第五章---光的偏振0(1).ppt

1、,5.1 自然光与偏振光 5.2 线偏振光与部分偏振光 5.3 光通过单轴晶体时的双折射现象 5.4 光在晶体中的波面 5.5 光在晶体中的传播方向 5.6 偏振器件 5.7 椭圆偏振光与圆偏振光,5.8 偏振态的实验检验 5.9 偏振光的干涉 5.10 光弹性效应和电光效应 5.11 线偏振光沿晶体光轴传播时振动面的旋转 5.12 偏振态的矩阵表述 琼斯矢量和琼斯矩阵,5.1 自然光与偏振光,前言,横波波的振动方向与传播方向相互垂直。,纵波波的振动方向与传播方向相同。,波的振动方向对传播方向具有对称性。,波的振动方向对传播方向没有对称性,偏振,一、光的偏振性,光,单色光,复色光,（频率）,光

2、波是电磁波，光与物质相互作用是， 起主要作用的是电矢量,所以电矢量 称为光矢量。,偏振态在垂直于光传播方向的平面内光矢量 的振动状态。,自然光 （非偏振光）,一 般 光 源 发 出 的 光,圆 偏 振 光,椭圆 偏 振 光,左 旋,右 旋,偏振态的分类,部分偏振光,完全偏振光,左 旋,右 旋,平面偏振光 （线偏振光）,一般，用单色光讨论偏振态。,二、自然光与偏振光,线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解,1.平面偏振光（线偏振光）,表示法：,2. 自然光,等幅的、不相干的线偏振光。,自然光的表示法：,一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、,5.2 线偏振光与部分偏振光,利用,物质的二向色性,分

3、界面的反射和折射,晶体的双折射,可得到线偏振光,一、由二向色性产生平面偏振光,1. 二向色性,对相互垂直的振动的具有不同吸收本领的特性。,偏振片,起偏器用来产生线偏振光,检偏器用来检验偏振光,检偏,2. 马吕斯定理,马吕斯定律（1809）, 消光,马吕斯定律,二、反射光的偏振态,1. 布儒斯特角,当,rp=0,即反射光中无平行分量， 成为平面偏振光。,用i10表示,i10布儒斯特角,p分量振动方向平行于入射面 s分量振动方向垂直于入射面,自然光反射和折射后成为部分偏振光,2. 部分偏振光,平面偏振光+自然光,表示法：,最常讨论的部分偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合，,天空的散射光和水面的反

4、射光就是这种部分偏振光，它可以分解如下：,自然光不以布儒斯特角入射：,自然光反射和折射后成为部分偏振光,书P52页，例5.2,实验上很难以准确的布儒斯特角入射，使反射光成平面偏振光。 一般用玻璃堆， 透射光成平面偏振光。,激光器谐振腔输出线偏振光,布儒斯特窗,透振方向,书P.312,例5.2,通过偏振片观察一束部分偏振光。当偏振片由对应透射光强最大位置转过60时，其光强减为一半。试求这束部分偏振光的强度之比和光束的偏振度。,经偏振片P后透射光强最大为(=0),P,Ip,偏振片转动60 (=60)后透射光强为,整理得，,偏振度,5.3 光通过单轴晶体时的双折射现象,一、双折射现象,2.寻常（o）

5、光和非寻常（e）光,方解石,o,e,演示,以入射方向为轴旋转方解石,双折射的两 束光振动方 向相互垂直,双折射会映射出双像：,当方解石晶体旋转时,o 光的像不动，,e光的像围绕 o 光的像旋转。,二、光轴和主截面,特定的方向，晶体中光沿这个方向传播时，不发生双折射现象。,例如，方解石晶体（冰洲石）,由钝隅引出的与三个棱边成等 角的方向就是光轴。,沿此方向的直线均为光轴。,1. 光轴,沿光轴方向传播 n()=no,沿垂直于光轴方向传播 n()=ne,n()为e光的折射率,单轴晶体：只有一个光轴的晶体，如方解石、石英。,双轴晶体：有两个光轴的晶体，如云毋、硫磺、黄玉。,2. 主截面,晶体中光的传播

6、方向与晶体光轴构成的平面,叫该光线的主截面。,o光的振动方向垂直于o光的主截面,e光的振动方向平行于e光的主截面,一般， o光与e光 的振动方向不垂直。,晶体双折射,如果光轴在入射面内，两主截面重合，则 o光与e光的振动方向相互垂直。,注：若两截面夹角很小，常常将o光与e光的振动方向 看作近似垂直。,三、 o光与e光的相对光强,1. 自然光入射,考虑垂直入射的特殊情况（光轴在入射面内）,2. 线偏振光入射,以入射光为轴旋转晶体，主截面随之转动，即改变。, =0 ，I0=0, Ie=I =90，I0=I ,Ie=0,书P321页，例5.4,强度为I的自然光，垂直入射到方解石晶体上后又垂直入射到

7、另一块完全相同的晶体上。两块晶体的主截面之间的夹角为， 试求当分别等于30和180时，最后透射出来的光束的相对强 度（不考虑反射、吸收等损失）。,解：,经第一块晶体后：,经第二块晶体后,相对强度为,经第二块晶体后,由于两块晶体相同，两主截面夹角为180，此时它们 光轴方向关于表面法线对称，则e光在第一块晶体中的 偏折方向与在第二块晶体中的偏折方向相反，因而从 第二块晶体出射的o光和e光传播方向重合，成为一束 自然光。其强度为：,5.4 光在晶体中的波面,o光在晶体中的波面是球面。,e光在晶体中的波面是旋转椭球面。,相对介电常数，,磁导率,单轴晶体，以光轴（z轴）旋转对称（如图）,光振动方向垂直

8、z轴,光振动方向沿z轴, e光,主截面光的传播方向与晶体光轴构成的平面,光的振动方向垂直于主截面,不管往任何方向传播，光振动方向垂直于光轴，,波阵面为球面 o光,光的振动方向平行于主截面,光振动方向垂直z轴,光振动方向平行z轴,波阵面为旋转椭球面 e光,光沿光轴传播,光垂直光轴传播,沿任何方向传播速度相同,沿不同方向传播速度不相同,5.5 光在晶体中的传播方向,正晶体,负晶体,vevo,vevo,石英,方解石,一、单轴晶体内o光和e光的传播方向,1. 以i角入射到晶体，光轴在入射面内,r0,晶体,i,vot,vet,A,B,D,e,o,re,晶体双折射,2. 光轴垂直于晶体表面，正入射,3.

9、光轴平行于晶体表面，正入射,光轴,晶体,不发生双折射,发生双折射,4. 光轴垂直入射面向外，正入射,光轴 ,晶体,二、单轴晶体的主折射率,o光主折射率,e光主折射率,特殊情况下，光轴 垂直于入射面时， 有,发生双折射,5.6 偏振器件,一、尼科耳棱镜,no=1.658 ne=1.486 n胶=1.550,涂黑,e,o光被吸收,二、渥拉斯顿棱镜, ,加拿大树胶,e,o,e,o,尼科耳棱镜,三、波（晶）片,波片光轴平行于表面的单轴晶体，其o光和e光 沿同一方向传播。（发生双折射）,波片厚度为d，,nodo光在波片中的光程,nede光在波片中的光程,光程差： = （no- ne）d,相位差：,主截面

10、,与光轴夹角为的线偏振光 经过半波片后，出射光振动 方向偏转2 。,平面偏振光入射：,o光、 e光光强比sin2/cos2 ,相位差：,自然光入射：,o光、 e光光强比1，无固定相位差自然光,对于半波片，, , ,玻璃,举例：,（1）,（2）,方解石晶体,no=1.658 ne=1.486,no=1.658 ne=1.486 n玻=1.5,方解石,e,o,5.7 椭圆偏振光与圆偏振光,圆偏振光电矢量大小不变，末端在波面内 描绘出一个圆。,椭圆偏振光电矢量大小改变，末端在波面内 描绘出一个椭圆。,迎着光线方向看，,顺时针右旋,逆时针左旋,一、圆偏振光和椭圆偏振光的描述,2. 描述,1. 定义,椭

11、圆偏振光可通过两列频率相同，振动方向相互垂直， 沿同一方向传播的线偏振光叠加得到。,振幅,端点轨迹方程：, =0，, = /2, =其他值,讨论,线偏振光,AxAy 椭圆偏振光,Ax=Ay 圆偏振光,斜向椭圆偏振光,圆偏振光可通过两频率相同，振动方向相互垂直，且振幅相同， 位相差(2k+1)/2, 沿同一方向传播的线偏振光叠加得到。,晶片是光轴平行表面的晶体薄片。,通过厚为d的晶片，o、e光产生相位差：,振幅关系：,从晶片出射的两束光合成为一束椭圆偏振光。,二、圆偏振光和椭圆偏振光的获得,1. 晶片,则出射光为圆偏振光。,若,且,2. 波（晶）片,四分之一波片, 线偏振光圆偏振光, 线偏振光线

12、偏振光,可从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）,（是对某个确定波长 而言的）,波片厚度满足,线偏振光椭圆偏振光,三、自然光改造成椭圆或圆偏振光,自然光入射：,无固定相位差自然光,自然光须先经过一起偏器，再经过四分之一波片才可获得椭圆或圆偏振光。,光轴,透振方向,1/4波片,=45时，获得,圆偏振光,5.8 偏振态的实验检验,一、检偏器,旋 转 检 偏 器,偏振片（转动）,以入射光方向为轴,偏振片（转动）,线偏振光,I不变, 无消光,四分之一波片,偏振片（转动）,以入射光方向为轴,四分之一波片,偏振片（转动）,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的长轴或短轴放置,加 四 分 之 一 波 片, 如何区分由自然光和椭圆偏振光组成的 部分偏振光与由自然光和线偏振光组成 的部分偏振光？, 如何区分由自然光和圆偏振光组成的部分 偏振光与自然光？,5.9 偏振光的干涉,一、 偏振光干涉装置和强度分布,1. 振幅关系,A1o,A2o,P2,P1,C,A1,A1e,A2e,在P2 后：,在P1 后：,干涉光强：,波片引入的位相差：,P1，P2在波片光轴的同侧。, + P1，P2在波片光轴的异侧。,相长干涉,相消干涉,若单色光入射，,则屏上为等厚条纹。,且d不均匀，,P1，P2在波片光轴的同侧,P1，P2在波片光轴的异侧,相消干涉,相长干涉,特例：,（1）