第19章光的偏振分析.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

2、般地，部分偏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

3、入射光为线偏振光。,19.2 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

4、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%

5、 。,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+

6、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） 022 02（）,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

7、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: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

8、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）。,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

9、，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,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。

10、,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

11、,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

12、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

13、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 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 、

14、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

15、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 10-9 s ，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,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

16、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 20o C 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

17、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的出射线偏振光。,因此，当 X绕轴转到不同位置时，皆在绕

18、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 垂直入射在晶片上，振动方向与晶