物理光学专题知识讲座市公开课获奖课件

1、物 理 光 学 (6-2)华中科技大学光电学院王英第1页第1页hSP1P2晶片通光轴通光轴DDxyP2P1DD21DBACDE图6272 偏振和通光轴关系O6.2.7 偏振光干涉两束满足干涉条件偏振光在叠加区域内产生干涉条纹现象叫偏振光干涉现象。用途：检查晶片参数第2页第2页6.2.7.1 平行偏振光干涉1、试验装置aP1起偏器自然光bP2检偏器yx晶片偏振光干涉现象：在两偏振片P1 ，P2之间插入一块厚度为d波晶片，三元件平面彼此平行，光线正入射到这一系统上，直接用眼睛或屏幕观测其强度随各元件取向改变。第3页第3页波晶片:单轴晶体表面与晶体光轴平行晶片；给定快轴；轴定义:负单轴：正单轴：yd

2、x光轴振动方向与光轴垂直，o光振动方向与光轴平行，e光第4页第4页2 原理分析设晶片快慢轴分别为沿x轴和y轴方向。起偏后线偏振光：E= a exp(ikz)则：它在晶体快慢轴上投影分别为：这两个分量通过晶片后位相差为xyP1ExEya椭圆偏振光第5页第5页椭圆偏振光沿P2透光轴分量能透射出来。则透射光复振幅可表示为：xyP1P2ExEybEE”第6页第6页此两透射出检偏器光束满足干涉条件，能够干涉I与， 相关当给定， I伴随，改变而改变。第7页第7页1、当第一项与晶片参数无关。是在不存在晶片条件下由马吕斯定律决定背景光。第二项代表了由于晶片各向异性所引起干涉效应。它与光波波长及晶片厚度相关。第

3、8页第8页利用此装置可得到下列试验现象：当波片厚度均匀时，单色光入射，屏幕上照度是均匀，转动任何一个元件，屏幕上强度都会改变；白光入射时，屏幕上出现彩色，转动任何元件时，屏幕上颜色发生改变；若波晶片厚度不均匀（如尖劈状），屏幕上出现干涉条纹。用一块透明塑料代替波晶片，也许有干涉条纹，也也许没有，但给塑料加应力后，就出现干涉条纹，条纹随所加应力大小而改变。能够通过等厚干涉效应，理解待测晶片均匀性。第9页第9页6.2.7.2 会聚偏振光干涉：采取会聚偏振光照射晶片，能同时看到全部入射角下干涉现象。轴上光没有双折射,不干涉；斜入射光产生o双折射e光,出现干涉;不同入射角，oe在M上是等倾圆环,等色线

4、；P1L21晶片L31P2L4M第10页第10页第11页第11页第12页第12页第13页第13页 Frequency changed through optical nonlinear effects to generation new frequency.What does the index of refraction mean? Linear Region : Efield nBneABCD第37页第37页680710光轴S1770130自然光利用双折射将自然光分成寻常光和非常光利用全反射把寻常光反射到棱镜壁上，只让非常光通过棱镜, nonBne孔径角约为140不适合用于高度会聚或发散光

5、束入射光束与出射光束不在一条直线上第38页第38页eO吸取层2.格兰棱镜端面与底面垂直光轴既平行于端面，也平行于斜面，即与图面垂直两块方解石：（1）可用加拿大树胶胶合；（2）也可用空气层代替；只是角不同而已：有胶合层=76030,孔径角130无胶合层=38.50 ,孔径角7.50有胶合层缺点：（1）树胶对紫外吸取很厉害（2）易被大功率激光所破坏no (1.6584)n (1.55)ne(1.4864)第39页第39页ABCDOe光轴方向3.渥拉斯顿棱镜由两直角棱镜构成，材料“方解石”（或水晶）特点：两光轴互相垂直。功效：能产生两束互相分开、振动方向互相垂直线偏光。原因：进入第一晶体和第二晶体线

6、偏光中寻常光与非常光互换。不大时，出射两光线对称法线，夹角： 第40页第40页6.3.2 波片（波晶片，位相延迟片）波片是单轴晶体表面与晶体光轴平行晶片；给定快轴；负单轴：正单轴：ydx光轴AAoAea光轴P振动方向与光轴垂直，o光振动方向与光轴平行，e光第41页第41页传输方向不变，波片内速度不同；波片厚度d，则o光和e光经过波片光程不同，出射产生位相差。 即两个垂直偏振光位相差。如：正单轴ydxAAoAea线偏振光光轴AAoAea光轴P第42页第42页1. 1/4波片：从线偏振光取得椭圆或圆偏振光（或相反）从晶片出射是两束传播方相同、振动方向互相垂直、频率相等、相位差Dj偏振光，它们合成为

7、一束椭圆偏振光。2a12a2y第43页第43页2. 1/2波片（半波片）：椭圆偏振光不改变端点轨迹，但改变旋向。线偏振光：光矢量方向改变，原与快轴夹角角将向快轴方向转过2 角。aaA0入A0出A入A出Ae入= Ae出入光轴第44页第44页3.全波片 ：注：所谓1/4波片，半波片，全波片都是针对某一特定波长而言，故上述关系都只对某一特定波长成立。三、补偿器：波片只能产生固定位相差，补偿器能够产生连续改变位相差。第45页第45页votvet 负晶体 (vo ve )votvet光轴 负晶体 (vo ve )进入下层，o，e光互换第46页第46页 四分之一波片圆偏振光自然光自然光线偏振光 偏振片（转

8、动）线偏振光 I不变线偏振光I变, 有消光以入射光方向为轴 四分之一波片椭圆偏振光部分偏振光线偏振光 偏振片（转动）线偏振光I变, 有消光 部分偏振光光轴平行最大光强或最小光强方向放置或光轴平行椭圆偏振光长轴或短轴放置线偏振光I变, 无消光用四分之一波片和偏振片P可区别出自然光和圆偏振光或部分偏振光和椭圆偏振光第47页第47页6.3.4 偏振器件矩阵表示：偏振光通过偏振器件后，偏振态会发生改变。偏振器件琼斯矩阵就是变换矩阵。琼斯表示法最主要应用，在于计算偏振光通过偏振器后偏振态改变。设入射光光矢量为 通过偏振器出射光矢量为 偏振器G起着Ei和Et之间变换作用。偏振器件EiEtG第48页第48页

9、一个偏振器件特性能够用矩阵G来描述。矩阵G称为该器件琼斯矩阵线性光学范围第49页第49页若偏振光相继通过几种偏振器，它们琼斯矩阵分别为G1, G2, Gn,则出射光琼斯矢量可由矩阵相乘得到。即偏振器件G1EiEt=GnG2G1Ei偏振器件G1偏振器件G1G1EiG2G1Ei第50页第50页1、与x轴夹角q线偏振器qxy透光轴A1A1cosqB1sinqB1y分量B1透过偏振器振幅R2=B1sinqX:R2cosqY:R2sinqX分量A1透过偏振器振幅R1=A1cosqX:R1cosqY:R1sinq输入输出qxy透光轴A2R1sinqR1cosqB2第51页第51页例2、快轴x夹角qd位相延

10、迟波片qxy快轴A1A1cosqB1sinq慢轴B1A1sinq-B1cosq输入A1,B1在快慢轴上分量R1,R2慢轴分量d位相延迟R1,R2输出A2,B2R1,R2各自在x,y轴上分量之和第52页第52页qxy快轴A1A1cosqB1sinq慢轴B1A1sinq-B1cosq进入波片（坐标变换）：出波片：（相位延迟）G1第53页第53页快轴与x夹角qd位相延迟波片琼斯矩阵：第54页第54页6.3.5、琼斯矩阵本征矢量琼斯矩阵本征矢量，代表一个特殊偏振态，是一个通过该器件后偏振态不变矢量。是指满足下列条件特殊矢量是一个复常数，称为本征值。表示本征矢量在通过该器件后振幅变成本来倍h，位相改变了

11、f。第55页第55页6.5晶体非线性光学效应线性光学：当E不是很大时，介质极化正比于E；非线性光学：当E很大时，介质极化正比于E，E2,E3；,2,3分别是一阶、二阶、三阶极化率。第56页第56页第57页第57页非线性光学系数各向异性晶体中，一个方向光场不但引起该方向极化，并且还引起其它两个方向极化。因此就是一个把P和E联系起来二阶张量。 线性极化（9）：同理：非线性二次极化（27）：非线性高次极化：第58页第58页倍频效应：设晶体内有两列光波： 第59页第59页阐明二次效应包括：和频、差频、基频倍频。 第60页第60页频率为1与2二束光作用于介质，引起介质二阶非线性极化，产生频率为3 = 1 + 2极化波。在L 处产生光强为：式中， k = k3-k1-k2 。入射光强给定后，I 3与非线性介质几何性质、光学性质相关；同时还与k相关。 k= 0为相位匹配条件。相称于互相作用光波动量守恒。倍频情况：k3=2k1第61页第61页普通而言，由于材料色散， n1 = n2 条件是不存在，除非采用特殊技术.如：利用晶体双折射，气体中反常色散特性以及在波导中利用模色散特性。