第9章 光的偏振.ppt

1、第 9 章 光的偏振,9.1 自然光与偏振光 9.2 起偏与检偏 9.3 光的双折射现象 9.4 光偏振元件 9.5 偏振光的检验,9.1 自然光与偏振光,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。,光的偏振性：,偏振态在垂直于光传播方向的平面内光 矢量的振动状态。,一、自然光,各个方向振动几率相等，且各方向振动 的振幅、相位均无关联的光叫做自然光。,自然光可看做是： 1）沿各方向的振动概率相等，且各方向的振幅、 相位互无关联的光； 2）由两垂直的、振幅相等的、彼此独立的线偏振光 合成的光。,自然光的表示：,单色平面电磁波沿 Z 轴传播，其光矢量 分解为 X、Y轴向

2、的振动，,二、偏振光,两频率相同方向垂直的振动的合成，其矢量端点轨迹为 （消去 ）：,一般椭圆方程,（1）、线偏振光,m为奇数,m为偶数,线偏振光的表示法：,此表明 的端点描绘的轨迹是圆； 具有这种特点的光，称圆偏振光。,（2）、圆偏振光,迎着光传播方向看矢端旋转方向： 顺时针旋转：右旋光； 逆时针旋转：左旋光。,光矢量端点的轨迹是椭圆，称为椭圆偏振光。,正椭圆,斜椭圆,（3）、椭圆偏振光,综上所述，振幅成正比、相位差恒定的两 相互垂直的线偏振光合成后仍然是偏振光。,两线偏振光,2、部分偏振光,既有自然光，又有偏振光，这种光称为部分偏振光,则部分偏振光的光强：,部分偏振光的表示法：,定义 偏振

3、度：,当,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。,三、自然光在两种介质分界面上的反射和折射 菲涅耳公式,1、反射光：,布儒斯特角：,2、折射光：,布儒斯特角,反射光变为完全线偏振光，只有垂直于入射面的振动，这时的入射角1 称为布儒斯特角。,1 布儒斯特角或 起偏角,1 + 2 = 90O,由,布儒斯特定律 (1812年),极化方向与电矢量一致，即,电介质的极化率,无量纲量。,偏振片起偏,9. 2 起偏和检偏,一、偏振片的起偏

4、和检偏,偏振片是一种使自然光变为线偏振光的偏光元件,把偏振片允许通过的光矢量方向称透光方向 或偏振化方向。,用来从自然光获得线偏振光的器件称为起偏器；,用来检验入射光是否为线偏振光的器件称为检偏器。,线偏振光,起偏器,检偏器,、起偏：从自然光获得偏振光,、检偏：转动检偏器，看到出射光由亮变暗，又由暗变 亮，转动一 周，有两次极大，两次光强极小。 （光强极小为零称为消光现象),不同偏振光入射到偏振片时， 旋转偏振片，透射光强的变化：,入射光,自然光,旋转偏振片,光强为入射光强的1/2，光强不变,部分偏振光,光强周期性变化，从 没有消光现象,圆偏振光,光强为入射光强的1/2，光强不变,椭圆偏振光,

5、光强有极大、极小变化，但没有消光现象,线偏振光,光强有极大、极小变化，有消光现象,透射光强的变化,二、马吕斯定律（一束线偏振光通过偏振片后的光强变化）,A(起偏),B(检偏）,光透过第二个偏振片后的光强：,A的透光方向和B的透光方向平行时： 光强最大；,A的透光方向和B的透光方向垂直时： 光强最小。,B（检偏）,I0是入射到第二个偏振片的光强。,例题1 如图所示，P1、P2、P3是3片平行放置的偏振片，已知P1与P3透光方向相互垂直，P1与P2的透光方向夹角为300。求：光强为 I0 的自然光通过偏振片组后的出射光强 I3 .,解：,自然光通过P1后的光强为： 方向沿着P1透光方向。,由马吕斯

6、定律，通过P2后的光强：,通过P3后的光强：,例题2 已知光强为I0 的入射光是部分偏振光：自然光和线偏振光 叠加而成，垂直通过两个平行放置的偏振片P1和P2，转动P1 ，测 得通过P1的光强Imax / Imin= 3. 求：(1) 入射光的偏振度； (2) 当P1处于透过光强最大的位置，P1与P2透光方向夹角为 600 时，求透射光强。,解：,(1) 设入射光强中自然光光强为In ,偏 振光光强为Ip , 则有：,通过P1后最大光强：,通过P1后最小光强：,由已知：,可得：,偏振度：,(2) 由马吕斯定律：,9. 3 光的双折射,一、光的双折射现象,当一束光射入各向异性介质（如方解石晶体）

7、中时，在介质内部分成两束折射光，这现象就叫做双折射现象。,实验表明：两束折射线中的 一束始终遵守折射定律，此束光 称为寻常光(O光),O光在中晶体中 传播是各向同性；而另一束折射 光不满足折射定律，这束光称非 寻常光(e光); e 光在晶体中传播 时是各向异性的。,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。,产生双折射现象的原因是由于晶体对o光和e 光具有不同的折射率。即o光和e光在晶体中的传播速度不同。,O光在晶体中沿各个方向传播的速度相同； e光在晶体中沿各个方向的折射率不同，传播速度也不同。,实验发现：O光和e 光都是线偏振光， 且振动方向

8、互相垂直。,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,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，如云母、硫磺、黄玉。,2. 主截面,晶体中光的传播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,2、只有光轴在入射面内，两主截面才重合，则 o光与e光的振动方向相互垂直。,1、一般， o光与e光的振动方向不垂直。 所以，主截面有时不是同一个面。,3、当光

9、轴在入射面内时，O光与e光沿着光轴方向传播， 不发生双折射，速度相等；沿着与光轴垂直方向传播 时，发生相位延迟，但是传播方向仍一致。,总结：,4、o光与e光仅在晶体里讨论。离开晶体没有讨论的意义。 对于o光是各向同性介质；对于e光是各向异性介质。,9.4 晶体偏振器件,一、偏振棱镜,（一）偏振起偏棱镜使一束线偏振光全反射，另一束 线偏振光出射 1、格兰汤姆逊棱镜 方解石加拿大树脂方解石。,光轴,方解石,玻璃n=1.655,加拿大树胶 (n = 1.655),e光,O光,吸收涂层,i,光轴的取向使o光、e光对应的恰是no、 ne 。,no (1.6584)=n胶 (1.655)ne(1.4864

10、),与光轴垂直， 折射率不同。 才可分光。,2、格兰-傅科棱镜,方解石空气方解石。用于紫外波段，可避免树胶对光的吸收。,（二）偏振分束棱镜改变两束线偏光的传播方向，得到 两束分开的线偏光。 1、渥拉斯顿棱镜,方解石方解石（光轴方向垂直） 光在第一棱镜中分成o光、e光。 第二棱镜中光轴取向不同，o光e光，e光o光。, ,e,o,e,o,1,2,方解石,方解石,e,光轴,光轴,o,2、洛匈棱镜：,二、波片,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,9.5 椭圆偏振光与圆偏振光,圆偏振光电矢量大小不

11、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,1. 定义,振幅,两频率相同方向垂直的振动的合成，其矢量端点轨迹方程为：, =0，, = /2, =其它值,讨论,线偏振光,Ex0Ey0 椭圆偏振光,Ex0=Ey0 圆偏振光,斜向椭圆偏振光,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,2.四分之一波片, 线偏振光圆偏振光, 线偏振光线偏振光,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,3.半波片：,例：有一块平行石英片是沿平行于晶轴方向切出的。要把它切成 一块黄光的四分之一波片，问这块石英应切成多少厚度？ （石英的 ）,解：,三、自然光改造成椭圆或圆偏振光,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, 线偏振光圆偏振光, 线偏振光线偏振光,线偏振光椭圆偏振光,(1) 四分之一波片,（振动方向跨光轴转过2）,(2) 二分之一波片(半波片),四、偏振态的实验检验,检偏器,旋 转 检 偏 器,偏振片（转动）,以入射光方向