晶体光学和偏振3.ppt

1、1,二、波片（位相延迟器 ）,作用：,o光和e光通过波片时的光程差与位相差：,d是波片厚度,使两个振动方向相互垂直的线偏振光之间产生位相延迟。,制作：用单轴透明晶体做成的平行平板，光轴与表面平行。,第五章 光的偏振和晶体光学基础,55 晶体偏振器件,o、e光振幅关系：,（有时常称光轴为e 轴）,通过厚度为d 的晶片，o、e光产生相位差：,2,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 的线偏振光.,所以, 椭圆(圆)偏振光可用适当的 晶片来获得。,它们一般可以合成为椭圆偏振光，特殊情况下可以合成为圆偏振光，线偏振光。,4,则称该波片是1/4波片，1/4波片的最小厚

2、度：,若,当n0ne时，e光超前，波片的快轴为e 矢量方向。,1、/4波片,性质：,1）线偏振光入射时，出射光为椭圆偏振光； 2）与快慢轴都成45度线偏振光入射，出射光为圆偏振光。,5,O光和e光产生的光程差,2、/2波片,性质：,1）椭圆偏振光入射时，出射光仍为椭圆偏振光，只是旋向相反； 2）线偏振光入射时，出射光仍为线偏振光。若入射的线偏振光与快（慢）轴夹角为，出射光的振动方向向着快（慢）轴转动了2。,6,线偏振光通过半波片后光矢量的转动,线偏振光通过半波片后光矢量的转动,Ao,-Ao,7,3、全波片,称该晶片为全波片。,性质：,1）不改变入射光的偏振状态； 2）只能增大光程差。,线偏光垂

3、直通过波片后的偏振态,d,出射光的偏振态,波长片 任意 与入射光偏振态相同,任意 00或900 与入射光偏振态相同,1/2波片 出射线偏光振动方向与入射光 振动方向对于光轴对称，两者间夹角2 ,1/4波片,450 圆偏振光,00或900 线偏光,非波片 00, 450,非半波片 900,椭圆偏振光, 450 圆偏振光, 450,00 or 900 长短轴之比为tan或Ctan 的正椭圆偏光,非波片,非半波片,非1/4波片, = 450,椭圆偏振光,四分之一波片,偏振片（转动）,以入射光方向为轴转动,四分之一波片,偏振片（转动）,因为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

4、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。(椭圆偏光的长短轴必须与四分之一波片的快慢轴重合）,11,三、补偿器,巴比涅（Babinet）补偿器:适合于细微光束。 由于交界面为斜面,在此界面上的不同折射会使得两个垂直振动的传播方向分开,引起光束发散,d1,d2,入射光,微量移动,光轴,光轴,12,光轴,Soleit 补偿器:可在宽光束中运用,13,56 偏振的矩阵表示,一、偏振光的表示,1、线偏振光的分解,第五章 光的偏振和晶体光学基础,14,2、椭圆偏振光（包括圆偏振光）,15,左旋椭圆光,为圆偏振光,右旋椭圆光,讨论：,所以任意一个偏振光都可表示为:,a.光矢量互相垂直

5、 b.沿同一方向传播且位相差恒定 的两个线偏振光的合成。,16,二、偏振光的矩阵表示,17,称为归一化的琼斯矢量,18,1、线偏振光的归一化琼斯矢量： 若光矢量沿x轴，Ax=1 Ay=0 =0 ，则：,19,2、求长轴沿x轴，长短轴之比是2：1的右旋椭圆偏振光的归一化琼斯矢量,根据已知条件有：,3、偏振光的叠加,左旋圆偏振光和右旋圆偏振光叠加,20,三、偏振器件的矩阵表示,21,解：光线的偏振状态为：,1,例1：,求透光轴与x轴成角的线偏振器的琼斯矩阵,22,由此得线偏振器的琼斯矩阵为：,23,例2：,自然光通过光轴夹角为45度的线偏振器后，又通过了1/4、1/2和1/8波片，波片快轴沿Y轴方

6、向，试用琼斯矩阵计算透射光的偏振态。,解：自然光通过起偏器，成为线偏振光，其琼斯矢量为：,l/4波片, l/2，l/8波片的琼斯矩阵分别为,24,出射光为：,25,一、偏振光的变换,57 偏振光的变换和测定,1、椭圆偏振光的获得 方法：采用起偏器和/4波片从自然光中获得,26,2、偏振光的检验 方法：利用位相延迟器和偏振器,光强变化， 但不消光。,消光； 光强不变,消光； 光强变化，不消光。将波片转45o,波分线偏变部分圆偏，再转检偏器，光强不变为部分线偏。,27,二、偏振光的测定,1、线偏振光的测定：确定是否是线偏振光；测定线偏振光的 振动方向。(马吕斯定律),半影式检偏器：基于人眼在同一时

7、刻、同一视场对两半视场的亮度不一致性具有很高的视觉灵敏度。可以用来提高检偏器方位的定位精度。,问题：不同角时的光强不能同时观测,需要探测器有记忆功能,=0时, OP1y,28,2、椭圆偏振光的测定 含义：用实验方法测定表示偏振状态的参量（指定坐 标系中的方位角、椭圆度tg和旋向；或直角坐标系 下两偏振光振幅比tg和位相差。）,y,29,方法：采用1/4波片和检偏器的方法。 步骤：1）首先用检偏器测定椭圆长轴的方位角 2）用1/4波片和检偏器测定椭圆度tg和椭圆偏光的旋向。,1）设xoy坐标系中椭圆的琼斯矩阵为,检偏器透光轴与x轴夹角是，其琼斯矩阵为：,30,出射光的强度为：,由此可找出光强最大

8、的位置，从而确定长轴与预定的x轴之间的夹角。,31,2）将1/4波片快轴与已找到的椭圆长轴方向一致,若入射椭圆偏光为左旋时：,出射光在x,y坐标系统中二、四象限。,若入射椭圆偏光为右旋时：,出射光在x,y坐标系中一、三象限。,这样即可判断椭圆偏光的旋向。并且,根据消光位置可以得到角。,32,一、平行偏振光的干涉 1、干涉装置：,58 偏振光的干涉,33,2、原理和公式：,沿晶片快、慢轴方向建立坐标系。 设入射线偏光振幅为a。,34,1）正交偏振器系统： 起偏器P和检偏器A的透光轴相互垂直，即：=+/2,3、讨论,2）平行偏振器系统： 起偏器P和检偏器A的透光轴相互平行，即：=,显然，平行偏振和

9、正交偏振的光强极大、极小的条件互补,35,I和及有关。其中反映晶片光轴的方位； 反映晶片的厚度及材料特性。,的影响：若d一定（即一定），改变,i） 当 时，有,（消光）,ii） 当 时，有,（最亮）,分析,36,的影响：若晶片方位一定(即一定），改变 ，则光强也将改变。改变的方式有两种：晶片厚度d或者波长,i）当2k时，即,相消干涉，暗,ii）当 (2k+1)时，即,相长干涉，亮,晶片厚度d的影响如下（波长确定） ：,37,波长确定 石英劈尖等厚条纹,等厚条纹,38,3）白光干涉： 当光源采用包含各种成份的白光时，光强应是各种单 色光干涉强度的非相干叠加。,波长的影响（晶片厚度d确定） ：,若

10、厚度不均匀，则出现彩色条纹,由于某种波长干涉相消而呈现它的互补色，这种现象叫（显）色偏振（chromatic polarization） 如 红色（656.2 nm） 相消， 出现绿色（492.1nm） 蓝色（485.4nm） 相消， 出现黄色（585. 3 nm）,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。,39,硫代硫酸钠晶片的色偏振图片,40,4、光测弹性方法及玻璃内应力的测定：,光弹效应（应力双折射效应）：由应变引起的双折射现象。,将有机玻璃加力，发现有机玻璃变成各向异性。加力的方向即光轴的方向。,在观察偏振光

11、干涉的装置中，将有机玻璃取代晶片：,P,A,d,F,S,F,干涉,有机玻璃,C,41,若应力均匀,则观察到均匀的干涉光强.,若应力不均匀：,各处 F/S不同 各处 不同 各处干涉情况不同 出现干涉条纹。,实验发现（在一定应力范围内）：,应力变化大的地方,条纹密; 应力变化小的地方,条纹疏。,应力双折射效应引起的相位差：,42,偏振片2,有机玻璃模型,偏振片1,施压,应力双折射显示的偏振光干涉条纹,43,例如. 设计大吊钩时，要知道实际使用时内部的应力分布情况。可用透明的环氧树脂制成模拟吊钩，通过光弹效应，了解内部应力的分布。,应用：,通过光弹性效应，研究材料内部的应力情况。,钓钩的光弹图象,4

12、4,二、会聚偏光仪的干涉,会聚偏光仪干涉装置,45,透过厚度为d的晶片时两束出射光之间的相位差：,偏振光的强度分布为：,讨论：,1）干涉强度与入射角的方位有关； 2）干涉强度与入射面相对于正交偏振器透光轴的方位 有关。,46,会聚偏振光干涉图,3）干涉条纹为同心圆环（入射角决定），中间疏、边缘密，非线性；有四个位置光强为0（偏振器方位） 4）平行偏振器系统与此互补。,47,三、偏光干涉仪(Polarization interferometer ),1、双折射晶体作分光镜,双像元件的分束,Fo,Fe,48,微分干涉显微镜光路图,Nomarski发明,Nomarski相差显微镜,49,50,51,

13、1、固有旋光现象,59 磁光、电光和声光效应,旋光：当一束线偏振光通过某种物质时，光矢量的方向会随着传播距离而逐渐转动。,一、旋光和旋光效应,52,旋光现象的规律：,旋光色散：旋光本领随波长而改变的现象。,旋光方向：左旋(levorotatory)、 右旋(dextrorotatory)之分 方向的规定：使光矢量顺时针方向旋转的物质为右旋物质，逆时针方向旋转的物质为左旋物质。,53,2、旋光现象的物理解释（1825年,菲涅尔）,1）将入射线偏光看成是左旋、右旋圆偏光的合成,2）左旋、右旋圆偏光在物质内部的折射率不同，因而从物质中出射时获得的位相差不等。,54,3）合成复振幅,引入：,55,4）

14、讨论： 若左旋圆偏振光传播速度快，nL0，光矢量向逆时针方向转动； 若右旋圆偏振光传播速度快， nLnR ， 0，光矢量向顺时针方向转动。,56,3、磁致旋光效应： 磁光效应：在强磁场的作用下，物质的光学性质发生变化。 磁致旋光效应（法拉第效应）： 在强磁场的作用下，本来不具有旋光效应的物质产生了 旋光性质。,装置,对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由旋光物质本身决定的,与光的传播波矢有固定关系。,57,对磁致旋光物质，旋光方向与磁场方向有关，与光的传播方向无关。,58,59,4、磁光效应的应用： （1）单通光闸,60,（2）磁光调制（在光通信领域中的应用）,P,B,A,系统组成 工作原理,61,在外界强电场的作用下，某些本来是各向同性的介质会产生双折射现象，而本来具有双折射现象的晶体，其双折射性质也会发生变化。,1、泡克耳斯效应 (Pockels effect) ：一级电光效应,P,z,x,y,X,Y,KDP（磷酸二氢钾）,实验装置一：纵向电光效应 （外加电场方向与光传播方向相同）,二、电光效应,l,62,感生折射率差（n-n）：,引入位相差：,出射光强：,：线性电光系数，三阶张量,具有中心对称的晶体中不能产生线性电光效应（在具有中心对称的11个点群中，所有的三阶张量元ijk=0,63,感生折射率差（n-n）：,64,偏振片1,泡克耳斯效应,偏振片2,KDP（磷酸二氢钾）是一