五章光的偏振0ppt课件.ppt

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1、第五章 光的偏振,物理科学与技术学院,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 光在晶体中的传播方向 5.5 偏振器件 5.6 椭圆偏振光与圆偏振光,5.7 偏振态的实验检验 5.8 偏振光的干涉,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

2、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。,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,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

3、来产生线偏振光,检偏器用来检验偏振光,检偏,分界面的反射和折射,物质的二向色性,2. 马吕斯定理,马吕斯定律（1809）, 消光,马吕斯定律,例 1：,起偏器、检偏器的透光轴夹角 1=30时观测一束单色自然光， 2=60时观测另一束自然光，得两次透射光光强相等。求两束单色自然光的光强之比。,解：,设入射自然光光强分别为：I1、I2，通过检偏器后的光强分别为I1 、I2 则：,例2：,透光轴相互垂直的两偏振片之间插入第三块偏振片，求当透射光强为入射光强的 时，插入的一块偏振片与第一块偏振片透光轴之间的夹角。,解：,设 1、2 两偏振片透光轴夹角为，则：,当 = 45时：,可见：利用偏振片的组合可

4、以改变线偏振光的偏振化方向。,透振方向,知识点回顾:,马吕斯定律（1809）,自然光,线偏振光,线偏振光,经过一偏振片后,转动检偏器,透射光光强不变,无消光,透射光光强变,有消光,自然光,线偏振光,透射光光强变,无消光,部分偏振光,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，,水面的反射光就是这种部分偏振光，它可以分解如下：,3. 偏振度,偏振度,自然光,线偏振光,部分偏振光,P = 0,P = 1,0P1,5.2 线偏振光与部分偏振光,利用,物质的二向色性,晶体的双折射,可得到线偏振光,分界面的反射和折射,一、反射光的偏振态(菲涅耳公式),1

5、. 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,i10布儒斯特角,若 n1 =1.00 (空气)，n2 =1.50 (玻璃)，,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,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,自然光以入射角i斜投射到水面上,使反射光成为完全偏振光.现有一块玻璃浸于水中, 如果光由玻璃面反射也为全偏振光,试求水面与玻璃面之

6、间的夹角.已知n玻璃=1.5,n水=1.33,P.206 例题,也是布儒斯特角,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,1、双折射现象：,一束光进入各向同性的介质（如液体、塑料、玻璃等）时，只产生一束折射光。,但一束光进入各向异性晶体（如云母、石英、方解石等）时，可产生两束折射光，称为双折射现象。,一、双折射现象,5.3 光通过单轴晶体时的双折射现象,5.3 光

7、通过单轴晶体时的双折射现象,一、双折射现象,2.寻常（o）光和非寻常（e）光,演示,以入射方向为轴旋转方解石,o光e 光,指光在折射时是否符合折射定律, 只有在双折射晶体内部才有意义!,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,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,一般， o光与e光 的主截面不重合。,晶体双折射,检偏结果：o光、e光都是线偏振光

8、。,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,: 入射线偏振光的振动方向与光在晶体内的主截面的夹角。 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=0,5.4 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。,在光轴方向：两波面相切；,垂直于光轴方向：两波光速相差最大。,5.4.1 o光和e光的波面,主截面

9、光的传播方向与晶体光轴构成的平面,o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,e光的振动方向平行于主截面,光振动方向垂直光轴,光振动方向平行光轴,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,在光轴方向：两波面相切；,垂直于光轴方向：两波光速相差最大。,负晶体：no ne， vo ve （如方解石、电气石等） 旋转椭球面的短轴等于球面的直径。,在光轴方向：两波面相切；,垂直于光轴方向：两波光速相差最大。,5. 光在晶体中的传播方向,正晶体,负晶体,vevo,石英,方解石,一、单轴晶体内o

10、光和e光的传播方向:负晶体为例,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,vove,2. 光轴垂直于晶体表面，平行于入射面, 正入射,3. 光轴平行于晶体表面，平行于入射面, 正入射,光轴,晶体,不发生双折射,发生双折射,4. 光轴平行于晶体表面, 垂直入射面，正入射,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,5.光轴平行于晶体表面，并垂直于入射面，平行光以入射角i1射到晶体表面。,例,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 另一块完全相同的晶体上。两块晶体的主截面之间的夹

11、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：,5.5 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, , ,玻璃,举例：,（1）,（2）,方解石

12、晶体,no=1.658 ne=1.486,no=1.658 ne=1.486 n玻=1.5,方解石,e,o,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,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，,5.6 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

13、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,椭圆偏振光可通过两列频率相同，振动方向相互垂直， 位相差(2k+1)/2,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

14、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,一平面偏振光垂直入射于 波片,1）振动面与波片光轴成30角。 2）振动面与波片光轴成45角。 3）振动面与波

15、片光轴平行。 4）振动面与波片光轴垂直。 分别讨论以上4种情况下出射光的偏振状态 （不讨论左旋或右旋）。,5.7 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,一、偏振光干涉装置和光矢量分析,* 频率相同 * 相位差恒定 * 存在相互平行 的振动分量,干涉,当两束光,线偏振光通过波片后产生的o光和e光相互垂直，因此不会发生干涉。但波片后

16、再放一块偏振片，则出射光成为两束同频率、同振动方向、相位差恒定的相干线偏振光。,1.复习,5.8 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）P1 / P2，,（2）P1 P2，,P1，P2在波片光轴的异侧,二、单色光入射,A12, 固定，,波片引入的位相差：,波片厚度均匀,I与有关,波片厚度不均匀,I与，d有关,这样，干涉光强I仅与，有关，,三、白光入射,而与d有关。,与有关彩色条纹。,干涉相消，而呈现它的互补色，这叫（显）色偏振。,若白光入射，且晶片d 均匀，则：屏上由于某种颜色,波片厚度均匀,石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）,第五章结束,