偏振-马万云-讲

1、大学物理实验大学物理实验偏振光学实验偏振光学实验马万云马万云 J13 T2015.春季学期1 请按照自己的实验编号就座。请按照自己的实验编号就座。 实验编号请见黑板。实验编号请见黑板。欢迎同学们到实验室学习！清华大学光学实验室清华大学光学实验室实验目的实验目的v理解偏振光的基本概念理解偏振光的基本概念v理解偏振光的起偏和检偏方法理解偏振光的起偏和检偏方法v学习偏振片与波片的工作原理与使用方法学习偏振片与波片的工作原理与使用方法清华大学光学实验室清华大学光学实验室实验原理实验原理偏振光的概念偏振光的概念-什么是偏振光什么是偏振光,为什么有偏振？为什么有偏振？v光矢量的光矢量的方向方向和和大小有规

2、律地变化大小有规律地变化的光称为偏振的光称为偏振光。光。v在自由空间传播的光波，它的电矢量在自由空间传播的光波，它的电矢量E与磁矢量与磁矢量H 相互垂直。且均垂直于光的传播方向，也就是说相互垂直。且均垂直于光的传播方向，也就是说光波是光波是横波横波。kBEcEB 真空真空光光矢矢量量 E清华大学光学实验室清华大学光学实验室EExExEyEyE椭圆偏振光椭圆偏振光圆偏振光圆偏振光：光的光的5 5种偏振态种偏振态线偏振光线偏振光E部分偏振光部分偏振光EE 自然光自然光单个光子都单个光子都是偏振的。是偏振的。清华大学光学实验室清华大学光学实验室偏振的量子力学意义：光子自旋偏振的量子力学意义：光子自旋

3、在运动方向上在运动方向上 J清华大学光学实验室清华大学光学实验室 偏振光的合成与分解偏振光的合成与分解线偏振光可合成线偏振光线偏振光可合成线偏振光清华大学光学实验室清华大学光学实验室圆偏振光合成线偏振光圆偏振光合成线偏振光Ex线偏振光合成圆偏振光线偏振光合成圆偏振光清华大学光学实验室清华大学光学实验室线偏振光合成线偏振光合成椭圆偏振光椭圆偏振光清华大学光学实验室清华大学光学实验室实验原理实验原理xyEEE00 xy偏振光的描述：偏振光的描述：一个单色偏振光可以分解为两个偏振方向相一个单色偏振光可以分解为两个偏振方向相互垂直的线偏振光的叠加：互垂直的线偏振光的叠加：)cos(cos21taEta

4、Eyx)cos2arctan(tan211)2sin(sin112222ab12arctanaaxya1a2ab清华大学光学实验室清华大学光学实验室实验原理实验原理v取不同值时的偏振情况取不同值时的偏振情况223012 a22 a2443454749清华大学光学实验室清华大学光学实验室透射光的起偏与检偏透射光的起偏与检偏如何产生与检测偏振光如何产生与检测偏振光偏振片偏振片清华大学光学实验室清华大学光学实验室偏振片的效果图偏振片的效果图通光方向通光方向腰横别扁担进不了城门腰横别扁担进不了城门如果入射光振如果入射光振动方向既不垂动方向既不垂直也不平行那直也不平行那会怎样了？会怎样了？我要是以一我要

5、是以一定角度入射定角度入射能透过吗能透过吗清华大学光学实验室清华大学光学实验室1P21PP 2P3P加入加入P3后后为什么为什么？0 I 清华大学光学实验室清华大学光学实验室实验原理实验原理- -马吕斯定律马吕斯定律20cosII）（A E0 E=E0cos 检偏器检偏器方向方向起偏器起偏器方向方向清华大学光学实验室清华大学光学实验室马吕斯公式马吕斯公式v 偏振片透光轴偏振片透光轴( y)与消光轴与消光轴(x)透射率分别为透射率分别为 和和 , 则通过偏振片后，则通过偏振片后， 变为变为 v 变为变为v 总和为总和为v 所以线偏振光透过率为所以线偏振光透过率为v 消光比消光比v 注意，注意，

6、光强的分量分别正比于光强的分量分别正比于 和和 ， 而不而不是是 和和 ， 后者是振幅的比例系数。后者是振幅的比例系数。2T2221cosTTT1TII/I211/cosITTI2/cosII2sinII222sinITTI22212221cossincosITTTIITIT2cos2sinsincos12/TTe 实际使用的偏振片的参数：透光方向，消光比实际使用的偏振片的参数：透光方向，消光比清华大学光学实验室清华大学光学实验室实验原理实验原理v反射和折射时的起偏现象反射和折射时的起偏现象菲涅尔反射公式菲涅尔反射公式22)tan()tan(titiPPrR22)sin()sin(titiSS

7、rR1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1i = 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Rs5640 Rp布儒斯特角布儒斯特角p光无反射光无反射清华大学光学实验室清华大学光学实验室另外一种产生偏振光方法另外一种产生偏振光方法自然光以布儒斯特角入射产生线偏振光自然光以布儒斯特角入射产生线偏振光如果入射光的只如果入射光的只有有P分量，还有分量，还有反射光吗？反射光吗？S201tannin清华大学光学实验室清华大学光学实验室实验原理实验原理LP屏棱镜布儒斯特角测定、偏振器透射方向判定布儒斯特角测定、偏振器透射方向判定 原理图原理图清华大学光学实验室清华大学光

8、学实验室 波片就是一种相位延迟器波片就是一种相位延迟器ydxAAoAe 线偏振光线偏振光光轴光轴AAoAe 快轴快轴P慢轴实验原理实验原理- -波片介绍波片介绍 光波在波片中传播中，因光波在波片中传播中，因双折射双折射不同偏振分量的不同偏振分量的折射率折射率不同，产生不一致的位相延迟，改变了两偏不同，产生不一致的位相延迟，改变了两偏振分量的位相关系。振分量的位相关系。负晶体负晶体（ve e vo o）清华大学光学实验室清华大学光学实验室oocnv no o ，ne 称为称为晶体的主折射率晶体的主折射率 正晶体：正晶体：ne no负晶体：负晶体：ne novo t ve t光轴光轴 点波源点波源

9、点波源点波源vo tve t光轴光轴 evcne ( (ve vo) )如：石英、冰如：石英、冰如：方解石、红宝石如：方解石、红宝石清华大学光学实验室清华大学光学实验室实验原理实验原理- -波片介绍波片介绍02rsfnnd（）慢轴分量相对于快轴分离将产生位相延迟慢轴分量相对于快轴分离将产生位相延迟2 2 1/22 1/42rrrNNN全波片波片波片注意，所谓的全波注意，所谓的全波片，片，1/2,1/4波片波片都是只对一个波长都是只对一个波长而言而言清华大学光学实验室清华大学光学实验室实验原理实验原理波片介绍波片介绍v 波片一个重要用途就是改变入射光偏振态v 实际使用波片必须知道的参数 波片是什

10、么波片，在什么波长波片是什么波片，在什么波长 波片的快慢轴方向波片的快慢轴方向v 怎么测快慢轴方向-用1/4波片1P2P1/4波片清华大学光学实验室清华大学光学实验室偏振光通过偏振光通过 1/4 1/4 波片后偏振态的变化波片后偏振态的变化 入射光入射光1/4 波片快轴方位波片快轴方位出射光出射光线偏振光线偏振光与入射光振动方向平行或垂直与入射光振动方向平行或垂直线偏振光线偏振光与入射光振动方向成与入射光振动方向成45（135）圆偏振光圆偏振光其它方位其它方位椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光 快（慢）轴方向与椭圆快（慢）轴方向与椭圆长轴取向相同长轴取向相同线偏振光线偏振光其它方位其它方

11、位椭圆偏振光椭圆偏振光圆偏振光圆偏振光任意方位任意方位线偏振光线偏振光清华大学光学实验室清华大学光学实验室圆偏振光和线偏振光之间的相互转换圆偏振光和线偏振光之间的相互转换圆偏振光圆偏振光-1/4波片波片-线偏振片线偏振片- 1/4波片波片清华大学光学实验室清华大学光学实验室椭圆偏振光的椭圆偏振光的产生产生nBarctannBarctan当当 时，时， 形成圆偏振形成圆偏振4/清华大学光学实验室清华大学光学实验室 1/2 1/2 波片的作用波片的作用v1/2 波片有互相垂直的快轴和慢轴，波片有互相垂直的快轴和慢轴， 沿慢轴偏振沿慢轴偏振的光比沿快轴偏振的光程延迟的光比沿快轴偏振的光程延迟1/2

12、波长，波长， 或相位或相位延迟延迟 。v这样，这样， 通过通过1/2波片后波片后,线偏振光改变偏振方向，线偏振光改变偏振方向， 圆偏振光改变旋转方向。圆偏振光改变旋转方向。 2dnnoe可使线偏振光振动面转过可使线偏振光振动面转过2 2 角度角度 Ao入入Ao出出A入入A出出Ae入入= Ae出出光轴光轴清华大学光学实验室清华大学光学实验室线偏振光通过线偏振光通过1/21/2波片后偏振面的旋转波片后偏振面的旋转线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光清华大学光学实验室清华大学光学实验室通过实验要搞清楚几个关键问题通过实验要搞清楚几个关键问题v1 光的偏振状态光的偏振状态v2 偏振光的合成与分解偏振光的合

13、成与分解v3 起偏起偏/检偏，布儒斯特角检偏，布儒斯特角v4 1/4 波片的作用波片的作用v5 1/2 波片的作用波片的作用v6 两个两个1/4 波片的叠加波片的叠加 （1） 快轴（及慢轴）重合，快轴（及慢轴）重合， 成为成为1/2 波片波片 （2） 快轴（及慢轴）正交，快轴（及慢轴）正交， 成为全波片成为全波片清华大学光学实验室清华大学光学实验室实验装置介绍实验装置介绍v光源光源固体激光器，不用预先点燃固体激光器，不用预先点燃v起偏器，检偏器分别固定在分光计的平行光管和起偏器，检偏器分别固定在分光计的平行光管和望远镜上望远镜上v两个两个1/4波片，一个快轴已大致标出，另一个待测波片，一个快轴

14、已大致标出，另一个待测v分光计小平台，放待测棱镜分光计小平台，放待测棱镜v光强探测器，光强探测器，注意电阻的取值注意电阻的取值清华大学光学实验室清华大学光学实验室实验任务、步骤实验任务、步骤v任务、步骤详见讲义要求，要求完成任务、步骤详见讲义要求，要求完成实验任务实验任务412，（，（13选做）。选做）。v课后数据处理除完成数据表格的内容课后数据处理除完成数据表格的内容外，任务外，任务7需要画比较图给出结论，需要画比较图给出结论，任务任务9、11、12要求有总结性的分析要求有总结性的分析或结论。或结论。清华大学光学实验室清华大学光学实验室注意事项注意事项1：由于光源为部分偏振光，因此实验时激光

15、管位置，：由于光源为部分偏振光，因此实验时激光管位置，避免自动消光。避免自动消光。2：观察前应调节整个光学系统，使之共轴，并尽量观察前应调节整个光学系统，使之共轴，并尽量满足使平行光垂直入射到各个光学元件上的要求。满足使平行光垂直入射到各个光学元件上的要求。3：减少周围杂散光的影响。：减少周围杂散光的影响。4：由于偏振片和波片并非理想元件等原因，观察到：由于偏振片和波片并非理想元件等原因，观察到的现象与理论有一定的误差。的现象与理论有一定的误差。5：注意眼睛的保护；保护光学元件的光学表面，不：注意眼睛的保护；保护光学元件的光学表面，不得触摸光学元件的光学表面得触摸光学元件的光学表面 。6: 测

16、试时最好始终朝一个方向缓慢移动。测试时最好始终朝一个方向缓慢移动。清华大学光学实验室清华大学光学实验室注意事项和常见问题注意事项和常见问题l步骤步骤6中，中，R1可以是可以是300或或400 以提高测量灵敏度，以提高测量灵敏度，在消光的状态下，毫伏表的读数有可能是负值在消光的状态下，毫伏表的读数有可能是负值l步骤步骤7中，中，Imin=Im（夹角（夹角 =90度时）度时）l步骤步骤7中，中，Im/Imax 与与cos2 画在同一个坐标系画在同一个坐标系下下l步骤步骤8中，中，C0的值是从最内圈的读数得到的值是从最内圈的读数得到l步骤步骤9中，中， r 有可能无解，但有可能无解，但sin r 总是有的（考虑波总是有的（考虑波片的性质）片的性质）l步骤步骤11和和12中，注意观察转盘的读数和转向的关系中，注意观察转盘的读数和转向的关系l在要求改变角度时，通常无需转动很大的角度即可观在要求改变角度时，通常无需转动很大的角度即可观察到要求观察的实验现象察到要求观察的实验现象清华大学光学实验室清华大学光学实验室思考题思考题v如何判定某一光学器件是如