波动光学-偏振2

1、1光的偏振光的偏振 (2) 25.4 5.4 双折射现象双折射现象一一. .双折射现象双折射现象 ( (透过方解石看字成双像透过方解石看字成双像) )象象折射现折射现o光光方解石晶体方解石晶体CaCO3双双e光光纸面纸面折射现折射现3 以入射线为轴转方解石以入射线为轴转方解石, ,光点光点o o不动，不动，e e 绕绕o o转，用偏振片检验，二者都是偏振光，转，用偏振片检验，二者都是偏振光，且偏振方向互相垂直。且偏振方向互相垂直。一束光入射到各向异性的媒质中分成一束光入射到各向异性的媒质中分成两束光的现象。两束光的现象。( (演示演示) ) 方解石方解石oee o 所以，所以，利用双折射现象也

2、可以获得线偏振光。利用双折射现象也可以获得线偏振光。4二二. .几个重要的概念几个重要的概念1.1.寻常光（寻常光（o o光）和光）和 非寻常光（非寻常光（e e光）光） 寻常光（寻常光（ordinaryordinary light light）：）： 遵从折射定律遵从折射定律orninsinsin21 非寻常光（非寻常光（extra-ordinary lightextra-ordinary light）：）： 一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律constrie sinsin折射线一般不在入射面内。折射线一般不在入射面内。n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光

3、52. 2. 晶体的光轴晶体的光轴当光当光在晶体内在晶体内沿某个沿某个特殊方向特殊方向传播时传播时不发生双折射，该方向称为晶体的光轴。不发生双折射，该方向称为晶体的光轴。 例例. .方解石晶体方解石晶体是由平行六面体构成的。是由平行六面体构成的。 六面体每个面都是钝角六面体每个面都是钝角1021020 0和锐角和锐角78780 0的平行的平行 四边形，四边形，A A点和点和B B点是三个钝角的会合点，点是三个钝角的会合点， ABAB线与三条棱边的夹角相等。线与三条棱边的夹角相等。6如果将如果将A或或B磨平，使磨面与光轴垂直，磨平，使磨面与光轴垂直，当光线垂直磨面入射时，无双折射现象。当光线垂直

4、磨面入射时，无双折射现象。方解石晶体的光轴方解石晶体的光轴光轴光轴AB实验发现实验发现ABAB的方向即光轴的方向。的方向即光轴的方向。 7 只有一个光轴的晶体称只有一个光轴的晶体称单轴晶体单轴晶体， 如方解石、石英如方解石、石英, ,冰等；冰等； 有两个光轴的晶体称有两个光轴的晶体称双轴晶体双轴晶体, , 如云毋、硫磺，兰宝石等。如云毋、硫磺，兰宝石等。 （本章只讨论单轴晶体的双折射）（本章只讨论单轴晶体的双折射）3.3.主平面和主截面主平面和主截面 主平面：主平面：晶体中某条光线与晶体光轴构成晶体中某条光线与晶体光轴构成 的平面的平面, ,称为该光线的主平面。称为该光线的主平面。0光有光有0

5、光的主平面；光的主平面；e光有光有e光的主平面光的主平面.8O O 光振动光振动 其其主平面主平面; ; 实验表明实验表明: e e光振动在其主平面内光振动在其主平面内o光，光，e光的主平面可能重合，光的主平面可能重合， 也可能不重合；也可能不重合；e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面o光光光轴光轴o光的光的主平面主平面 主截面：主截面： 晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。9三三. .晶体的主折射率，正晶体、负晶体晶体的主折射率，正晶体、负晶体 o o光的子波，各方向传播光的子波，各方向传播的速度相同为的速度相同为v v0 0，点波源波面，点波源波面为球面

6、为球面, ,振动方向始终垂直振动方向始终垂直其主平面其主平面.(.(如图如图) ) o o光只有一个光速光只有一个光速v vo o 一个折射率一个折射率n no o. .惠更斯研究双折射现象提出惠更斯研究双折射现象提出:在各向异性的在各向异性的晶体中晶体中,子波源会同时发出子波源会同时发出o光、光、e光两种子波光两种子波.00vcn vo t光轴光轴10 e e光的子波光的子波, ,各方向传播的速度不同。各方向传播的速度不同。 e e光在平行光轴方向光在平行光轴方向上的速度与上的速度与o o光的速度光的速度相同为相同为v v0 0; ;eevnc 点波源波面为旋转点波源波面为旋转椭球面椭球面,

7、 ,振动方向振动方向始终在其主平面内始终在其主平面内. .（如图）（如图）光轴光轴ve tvo t e e光在垂直光轴方向光在垂直光轴方向上的速度与上的速度与o o光的速度光的速度相差最大，记为相差最大，记为 v ve e，其相应的折射率为其相应的折射率为 n ne e. .11n n0 0 ，n ne e称为晶体的主折射率称为晶体的主折射率. . 正晶体正晶体： n ne en no o(v(ve e v vo o) )，如石英、冰等。如石英、冰等。 负晶体负晶体： n ne en no o(v(ve e v vo o) )，如方解石、红宝石等。如方解石、红宝石等。子波源子波源vo tve

8、t光轴光轴vo tve t光轴光轴 正晶体正晶体 (vo ve) 负晶体负晶体 (vo ve ) 子波源子波源12下面以负晶体下面以负晶体( (v ve e v vo o) ) 为例为例: :1. 1. 光轴光轴晶体表面，晶体表面， 自然光自然光 入射入射: :o o, , e e在方向上虽没分开，在方向上虽没分开，但速度上是分开的，仍但速度上是分开的，仍是两束光。是两束光。 还是有双折射的。还是有双折射的。四四. .晶体中光传播方向的惠更斯作图法：晶体中光传播方向的惠更斯作图法：在特殊情况下（入射面包含光轴或垂直在特殊情况下（入射面包含光轴或垂直光轴），可以按惠更斯作图法在纸面上作图，光轴）

9、，可以按惠更斯作图法在纸面上作图，找出找出o光，光，e光的传播方向。光的传播方向。作图：作图：- e oe o光轴光轴晶体晶体13若光轴垂直晶体表面，若光轴垂直晶体表面，还有没有双折射？还有没有双折射？一快（一快（ e e 光）一慢光）一慢(o(o光光) )两束光。两束光。e光光,o光的振动方向光的振动方向如何？如何？方法：先找它们的方法：先找它们的主平面。主平面。o光光 - 点点e光光 - 道道 e oe o光轴光轴晶体晶体142. 2. 光轴光轴晶体表面，且晶体表面，且 入射面，自然光斜入射入射面，自然光斜入射 此种情况下，在此种情况下，在入射面（纸面）内，入射面（纸面）内，o o光，光，

10、e e光都光都满足折射定律满足折射定律，nvrooci0sinsin nvreeeci sinsin作图：作图：-o光、光、e光的振动方向如何？光的振动方向如何？o光光 -道；道；e光光 - 点点.晶体晶体 光轴光轴ir0reo ot e eteo ect即即153. 3. 光轴与晶体表面斜交，自然光光轴与晶体表面斜交，自然光 入射入射这正是前面双折射现象演示中的双折射情形。这正是前面双折射现象演示中的双折射情形。作图作图: -o光、光、e光的振动方向如何？光的振动方向如何？o e晶体晶体光轴光轴 e方解石方解石光轴光轴o eo注意注意: :此时此时e e光的波面不再与其传播方向垂直了。光的波

11、面不再与其传播方向垂直了。16五五. . 晶体偏振器件晶体偏振器件 1. 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 o光和光和e e光的吸收有很大差异，光的吸收有很大差异，这就是晶体的这就是晶体的二向色性二向色性. . 例如例如, ,电气石电气石对对o o光有强烈吸收，对光有强烈吸收，对e e光吸收光吸收 很弱，用它可产生线偏振光：很弱，用它可产生线偏振光：( (晶体偏振器晶体偏振器) )电气石电气石光轴光轴 光轴光轴e光光17天然晶体偏振器尺寸不大，成本高。天然晶体偏振器尺寸不大，成本高。现今广泛使用偏振片现今广泛使用偏振片（人工使具有二向色性（人工使

12、具有二向色性的细微晶粒的光轴在塑料薄膜上定向排列）。的细微晶粒的光轴在塑料薄膜上定向排列）。2. 2. 偏振棱镜偏振棱镜偏振棱镜可得高质量的线偏振光。偏振棱镜可得高质量的线偏振光。 但利用晶体二向色性获得的偏振光但利用晶体二向色性获得的偏振光 不够纯，强度也不大。不够纯，强度也不大。（书上的例子自学）（书上的例子自学）18 对第一个棱镜是对第一个棱镜是o o光，光，它由光密它由光密光疏，光疏， 让其入射角临界角让其入射角临界角( (约约69690 0) )， 在交界面全反射在交界面全反射, ,被涂层吸收。被涂层吸收。 光轴光轴光轴光轴方解石方解石方解石方解石加拿大树胶加拿大树胶 (n = 1.

13、55)oe吸收涂层吸收涂层i 例例1. 格兰格兰-汤姆逊汤姆逊偏振棱镜偏振棱镜光轴的取向使光轴的取向使o光、光、e光对应的光对应的 恰是主折射率恰是主折射率no、 ne 。no (1.6584)n (1.55)ne(1.4864)19对第一个棱镜是对第一个棱镜是e e光，光，它绝大部分透射，并且它绝大部分透射，并且沿入射方向射出第二个棱镜，即为所要的沿入射方向射出第二个棱镜，即为所要的非常纯的线偏振光。非常纯的线偏振光。 ( (入射光可有约入射光可有约10 10 0 0 范围内偏差范围内偏差).). 光轴光轴光轴光轴方解石方解石方解石方解石加拿大树胶加拿大树胶 (n = 1.55)oe吸收涂层

14、吸收涂层ino (1.6584)n (1.55)ne(1.4864)20 例例2.2.沃拉斯顿棱镜沃拉斯顿棱镜光从棱镜光从棱镜1 1进入棱镜进入棱镜2 2时：时： o o光光( (点点) )变变e e光光 光密光密光疏光疏 折射角入射角折射角入射角; ; e e光光( (道道) )变变o o光光 光光疏疏光光密密 折射角入射角，折射角入射角， 二者分开。二者分开。进入空气后进入空气后, ,均是由光密均是由光密光疏，光疏， 可得到进一步分开的二束线偏振光。可得到进一步分开的二束线偏振光。12方解石方解石方解石方解石 oe光轴光轴光轴光轴（偏光分束镜）（偏光分束镜）no (1.6584)n (1.

15、55)ne(1.4864)215.5 5.5 椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光一一. .椭圆偏振光和圆偏振光的获得椭圆偏振光和圆偏振光的获得1. 1.晶片：晶片：光轴平行表面的晶体薄片光轴平行表面的晶体薄片。通过厚度为通过厚度为d d的晶片，的晶片，o o、e e光产生相位差：光产生相位差： 2 dnnoe它正是它正是惠更斯作图法惠更斯作图法的例的例1(1(晶体中一快一慢晶体中一快一慢) )晶片也称为晶片也称为相位延迟器相位延迟器.ydxAAoAe 线偏振光线偏振光光轴光轴AAoAe 光轴光轴P22o o、e e光振幅关系：光振幅关系： cossinAAeAAo在晶体内在晶体内, o

16、o、e e光的振动方向如何光的振动方向如何? ?先找主平面先找主平面: 0 0光振动是光振动是 其主平面其主平面; ;e e光振动在其光振动在其主平面内主平面内. .迎着光看迎着光看,入射到晶片上的光振幅入射到晶片上的光振幅可分解为可分解为o光和光和e光两个振幅如图光两个振幅如图.有时常称光轴为有时常称光轴为e轴轴.ydxAAoAe 线偏振光线偏振光光轴光轴AAoAe 光轴光轴P23 从晶片出射的是两束传播方向相同、振动从晶片出射的是两束传播方向相同、振动方向相互垂直、频率相等、有恒定相位差方向相互垂直、频率相等、有恒定相位差的线偏振光，它们一般合成为一束椭圆偏振光的线偏振光，它们一般合成为一

17、束椭圆偏振光. .，2324 当当 时为圆偏振光。时为圆偏振光。2. 2. 波（晶）片波（晶）片对某个波长对某个波长 而言，当而言，当o o、e e光在晶片中的光在晶片中的光程差为光程差为 的某个特定倍数时，这样的晶片的某个特定倍数时，这样的晶片叫波晶片，简称波片。叫波晶片，简称波片。所以所以, 椭圆椭圆(圆圆)偏振光可用偏振光可用 晶片来获得晶片来获得.2424dnnoe 四分之一波片四分之一波片作用：从线偏振光获得作用：从线偏振光获得( (正正) )椭圆或圆偏振光椭圆或圆偏振光（或相反）（或相反）4圆圆(o(o光光,e ,e光分量的振幅相等光分量的振幅相等) )240，椭圆椭圆0 线偏振光

18、线偏振光(只有平行于光轴的分量只有平行于光轴的分量)2 线偏振光线偏振光(只有垂直于光轴的分量只有垂直于光轴的分量)25 ( (正正) )椭圆或圆偏振光椭圆或圆偏振光, ,经经1/41/4波片为什么可以波片为什么可以 获得线偏振光呢获得线偏振光呢? ?因为因为( (正正) )椭圆或圆偏振光的两个垂直分量椭圆或圆偏振光的两个垂直分量已经有了相位差已经有了相位差 /2, /2, 经经1/41/4波片以后波片以后, ,又有又有 /2/2的的相位差相位差, ,所以出来的就是相位差为所以出来的就是相位差为0 0或或 的的线偏振光了线偏振光了. . 二分之一波片二分之一波片 2dnnoe26作用：可使线偏

19、振光的振动面转过一个角度。作用：可使线偏振光的振动面转过一个角度。 若入射点处若入射点处线偏振光分解的线偏振光分解的o o、e e光同相光同相 则出射点处仍是则出射点处仍是线偏振光线偏振光: : o o、e e光反相光反相 若线偏振光入射时若线偏振光入射时, , 出射光仍是线偏振光，出射光仍是线偏振光， 只是振动方向转过只是振动方向转过2 2 角角. .24 时，转过时，转过 当当若入射的是圆偏振光若入射的是圆偏振光(已有已有 /2),经经1/2波波片片(又有又有 ),出来仍是圆偏振光出来仍是圆偏振光,但是但是左旋左旋右旋右旋 A0入入A0出出A入入A出出Ae入入= Ae出入出入光轴光轴27若入射的是椭圆偏振光若入射的是椭圆偏振光,经经 1/2 波片波片,出来仍是出来仍是椭圆偏振光椭圆偏振光,但是旋转的方向改变但是旋转的方向改变,而且椭圆的而且椭圆的长轴转过长轴转过 2 角角. 全波片：全波片： 2