光学光的偏振

1、光学光的偏振第1页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一15.11 光的偏振 线偏振光和自然光主要内容：1. 线偏振光2. 圆偏振光和椭圆偏振光3. 自然光第2页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一横波的偏振性振动面：光矢量E与传播方向组成的平面。偏振: E的振动方向对传播方向的不对称性。光矢量振动面v0HE只有横波才有偏振现象第3页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一15.11.1 线偏振光(光矢量平行板面)(光矢量垂直板面)线偏振光的表示法振动面第4页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一15.11.2 圆

2、偏振光和椭圆偏振光1.圆偏振光右旋圆偏振光截面图叠加图第5页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一截面图叠加图左旋圆偏振光圆偏振光的表示法或第6页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一2.椭圆偏振光 截面图叠加图右旋椭圆偏振光左旋椭圆偏振光椭圆偏振光的表示法或第7页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一15.11.3 自然光1.自然光自然光的表示法xy2.部分偏振光部分偏振光的表示法第8页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一第一 如何判别光源的偏振态偏振光的检验三个基本途径原理：1、二向色性 2、布儒斯特定律3、

3、双折射第二 如何从普通光源中取得偏振光从实用的角度 必须解决两大问题第9页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一偏振化方向自然光振线偏光偏振片第一种从普通光源中获取偏振光的方法利用偏振片（二向色性）可以获取偏振光15.12 偏振片的起偏和检偏 马吕斯定律15.12.1 偏振片的起偏和检偏偏振片 大分子物质对振动方向反映出吸收系数不同通光方向或偏振化方向该偏振片可以从自然光中取得偏振光所以 称为起偏器第10页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一形象说明偏振片的原理通光方向腰横别扁担进不了城门第11页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期

4、一偏振状态的(初步)检验 所谓初步： 就上述三种偏振态的检验而言 实际上还有椭圆和圆偏振态1. 装置入射光出射光观察出射光强的变化该偏振片称检偏器偏振片第12页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一入射光出射光观察出射光强的变化2.检验消光不变入射光入射光入射光线偏振自然光部分偏振光强变化第13页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一.起偏器检偏器自然光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化第14页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一.检偏器.起偏器自然光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化第15页，共121页，2

5、022年，5月20日，17点23分，星期一.检偏器.起偏器自然光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化第16页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一.检偏器.起偏器自然光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化第17页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一.检偏器.起偏器自然光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化第18页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一.检偏器.起偏器自然光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化第19页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一.检偏器自然光通过旋转

6、的检偏器，光强不变自然光第20页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一15.12.2 马吕斯定律 线偏振光通过偏振片后的光强通光方向反映光矢量对传播方向不对称线偏振光第21页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一思考1： 两个正交偏振片中间再加一个偏振片 将出现什么现象？PA第22页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一 思考2： 光强为I0 的一束自然光,依次通过三个偏振片P1 、P2 、P3 已知P1 和 P3 的偏振化方向相互垂直 且偏振片无吸收 ，若以入射光为轴以角速度旋转P2 ,t=0时P1/P2,则通过这三个偏振片后的光强

7、是_ 当t为_时 I有最大值_ P1P2P3自然光第23页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一15.13、反射和折射光的偏振 布儒斯特定律反射和折射时光的偏振自然光部分偏振光反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化部分偏振光第24页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一 反射光的偏振化程度和入射角有关，当入射角等于某一特定值i0且满足这时反射光成为线偏振光，折射光 为部分偏振光。布儒斯特定律自然光线偏振光部分偏振光起偏振角布儒斯特角第25页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一证明 由折射定律 第26页，共121页，2022年

8、，5月20日，17点23分，星期一思考： 如果入射光中只有垂直入射面的振动分量则反射光和透射光的偏振状态如何？平行入射面的光振动全透过光在两各向同性介质表面入射时，如果入射角与两介质折射率存在下述关系第27页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一利用玻璃片堆产生线偏振光i0(接近线偏振光)玻璃片堆最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光第28页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一玻璃堆接近线偏振光布儒斯特角最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光第29页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一例 1、已知 如图所示 有三块偏振片 p1， p2

9、， p3，第一块和第三块偏振化方向互相垂直 ，第一块 与第二块偏振化方向成 角 ，入射光为自然光 ，光 强为 I0，求透射光光强 。 解 P1P2P3I0II1I2由马吕斯定律有 第30页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一例 2、一束自然光以 600角入射到玻璃表面上 ，若反射光是 完全偏振光 ，求透射光的折射角和玻璃的折射率 。 解 由布儒斯特定律 折射角 玻璃的折射率 第31页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一 偏振片的应用很广： 观看立体电影的眼镜，左右两个镜片就是由相互垂直的偏振片组成。第32页，共121页，2022年，5月20日，17点

10、23分，星期一驾驶员戴上偏振太阳镜可以防止马路反射光的炫目。照相机按上偏振镜可以产生不同的效果，看出来了吗？ 偏振片也可以制成太阳镜和照相机的滤光镜。第33页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一有反射光干扰的橱窗在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰第34页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一总结前述：从普通光源中获得线偏振光的方法利用各向异性物质的二向色性 (偏振片) 物质对振动方向显现出吸收系数的不同2.利用自然光在两个各向同性介质表面的反射 (布儒斯特仪) 物质对振动方向显现出反射系数的不同3.利用各向异性晶体的双折射(晶体偏振器) 物质对振

11、动方向显现出传播速度的不同第35页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一15.14 光的双折射 15.14.1、光在晶体中的双折射 方解石晶体的双折射现象。一、双折射现象：一束光进入某种晶体后会出现两束折射光的现象。第36页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一光光双折射纸面令方解石晶体绕光线旋转第37页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一光光双折射纸面第38页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一光光双折射纸面第39页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一双折射材料寻常光线（o光）：恒遵守通

12、常折射定律的光线。非常光线（e光）：不遵守通常折射定律的光线。 o 光 e 光的 偏振状态均是偏振光两者振动方向 近乎垂直第40页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一单轴晶体：只有一个光轴的晶体。双轴晶体：有二个光轴的晶体。二、晶体的光轴 光线的主平面1.光轴(方向)在这个方向上 不发生双折射称这个特殊方向为晶体的光轴AB光轴102注意：光轴在晶体内；光轴是一个方向第41页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一2、主平面：晶体中任意一条光线与光轴构成的平面。实验表明：o 光的光振动垂直于它的主平面，e 光的光振动平行于它的主平面。 当入射光线正好在光轴

13、与晶体表面法线所组成的平面内（即光轴位于入射面内）时，o 光和 e 光的主平面以及入射面三者重合，这个重合面称为主截面。光轴入射面法线o光的主平面e 光的主平面第42页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一晶体对 e 光的主折射率：晶体对 o 光的主折射率：晶 体none晶 体none方解石1.65841.4864石英1.54431.5534电石气1.6691.638冰1.3091.313白云石1.68111.500硝酸钠1.5851.337几种单轴晶体的折射率（对波长为589.3nm的钠光） 第43页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一o 光在晶体中

14、各个方向上的传播速度相同。e 光在晶体中各个方向上的传播速度不同。正晶体负晶体光轴光轴.900oe220680oeAMCN自然光加拿大树胶光轴=770临界角，且n加ne.e光不会发生全反射.第63页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一尼可耳棱镜可以用作起偏器与检偏器。.格兰-泰勒棱镜格兰-傅科棱镜第64页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一15.15.2.沃拉斯顿棱镜光从棱镜1进入棱镜2时： o光(点)变e光 光密光疏 折射角入射角; e光(道)变o光 光疏光密 折射角入射角， 二者分开。进入空气后,均是由光密光疏， 可得到进一步分开的二束线偏振光。

15、12方解石方解石oe光轴光轴（偏光分束镜）no (1.6584)n (1.55)ne(1.4864)由光轴相互垂直的方解石三角棱镜构成第65页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一15.15.3、波晶片（晶体移相器） 光轴平行于表面且厚度均匀的晶片波晶片 光束垂直入射到波晶片后，分解为 o 光和 e 光，传播方向相同，但速度不同，出射光为两束位相有差别，振动方向相互垂直的偏振光。o 光e 光第66页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一光经过光程为位相改变为光经过光程为位相改变为光的相位差为出射光和波晶片o 光e 光第67页，共121页，2022年，5月

16、20日，17点23分，星期一*若O光和e光的相位差为： ；则波片的厚度为：该波片称为波长片或全波片。光程差为波长的整数倍。*若O光和e光相位差为： ，则波片的厚度为：称为二分之一波片或半波片。光程差为半波长的奇数倍。波晶片分类：第68页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一称为四分之一波片。光程差为1/4波长的奇数倍。*若O光和e光相位差为： ，则波片的厚度为：波晶片分类： 波片的作用是使通过它的O光和e光有相位上的改变，因此也称为相位延迟器。在偏振光分析中有着独特的作用。第69页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一 一束振幅为A的线偏振光正入射在波片

17、上，入射光的振动面与光轴的夹角为 o光的光振动垂直于光轴， e光的光振动平行于光轴。yyxxOOAAoAeZd光轴方向第70页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一yyxxOOAAoAeZd光轴方向 光线射到波片表面时的振动为 经过厚度为的波片d 后，从后表面射出时的振动为第71页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一 o e 分别为 o光和 e光经过波片后产生的相位差。 = oe 讨论：（1）若波片为全波片，= 2k经全波片后，出射光仍为线偏振光。（2）若波片为半波片，=（2k+1）第72页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一 经

18、半波片后，出射光仍为线偏振光。但相对入射前旋转了2（3）若波片为1/4 波片，= 2k /2xxyy2AoAeExExEyEy出射光入射光第73页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一出射光入射光yxAoAe 0y出射光入射光xAoAe- 0右旋偏振光左旋偏振光y出射光入射光xAoAe= 45，= /2 第74页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一（4）对于一般情况，即波片的厚度为任意值d 总之，一束线偏振光经过一波片后，总是变成一个椭圆偏振光，这个椭圆总是内切于由决定的一个矩形。椭圆的形状、方位和左、右旋取决于。在特殊情况下，它可以是圆偏振光、改变了

19、方向的线偏振光、与原来入射光完全相同的线偏振光。第75页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一 四分之一波片作用：从线偏振光获得(正)椭圆或圆偏振光（或相反）圆(o光,e光分量的振幅相等)椭圆线偏振光(只有平行于光轴的分量)线偏振光(只有垂直于光轴的分量)第76页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一 (正)椭圆或圆偏振光,经1/4波片为什么可以 获得线偏振光呢?因为(正)椭圆或圆偏振光的两个垂直分量已经有了相位差/2, 经1/4波片以后,又有 /2的相位差,所以出来的就是相位差为0或的线偏振光了. 二分之一波片第77页，共121页，2022年，5月20

20、日，17点23分，星期一作用：可使线偏振光的振动面转过一个角度。 若入射点处线偏振光分解的o、e光同相 则出射点处仍是线偏振光: o、e光反相 若线偏振光入射时, 出射光仍是线偏振光， 只是振动方向转过2角.当若入射的是圆偏振光(已有/2),经1/2波片(又有 ),出来仍是圆偏振光,但是左旋右旋A0入A0出A入A出Ae入= Ae出入光轴第78页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一若入射的是椭圆偏振光,经 1/2 波片,出来仍是椭圆偏振光,但是旋转的方向改变,而且椭圆的长轴转过 2 角. 全波片：它对波长为的光没有影响（相位延迟了2）。但是对别的波长的光来说是有影响的.第7

21、9页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一2、偏振光的检验五种偏振光：自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光。让五种光分别通过偏振片，旋转偏振片一周：1）透过光强变化且有消光的为线偏振光；透过光强不变的为自然光或圆偏振光；透过光强变化但无消光的为椭圆偏振光或部分偏振光；第80页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一2）如上图所示，对于自然光和圆偏振光，透过光强无变化的为自然光；透过光强变化且消光的为圆偏振光；偏振片1/4波片3）对于部分偏振光和椭圆偏振光，透过光强变化但无消光的为部分偏振光；透过光强变化且有消光的为椭圆偏振光；第81页，共12

22、1页，2022年，5月20日，17点23分，星期一检偏器光强不变光强改变自然光圆偏振光椭圆偏振光部分偏振光线偏振光（I =0）1/4波片+检偏器I 不变I 可变为 0自然光圆偏振光I 不变为 0I 可变为 0椭圆偏振光部分偏振光第82页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一入射光波晶片出射光线偏振光圆偏振光自然光椭圆偏振光线偏振光圆偏振光（左、右旋）椭圆偏振光（左、右旋）自然光波片波片波片波片波片波片波片波片波晶片对光偏振的影响小结：1/4波片用于改变光的偏振态，1/2波片用于改变光的旋向椭圆偏振光线偏振光自然光椭圆偏振光线偏振光圆偏振光（右、左旋）椭圆偏振光（右、左旋）自

23、然光第83页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一例（P273例1531）： 在两偏振片P1 P2 之间插入1/4波片，并使其光轴与P1 的偏振化方向间成45角。光强为 I0 的单色自然光垂直入射于P1 ，转动P2 ，求透过P2 的光强。解：CAeOAoA2oA2eP1P2A1C 表示波片的光轴方向 表示P2 和C 的夹角 单色自然光经P1后为线偏振光，振幅为A1 ，经1/4波片后为圆偏振光第84页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一两个分振动透过P2 的振幅都只是它们沿P2 方向的投影。它们的相差为/2 以A 表示这两个具有恒定相差并沿同一方向振动的

24、光矢量的合振幅，则有CAeOAoA2oA2eP1P2A1第85页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一 此结果表明，通过P2的光强只有圆偏振光的一半，也是透过P1的线偏振光光强 I1的一半，即第86页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一15.16 偏振光的干涉 人工双折射 单色自然光通过一个偏振片以后，垂直射在光轴平行于表面的晶片，从晶片出来的是两束传播方向相同、振动方向相互垂直、频率相等、有恒定相位差的线偏振光。 它们能否干涉？单色自然光不能干涉！15.16.1 偏振光的干涉第87页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一(忽略吸收

25、和其它损耗)由振幅矢量图，知：后面再放一个偏振片P2,P2后面就可以看到干涉.通常是让P1P2P2P1CA1AeAoA2oA2ed晶片C偏振片P2偏振化方向 偏振片P1偏振化方向光轴方向单色自然光第88页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一使干涉衬比度好。可见由振幅矢量图的投影关系知,A20和A2e的正方向相反，所以有附加相差 .（若P1、P2夹角小于，则无附加相差）。P2P1CA1AeAoA2oA2e第89页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一 通过 P2 后两束偏振光的相位差为 光强 I A220+A22e+2A20A2ecos-相长干涉，亮-相

26、消干涉，暗（k=1,2,3 -） 若单色光入射，且d不均匀， 则屏上出现等厚干涉条纹。第90页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）第91页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一若白光入射，而d 均匀，则屏上由于某种 颜色干涉相消，另一些颜色干涉相长， 而呈现它的互补色。 如红色（或蓝色）相消显绿色（或黄色），这叫（显）色偏振.若白光入射，且d不均匀， 则屏上出现彩色 条纹。屏第92页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一硫代硫酸钠晶片的色偏振图片第93页，共121页，2022年，5月20日，17点23

27、分，星期一偏振光的干涉有许多应用，其基本思想是由光的干涉情况反推晶片情况。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可以分析物质内部的某些结构偏光显微术第94页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一利用偏振光干涉看到的结冰过程第95页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一15.16.2 人工双折射 人工双折射是用人工的方法造成各向异性, 从而获得双折射的现象.。一、光弹效应（photoelastic effect）光弹效应也叫应力双折射效应。将有机玻璃取代晶片,加力的方向即光轴的方向.P1P2dFSF干涉有机玻璃C第9

28、6页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一应力（F/S）各向异性光速V各向不同 n 各向不同，在一定应力范围内,有：若应力均匀,则观察到均匀的干涉光强. 若应力不均匀,若各处 F/S不同 各处 不同 出现干涉条纹.第97页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一应力变化大的地方,条纹密;应力变化小的地方,条纹疏.模型的光弹图象钓钩的光弹图象第98页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一二、电光效应电光效应也叫电致双折射效应。1. 克尔效应（kerr effect)将克尔盒取代晶片的位置,加电场的方向即光轴的方向.l+-4545P1P2克

29、尔盒d第99页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一克尔盒内充某种液体(如硝基苯)， 加电场液体各向异性（由于分子定向 排列的缘故，呈单轴晶体性质） 光轴 通光； 不加电场液体恢复各向同性 P2不通有 E 电场强度，k 克尔常数 对硝基苯(C6H5NO2)第100页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一经过克尔盒的两束光的位相差为它正比于U2, 因此也称为二次电光效应.应用:可作光开关（克尔盒的响应时间极短， 每秒能够动作109次）和光调制器。 用于高速摄影、光测距、激光通讯克尔盒有很多缺点：硝基苯有毒，易爆炸， 需极高纯度和高电压，故现在很少用。第10

30、1页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一2. 泡克尔斯效应(pockels effect)图示为纵向装置（光传播方向与 电场平行）用 KDP 晶体(磷酸二氢钾)取代克尔盒。电极K，K透明。电光晶体+。-P1P2KK泡克尔斯盒第102页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一 原来该晶体是单轴晶体，使光轴沿光传播 方向，当然没有双折射现象，没有光透过P2;加电场晶体变双轴晶体 沿原来的光轴方向产生了 附加了双折射效应。有光透过P2。-称为一次电光效应泡克尔斯盒的响应时间也极短，一般小于10-9秒，也用作光开关和光调制器，近年来还用于数据处理，显示技术。第1

31、03页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一后空翻动作高速摄影图片：击高尔夫球的动作第104页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一牛奶滴向盘中的牛奶第105页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一子弹射穿苹果的瞬间第106页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一光轴平行磁场，且 这种效应很弱，需要很强的磁场才能观察到。三、磁致双折射（补充）类似于电场的克尔效应，某些透明液体在磁场 H 作用下变为各向异性，性质类似于单轴晶体。二次效应。第107页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一15.17旋

32、光效应简介一、物质的旋光性：1811年实验物理学家阿喇果发现，线偏振光通过某些透明物质时，其偏振面将旋转一定的角度。d偏振片2偏振化方向 单色自然光偏振片1偏振化方向光轴方向P2P2石英晶片(不产生双折射)（原消光）（现消光）第108页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一这种能使线偏振光的振动面发生旋转的性质，称为旋光性。 a旋光率 a 取决于入射光的波长和旋光物质。 旋光物质 d具有旋光性的物质：如石英、糖的水溶液、 酒石酸溶液、松节油等。迎着光看，振动面 顺时针转的为右旋物质， 振动面 逆时针转的为左旋物质。第109页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一二、菲涅耳的解释：线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确定相位差的左(L)、右(R)旋圆偏振光的合成。设:入射时L，R 初相为0，旋光物质长d.即EELERo例如，石英晶体有左旋,右旋两类旋光体,是因为它的分子的空间排列方式有两类。第110页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一在出射面上它们的位相，分别比入射面处的位相落后，由图示，有：看旋转矢量图:(a)(b) dELERE(a)(b)ELERERL同一时刻第111页，共121页，2022年，5月20日，17点23分，星期一令旋光率所以由上式看出， 时， ，即振动面向左旋（对着光看）。第112页，共