第19章光的偏振总结.ppt

1、1,第19章光的偏振,19.1自然光和偏振光,1线偏振光,（完全）线偏振光,光波的横波性,偏振态,平面偏振,振动平面,光是电磁波，电磁波是横波，光矢量的振动方向总是和光的传播方向垂直，光矢量的振动方向对传播方向而言具有不对称性，称为光的偏振。,2,3部分偏振光,2自然光,在垂直光传播方向的平面内，光矢量大小在所有可能方向上都相等，各光矢量之间没有固定的位相关系，这种光称为自然光。,自然光等效于任意两个互相垂直的、彼此独立的（无确定位相关系）、振幅相等的光振动之和。,互相垂直的两方向上的光振动光强各占自然光总光强的一半，即,自然光的图示：,部分偏振光是介于偏振光和自然光之间的情形，一般地，部分偏

2、振光都可看成自然光和线偏振光的混合。,3,椭圆偏振光:,合成椭圆偏振光.,圆偏振光:,合成光振动矢量末端轨迹是圆。,4椭圆偏振光和圆偏振光,可以看成频率相同，振动方向互相垂直，且有固定位相差的两列线偏振光的合振动,满足椭圆方程：,光的光矢量在沿着光的传播方向前进的同时，还绕着传播方向均匀转动。,4,起偏器和检偏器,自然光入射到偏振片，透射光为线偏振光。透射线偏振光光矢量的振动方向为通光方向，或透光轴，也叫偏振化方向。,1.起偏器和检偏器,起偏器：能产生线偏振光的装置。,检偏器：能检验线偏振光的装置,起偏器也可作为检偏器,检偏：旋转检偏器，每转过90o交替出现极大和消光，则入射光为线偏振光。,1

3、9.2起偏和检偏马吕斯定律,5,2.二向色性,产生线偏振光方法之一,对互相垂直的两个光振动有选择吸收的这种性能。称为二向色性,3.马吕斯定律,透过光振幅A是入射振幅Ao在透光轴上的投影，即,二向色性,6,则透过的线偏振光的光强I与入射线偏振光光强Io的关系为,.马吕斯定律,式中为入射光振动方向与透光轴的夹角。,1.布儒斯特定律,产生线偏振光的方法之二,自然光在两种各向同性介质分界面反射和折射时，一般情况反射光和折射光都将成为部分偏振光。,19.3反射和折射起偏布儒斯特定律,应用：立体电影=,7,在以特殊的入射角i0入射时，反射光成为完全偏振光，其光振动方向垂直入射面。,当以起偏角i0入射时，反

4、射线与折射线互相垂直，即,入射角i0为起偏角，或布儒斯特角,.布儒斯特定律,推论：,由布儒斯特定律,由折射定律,比较上面两式，得,8,1）.玻璃片堆,自然光以起偏角i0入射时，反射光皆为振动方向垂直入射面的线偏振光，总的反射光强增大，而折射光也近似成为完全线偏振光。,玻片堆,关于反射光的光强：,当自然光以起偏角i0入射时，反射光虽然是完全偏振的，但光强较弱。,例如，自然光以i0由空气射入玻璃，平行入射面的光振动全部被折射；垂直入射面的光振动约85%也被折射，反射的只占约15%,仅占入射光总能量的7%。,2.布儒斯特定律应用,3）.测量不透明介质的折射率，如珐琅，釉质等,在水边照相时，水面的反射

5、光很强，因是偏振光，用偏振镜减少入射光。,2）.偏振滤光镜,9,拍摄玻璃窗内的物体时，用偏振片去掉反射光的干扰,10,例1：有一束自然光和线偏振光组成的混合光，当它通过偏振片时改变偏振片的取向，发现透射光强可以变化7倍。试求入射光中两种光的光强度各占总入射光强的比例。,解：设入射光的光强为I0,其中线偏振光的光强为I01,自然光的光强为I02.在该光束透过偏振片后，其光强由马吕斯定律可知：,当=0时，透射光的光强最大，,当=/2时，透射光的光强最小，,入射总光强为：I0=I01+I02,11,例2:让入射的线偏振光依次通过偏振片1和21和2的偏振化方向与原入射光光矢量振动方向的夹角分别是和欲使

6、最后透射光振动方向与原入射光振动方向互相垂直，并且透射光有最大的光强，问和各应满足什么条件？,解:(1)见图，只有让90，才能使通过1和2的透射光的振动方向（A2）与原入射光振动方向（A0）互相垂直，即90。,A0,P1,P2,(2)据马吕斯定律，透射光强,（02）2（90）02202（）,欲使为最大，则需使90，即45,12,例3：有三个偏振片堆叠在一起，第一块与第三块的偏振化方向相互垂直，第二块和第一块的偏振化方向相互平行，然后第二块偏振片以恒定角速度绕光传播的方向旋转，如图所示。设入射自然光的光强为I0。试证明：此自然光通过这一系统后，出射光的光强为I=I0(1-cos4t)/16.,解

7、:经过P1,光强由I0变为I0/2,P2以转动,P1,P2的偏振化方向的夹角=t,P2以转动,P2,P3的偏振化方向的夹角=/2-t,13,例4：一块玻璃的折射率为n=1.55一束自然光以角入射到玻璃表面，求角为多少时反射光为完全偏振光？证明在下表面反射并经上表面透射的光也是完全偏振光。,解：根据布儒斯特定律,由折射定律：,可得：,角满足布儒斯特定律,14,一.晶体的双折射现象,一束光射入各向异性的晶体，折射光分成两束的现象，叫双折射现象,1.晶体的光轴,产生线偏振光的方法之三,双折射的两束光都是完全线偏振光。,其中一束遵守折射定律，叫寻常光（o光）；,另一束一般不遵守折射定律，叫非常光（e光

8、）。,二.晶体光学性质简介,晶体内部的一个特殊方向，称为晶体的光轴。,19.4晶体双折射偏振棱镜,图方解石晶体光轴,15,光振动方向和光轴的夹角决定光束在晶体中的传播速度。,晶体界面的法线与晶体光轴所构成的平面称为晶体的主截面。,o光：光振动方向始终与光轴垂直，o光在晶体中的传播速度和折射率恒定，因而遵守折射定律。,只有一个光轴的晶体称为单轴晶体，有两个光轴的晶体称为双轴晶体，下面仅讨论单轴晶体。,晶体中某光线的传播方向和晶体光轴方向构成的平面，叫做该光线的主平面。,e光：光振动方向和光轴夹角在晶体中发生变化，传播速度和折射率也随之改变，因而不遵守折射定律。,2.晶体的主截面,3.主平面,16

9、,o光的振动方向垂直主平面，所以始终与光轴垂直。,当入射光在主截面内，即入射面与主截面重合时，o光和e光的主平面重合，都在主截面内。,e光的振动方向在主平面内，因而传播方向改变，其振动方向和光轴夹角也随之变化。,4.晶体的主折射率正晶体与负晶体,o光的速度为vo，o光的折射率为,e光在垂直光轴方向的速度，即e光的振动方向与光轴平行时的速度用ve表示，此时e光的折射率为,称no和ne为晶体的主折射率。,O光,e光,17,正晶体：,如石英、碳、冰等。,负晶体：,如方解石、红宝石、白云石等。,18,三.用惠更斯作图法说明双折射现象,19,图(b):光沿光轴传播时,不发生双折射.e光,o光传播方向与传

10、播速度相同.,20,图(c)光轴平行于晶体表面时:e光,o光传播方向相同,但速度不同;e光振动方向平行于光轴,o光振动方向垂直于光轴.,21,四.1/4波片和1/2波片,光轴和其表面平行的晶体薄片，称为晶片。,线偏振光垂直入射到晶片上，晶体中的o光和e光虽然传播方向相同，但经过波片后，o光和e光产生光程差:,式中d为晶片厚度,位相差:,1.1/4波片,晶片厚度满足,关系式的晶片称为1/4波片。,2.1/2波片,晶片厚度满足,的晶片称为1/2波片。,22,五.偏振棱镜,加拿大树胶n=1.55方解石主折射率no=1.6584,ne=1.4864,23,24,一.椭圆偏振光和圆偏振光的产生,1.椭圆

11、偏振光的产生,自然光起偏器1/4波片椭圆偏振光,2.圆偏振光的产生：,自然光起偏器1/4波片圆偏振光（1/4波片光轴与入射线偏振光的振动面成45o角）,19.5圆偏振光和椭圆偏振光,25,二.偏振光的获得和检验,1.偏振光的获得,1)线偏振光：,2)椭圆偏振光：,从自然光获得线偏振光，用起偏器、波片、玻片堆、偏振片、尼科耳棱镜等。,自然光通过起偏器和一个波片即可。,2.检验偏振光,设入射光有以下五种：自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。,26,第一步,第二步,令入射光通过偏振片I，改变I的透振方向，观察透射光强变化。,观察现象,观察现象,结论,结论,有消失,线偏振光,有消失,圆

12、偏振光,无消失,自然光,强度无变化,自然光或圆偏振光,a.令入射光依次通过四分之一波片和偏振片II，改变II的透振方向P2，观察透光强度变化。,有消失,无消失,椭圆偏振光,部分偏振光,强度有变化，但无消光,部分偏振光或椭圆偏振光,b.四分之一波片的光轴方向必须与椭圆主轴重合。,27,偏振光的干涉为分振动面干涉，它把某一点的光矢量沿互相垂直的两方向分解，两分振动经过不同的光程相遇后，再设法把光振动引入同一方向上来，而产生干涉。,一.偏振光干涉装置,两偏振片中间再放一波片就构成偏振光干涉装置。,1.偏振片p1：产生线偏振光。,2.波片:,分振动面:把入射的线偏振光分解为o光e光；,位相延迟:o光和

13、e光射出波片时，产生位相差,3.偏振片p2：把波片中射出的o光和e光再引到同一方向上来。,19.6偏振光的干涉,28,二.偏振光的干涉原理,如图所示，p1、p2表示两正交偏振片的偏振化方向，C表示晶片光轴方向。,在p1、p2正交时,两相干光总的位相差,上式等号右边第一项是通过晶片产生的，第二项为由几何投影产生的附加位相差，有无这一项由p1和p2的夹角具体而定。,29,当,加强,减弱,k=1,2,.,或,加强,减弱,k=1,2,.,干涉结果与光的波长、晶片厚度及晶片主折射率差三者都有关系。,用单色光入射时，当晶片厚度不均匀，视场出现干涉条纹，当晶片厚度均匀，则无干涉条纹。,当白光入射，晶片厚度一

14、定，视场将出现一定的彩色，这种现象称为色偏振。,30,一些各向同性的非晶体或液体，在人为条件下，变成各向异性，因而产生双折射现象称为人工双折射。,一.应力双折射（光弹效应）,在内应力或外机械应力作用下，非晶体物质产生各向异性而产生的双折射现象。,二.电光效应,非晶体或液体在强外电场作用下产生的双折射现象。,19.7光弹效应和电光效应,a）克尔效应：,31,折射律差值和电场强度平方正比：,电压U变化，光程差随之变化，从而使透过p2的光强也随之变化。,克尔效应的产生和消失所需时间极短，约为10-9s，因此可做成几乎没有惯性的光断续器，广泛应用于高速摄影、激光通信和电视等装置中。,19.8旋光现象,

15、线偏振光沿一些晶体光轴方向通过，或线偏振光通过一些液体时，其偏振面会发生旋转，这种现象叫旋光现象。,一.晶体和液体的旋光性,b）泡克耳斯效应：,线性电光效应。材料：磷酸二氢钾（KDP晶体)、铌酸锂（LiNbO3)、砷化镓（GaAs),32,1.对晶体：,线偏振光偏振面转过的角度与光线在晶体中通过的路程l成正比，即,例如，石英对=589nm黄光，=21.75o/mm,对=408nm紫光=48.9o/mm。,不同晶体旋光率不同，同种晶体旋光率还与波长有关，称为旋光色散。,式中为旋光率。,33,2.对溶液:,蔗糖水溶液在20oC时，对=589nm的黄光，其旋光率为,偏振面转过的角度与光线在液体中通过

16、的路程l成正比，也和溶液的浓度C成正比，即,式中为液体或溶液的旋光率。,二.磁致旋光,左旋右旋,34,样品长度,磁感应强度,费尔德常数,利用磁致旋光的这一特点，可制成光隔离器，即只允许光从一个方向通过，而不能反向通过的光阀门。,光的偏振视频,35,例6:用自然光源以及起偏器和检偏器各一件，如何鉴别下列三种透明片：偏振片，半波片和1/4波片。,（1）先鉴别出偏振片：如图（1）放置。绕轴旋转N，若转到某一角度无光透出，则X为偏振片。,（2）在余下两片中鉴别出1/2波片,如图放置。自然光经起偏器M后成为线偏振光。设该线偏振光的振动方向与波片X的光轴夹角为，半波片使入射线偏振光变为振动方向转过2的出射

17、线偏振光。,因此，当X绕轴转到不同位置时，皆在绕轴转动到某一位置时，无光从N透出，则X为半波片。,解：M,N为已知的起偏器和检偏器，x为待检片。,另一个为1/4波片。,36,例7：一方解石晶体的表面与其光轴平行，放在偏振化方向相互正交的偏振片之间，晶体的光轴与偏振片的偏振化方向成450角。试求：（1）要使=500nm的光不能透过，则晶片的厚度至少多大？（2）若两偏振片的偏振化方向平行，要使=500nm的光不能透过，晶片的厚度又为多少？已知晶片的no=1.658,ne=1.486.,解：（1）如图（a)所示，要使光不透过检偏器，则通过检偏器的两束光须因干涉而相消，通过p2时两光的光程差为,由干涉条件，,37,当k=1时，镜片厚度最小，为,（2）图（b)可知，当p1，p2平行时，通过p2的两束光没有附加相位差，因而有,当k=0时，此时晶片厚度最小，,38,例8:一块厚0.025mm的方解石晶片，其表面与光轴平行，放置在两正交偏振片之间。从第一块偏振片射出的线偏振光垂直入