。口6,几。几e正晶体v069,全反射.例题.两尼科耳棱镜的主截面间的夹角由30。转到45。.(1)当入射光是自然光时，求转动前后透射光的强度之比;(2)当入射光是线偏振光时，求转动前后透射光的强度之比.解：尼科耳棱镜出射为振动面在主截面内的线偏振光.主截面即偏振化方向.入射光为自然光夹角为30。时Z=-cos230o=-Z028J2夹角为45。时/=fcos245。=-I.2o3 一 2(2)入射光为线偏振光夹角为30时37=Z0cos230=-Z004夹角为45。时If=Incos245=-Z0所以二、渥拉斯顿棱镜：将两个直角的方解

6、石棱镜沿斜边胶合起来。光在第一棱镜中不分开，但光线垂直于光轴，因而两束光传播速度不同。第二棱镜的光轴垂直于第一棱镜，所以第一棱镜中的E光为第二棱镜中的O光，由于none,相当于光由光疏介质入射光密介质，折射线近法线;而第一棱镜的O光为第二棱镜中的e光，相当于光由光密介质入射光疏介质，折射线远离法线如图所示。三、波晶片一块表面平行的单轴晶体，其光轴与晶体表面平行时，垂直入射的。光和e光沿同一方面传播，我们把这样的晶体叫波晶片oEc=Ac8s24（二1）初HI取。=。TAeEb=A08s2万（1二）T0=0.=2乃（亍2（-）=2（-）2ne=4-2/、光在真空中波长二。=丁（凡,一心）尸A,当两

7、束光射出晶体面，。=争%-Qd1、四分之一波片,(1)定义：能使。光和e光的光程差等于3的晶片称四分之一波片(2)四分之一波片的厚度6=no-ne)I=%=do44(%)正晶体/=4（%一%）TT作用：产生附加位相差，0=5,平面偏振光经1/4波片后，出射光是正椭圆偏振光讨论：(1)四分之一波片的厚度是波长的函数%=片(2)方解面，对于黄光，2=5.9x10-5cmn-n,=0.172I=8.6x10-5cm对于蓝光2=4.1x10scmnone=0.184/=6.3x1()5cm(2)四分之一季片很薄，制造困生若6=(22+1),即*=(2A+14,椭圆形状不变，因此通常使o先和e光的光程差

8、等于的奇数倍的晶片称四分之一波片，厚度：IQk+1)-4(%-%,)2、半波片：能使o光和e光的光程差等于!奇数倍的晶片，称半波片，其厚度二:（%_4）/=（24+1）：/=（2左+1）2_/）卜（P=-6=（2k+1）乃4平面偏振光垂直入射到半波片而透射后，仍为平面偏振光。如果入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为e,则透射光仍为平面偏振光，振动面从原来的方位转动26角。5.7桶园偏振光和园偏振光一、定义由此类推，当晶体中产生双折射时，若。、e光沿同一方向传播，此时它们满足频率相同、振动方向相互垂直的条件，如能使位相差为定值，则当光连续通过晶体中任一点（该点上相差为恒定值）时，在过该点且垂直于

9、传播方向的平面内，合光矢（针对某一时刻）的端点的投影将描出个一椭圆。即。、e光合振动矢量的大小、方向均随时间而变，在晶体内的整个传播过程中，合光矢量将以传播方向为轴，螺旋式向前传播。故称椭圆偏振光；若合振动矢量大小不变，仅方向随时间变化,称圆偏振光。在此情况下，光振动对传播方向没有对称性，故属于偏振光。定义：振动矢量端点描出椭圆的光称为椭圆偏振光，描出的光称为圆偏振光;面对传播方向:合光矢量端点沿顺时针播出椭网（园），称为右旋椭网（园）偏振光;合光矢量端点沿逆时针描出椭圆（园），称为左旋椭圆（园）偏振光;以上所说“合光矢量”是指在某一确定时刻，0、e光具有确定相差时的合光矢。园偏振光是椭圆偏振

10、光在两振幅相等且相差为兀/2时的特例。结论：任何两束沿相同方向传播、频率相等、振动面垂直且相差为定值的光叠加时，都将形成椭圆（或园）偏振光。二、产生用一束平面偏振光垂直入射在一块光轴与表面平行的单轴晶体薄片C上，设C的光轴与入射的平面偏振光的振动方向成0角，在晶片C内产生双折射，且。、e光沿同一方向传播，振动矢量相互垂直.振幅分别为：4=Asin8,Ae=A-cos在晶片内两个 振动分别为：与=4 cos( 一 %)= & coEe=Aecos(-/)=Ae晶体内距表面r处。、e=2J_L_L光的位相差为：IA,Aj2Z72.户。、e光样加后合?2-cosA=sin2A振动满足：A；A；A*4

11、这是合光矢端点描出的椭圆方程，椭圆的形状取决于A。、A。、若：A”=A，,Z0=JPJlJ:E1-+-）一圆方程设晶片厚度为，则从晶片后表面出射后o、e光有恒定的位相差：.，射出晶体后，o、e光合成的椭圆偏振光具有确定的形状和取向，并在以后的传播中不再改变。线偏光垂直入射到波晶片时，出射光是椭圆偏振光；当0=45。（Ao=Ae）且波晶片为1/4波片（A（p=TT/2）时，出射光是圆偏5.8偏振态的实验检定一、平面偏振光的检定：方法：让被检定的光通过一块偏振片（如尼科耳棱镜），以入射光为轴旋转偏振片。判断：若旋转一周有消光（即/=）现象出现，即为平面偏振光；若无消光现象出现，则不是平面偏振光。检

12、偏器原理：马吕斯定律：/=/0COs2e二、圆偏振光与自然光的检定:对于圆偏振光和自然光，用上面的方法观察到的现象均是光强在任一方向均不为零且无变化，故上法无法对二者进行检定。方法：在偏振片的前面加入一块四分之一波片，仍以入射光为轴宕转偏振片。0检偏器判断：旋转一周过程中，若有消光现象出现为圆偏振光；否则为自然光。原理：已知圆偏振光中o、e光的位相差为A(p=k/2,通过四分之一波片后，又产生了k/2的相差，则0、e光的总相差为0或兀,这样，通过四分之一波片后圆偏振光将变为平面偏振光,因此在旋转棱镜或偏振片时会有消光现象出现；而自然光通过四分之一波片后不会变为平面偏振光，故没有消光现象出现。力

13、&片H0=45即：平面偏振光一园偏振光三、椭圆偏振光与部分偏振光的检定:让椭圆偏振光和部分偏振光通过一个偏振片时，旋转中均会出现光强大小变化但无消光的相同现象，无法区分。方法：在偏振片前放入一块四分之一波片，并设法使椭圆的一个轴与四分之一波片的光轴平行；以入射光为轴旋转偏振片I/Z/1/4(,检偏器判断：旋转一周过程中，若有消光现象出现者是椭圆偏振光;否则为部分偏振光。原理：当椭圆偏振光任一主轴与四分之一波片光轴平行时，即为一正椭圆，如图5-22中(c)(g)所示，o、e光相差为兀/2或3兀/2;经四分之一波片后又产生了兀/2相差，则最后的总相差为0或7C,成为一束平面偏振光，因而会有消光现象

14、出现，而部分偏振光经四分之一波片后无法变为平面偏振光，故无消光现象。即：平面偏振光二波片椭圆偏振光三、#4尝器1、为什么要使用补偿器？上述检验椭圆偏振光的实验中，若不用补偿器，必须事先知道&片的光轴方向，而且在实验过程中，必须使的光箝霜确地平行于椭圆的主轴(A%=g),这是很难办到的。为了克服这些困难，比较好的方法是采用补偿器。因为任何位意的椭圆可认为是由两个互相垂直的振动在位相差0工7的情况下合成的。要使这种椭圆偏振光变成平面偏振光，则应另行设法引进可以任意变更的位相差5作为补偿，目的是使。与9“的总和等于o或兀。A(p.+Aq+A(p补=0或7：2、巴俾涅补偿器由两块光轴互相垂直的楔形石英

15、组成，上楔中o光进入下楔，变为e光;（-q）4+（q一）2=丁（%一nc）（4-d?）/t/分别是光在上楔和下楔通过厚度缺点：必须用极窄的光束。对于宽光束，互补偿器不同位置，位相差不同。3、索列尔补偿器上楔可以左、右移动，从而改变华厚度，可以用宽光束。5-7偏振光的干涉一、观察偏振光干涉的装置与实验结果1、实验装置2、实验结果1以单色光入射时，若波晶片厚度均匀，观察屏上得到一个光强均匀分布的光斑，转动任一器件，物可核光强发生变化；若将波晶片制成光劈状，并在P2和屏之间置一透镜，屏上出现等厚干涉条纹。2以白光入射时，对于厚度均匀的波晶片，屏上出现某种颜色的光斑，转动任一器件，光斑颜色发生变化；使

16、用光劈状晶片，则出现彩色条纹。二、平面偏振光干涉的强度分布从P2出射的两束光A?e、A2oA,=A.sin0sina2oIA”=A.cosGcosa位相联系则进入波晶片时，e光对o光位相的超前量为外=0,(若所在二、四象限，)2五o光和e光穿过波晶片产生附加位相差%=仄-L)gAc，A。在P?上投赘时旬目差，&P投，若区c与区。同方向ap投=0；若E2c与E20方向相反，甘2=兀Acp=ZVp入+A(p附+投投影到P?上的两个光振动在一条直线上，满足相干条件:12=A；=A；。+A；c+2A2oA2cCOSAcp=A：(sirfGsin2a+cos20cos2a+2sinacos0cosacosA()=A?sin22esin2-12A 27t伟| = 丁（，川二彳2k?t极小（3）（2k+1）兀极大2、Pi和P2平行0=a(p入=0,&p投=0,.Acp=&P闭力弋入(1)/.in=Af(sin4e+cos1o+2sin2ecos2ecosAq)=A；(sin10+cos20)22sin2Ocos20+2sin2Ocos2OcosAcpt)=A(l-sin220sin2.)a2k.,2kn极大产小小13+1)冗极小对于给定