2014optics第7章_光的偏振1.ppt

1、第7章 光的偏振与晶体光学基础,一束非偏振光入射到各向异性晶体中，一般地将分解为两束偏振光（双折射） 所谓各向异性，是指介质的光学性质在不同的方向上有不同的值，或者两两不相等，或者至少有两个彼此不相等。 晶体就是一种均匀的、透明的，但却是各向异性的介质。最为重要的偏振器件是由晶体制成的。本章将讨论光波在晶体中的传播规律。,7-1偏振光和自然光 7.1.1偏振光和自然光的特点,1、线偏振光：光波的光矢量的方向始终不变，只是它的大小随位相改变。光矢量(电矢量)与光的传播方向组成的面称为线偏振光的振动面。,线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：,线偏振光的表示法：（s波、p波）,2、圆偏振光：光矢量的

2、大小保持不变，而它的方向绕传播方向均匀地转动。 每一时刻的电矢量可以分解为振幅相等、位相差为/2、相互垂直的振动。,3、椭圆偏振光：光矢量的大小和方向都在有规律地变化，光矢量末端沿着一个椭圆转动。 每一时刻的电矢量可分解为：,4、自然光：具有一切可能的振动方向的许多光波的总和。振动方向无规则。 自然光可以用相互垂直的两个光矢量表示，这两个光矢量的振幅相同，但位相关系不确定。,一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。,自然光的表示法：,5、部分偏振光：自然光受到外界的作用，造成各振动方向的强度不等，某一方向的振动比其他方向占优势。,部分偏振光也可以看作是由一个完全偏振

3、光和一个自然光混合组成的。,部分偏振光的表示法：,偏振度：线偏振光在总光强中所占的比例。,It 部分偏振光的总强度 In 部分偏振光中包含的自然光的强度 Ip 部分偏振光中包含的完全偏振光的强度 完全偏振光 (线、圆、椭圆 ) P =1 自然光 ( 非偏振光 ) P = 0 部分偏振光 0 P 1 偏振度数值越接近1，光束的偏振化程度越高,偏振度的另一种表示：,一、获得线偏振光的方法 ： (1)由反射与折射产生偏振光； (2)由二向色性产生偏振光； (3)由双折射产生偏振光； (4)散射光产生偏振。 起偏：从自然光获得偏振光 起偏器: 起偏的光学器件 偏振片,7-1-2从自然光获得线偏振光的方

4、法,i 0 布儒斯特角或起偏角，反射光只有S分量,i0 +r0 = 90O,有,1、由反射和折射产生线偏振光,例：1、外腔式气体激光器,S波由于反射损失，损失大于增益，在谐振腔中无法起振，p波在布儒斯特窗上没有损失，衰减很小，在腔内形成稳定的振荡，并从反射镜出，输出激光为线偏振光。,利用几个玻璃片产生偏振：,利用玻璃片堆产生偏振：,玻璃片堆起偏：,当i =i0时，多次反射折射，折射光有很高的偏振度，反射光强度增大。,反射光偏振度好-光强小； 透射光光强大-偏振度差；,一片玻璃获得的偏振光的缺点：,例：固定波长的偏振分光镜，45度入射，q为布儒斯特角。,当白光入射时，还要求玻璃的色散必须与介质膜

5、的色散适当的匹配。微分计算,2、由二向色性产生偏振光 二向色性：有些各向异性的晶体对于光的吸随光矢量相对于晶体的方位而改变。 晶体的二向色性还与波长有关，当振动方向互相垂直的两束线偏振白光照射在晶体后会呈现不同的颜色，这就是二向色性的由来。 电气石典型的二向色性材料：,19,天然晶体中，电气石（六角形片状）具有最强的二向色性,1mm厚的电气石晶体可把垂直于光轴振动的光矢量全部吸收！,六角形长对角线方向为光轴,E光轴：,E光轴：,吸收很少,通过较多,通过很少,吸收较多,自然光入射,线偏振光出射,光矢量对传播方向的偏振性，在与物质的作用过程中，一定有所反映。,20,2、人造偏振片：,透振方向：允许

6、通过光矢量振动的方向。,优点：造价低廉；面积大，通光孔径大；轻便。,缺点：带有选择性吸收，使透射的偏振光带有颜色。,通！,不通！,透振方向,入射光/透振方向,入射光透振方向,透明聚乙烯淳片，强烈吸收某一方向上的光振动，透射光成为线偏振光。,H偏振片、K偏振片 各向同性介质拉伸制成,7.1.3 马吕斯定律和消光比（偏振光的检验） 检验偏振器件的偏振特性。 P和A是两片相同的偏振片，当相对转动时，透射光强就随着两偏振片的透光轴的夹角q而变化。,线偏振光通过与之角度的偏振片后的光场矢量大小,1、当透光轴互相垂直，透射光强为零。 2、当夹角q为其他值时，透射光强：,Malus定律（1809）,产生偏振

7、光-起偏-起偏器； 检验偏振光-检偏-检偏器。 人造偏振片的消光比一般为10-3。,消光比：描述部分偏振光的偏振情况。,例7.1 一束自然光以57入射到空气玻璃界面，求反射光、透射光的偏振度,菲涅尔公式 偏振度,例7.2 设计一块适用于氩离子激光的偏振分光镜，选定nH=2.38的硫化锌和nL=1.25的冰晶石作为膜层材料。试决定（1）分光棱镜折射率（2）膜层厚度,（1）,（2）膜层厚度的选择应使膜层上下表面发射的光束满足干涉加强条件,课后习题7.2；7.4,2、散射产生线偏光 因为偶极子振荡方向上没有次波辐射，故此方向上为偏振波。 偏振度随散射角减小而下降。,（1）测不透明介质的折射率。,（2

8、）制作偏振摄像镜头、太阳镜、棱镜等光学器件。,（3）激光器的布氏窗。,（4）立体电影、车窗、飞机舷窗等的制作。,应用：,汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时，为了避免双方车灯的眩目，司机都关闭大灯，只开小灯，放慢车速，以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角，那么，司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，即不要熄灯，也不要减速，可以保证安全行车。 另外，在阳光充足的白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光，常会使眼睛睁不开。由于光是横波，所以这些强烈的来

9、自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此，只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光。,汽车车灯,生物的生理机能与偏振光 人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的，但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。比如蜜蜂有五支眼、三支复眼、两支复眼，每个复眼包含有6300个小眼，这些小眼能根据太阳的偏光确定太阳的方位，然后以太阳为定向标来判断方向，所以蜜蜂可以准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛。 再如在沙漠中，如果不带罗盘，人是会迷路的，但是沙漠中有一种蚂蚁，它能利用天空中的紫外偏光导航，因而不会迷路。,（C） 偏光镜消除了反射偏振光，使玻璃门内的人物清晰可见,（A） 玻璃门表面的反光很

10、强,（B） 用偏光镜减弱了反射偏振光,橱窗设计,外腔式激光管加装布儒斯特窗，可使出射光为线偏振光，并减少反射损,实例,例7.2 设计一块适用于氩离子激光的偏振分光镜，选定nH=2.38的硫化锌和nL=1.25的冰晶石作为膜层材料。试决定（1）分光棱镜折射率（2）膜层厚度,（1）,（2）膜层厚度的选择应使膜层上下表面发射的光束满足干涉加强条件,课后习题7.4,M.C. Escher,34,偏振光的最普遍的来源之一，是从电介媒质反射这一个无所不在的过程。来自窗玻璃、纸张或秃头上的反光，电话机面盘上、弹子球或者书皮封套上的光泽，一般都是部分偏振的。这个效应是马吕斯在1808年开始研究的。巴黎科学院悬

11、赏征求双折射的数学理论，马吕斯就着手研究这个问题。一天傍晚，他站在家中的窗户旁边研究方解石晶体。当时夕阳西照，夕阳的象从离他家不远的卢森堡宫的窗户上反射到他这里来。,小 故 事,35,小 故 事,他拿起了晶体，通过它观察反射来的阳光。使他感到意外的是当转动方解石时，双象中的一个象消失了。太阳下山之后，夜里他继续用从水面上和玻璃面上反射回来的烛光来核实他的观察。 用一支蜡烛和一片玻璃试一试，把玻璃放在P56时效应最显著。但在近掠射时， 两个象都很明亮，无论怎样转 动晶体，哪个象都不会消失。 马吕斯显然很幸运，站在对着 宫殿窗户的一个好角度上。,1. 一束入射光在各向异性介质中折射为两束光的现象称

12、为双折射现象。,方解石（CaCO3）双折射现象,7.2晶体的双折射double refraction of light in Crystals,双折射现象,晶体的双折射现象,方解石晶体CaCO3,纸面,方解石晶体实物照片,用眼睛观看发光点，会看到两个像点，透过方解石晶体，纸面上的字成了的双字,38,光通过双折射晶体,7.2 晶体的双折射,一束单色光入射介质 各向同性介质 一束折射光，遵守折射定律 各向异性介质 两束折射光双折射 寻常光和非常光（O光和e光） 总是在入射面内，遵守折射定律的折射光o光 一般不在入射面内，且不遵守折射定律的折射光e光 晶体光轴 晶体里的一个特殊方向，当光在晶体中沿着

13、这个方向传播时不发生双折射现象。 只有一个光轴方向的晶体单轴晶体 例方解石，石英，KDP 有两个光轴方向的晶体双轴晶体 例岩盐(NaCl)、萤石(CaF2),寻常光线(ordinary ray)和非常光线(extr-ordinary ray) o光 : 遵从折射定律 e光 : 一般不遵从折射定律、 也不一定在入射面内。,3 主平面和主截面,主平面：由o光线和光轴组成的面成为o主平面 由e光线和光轴组成的面成为e主平面 o光的电矢量垂直于o主平面 e光的电矢量则在e主平面内 主截面：由光轴和晶体表面法线组成的面。 通常有意选择入射面与主截面重合 当光线以主截面入射时，o光和e光 均在主截面内，这时主截面也是o光 和e光的共同主截面,o光和e光都是线偏振光。 o光的光矢量