偏振光的研究课件.ppt

1、大学物理实验1偏振光的研究偏振光的研究中国科学技术大学国家级精品课程大学物理实验讲座中国科学技术大学国家级精品课程大学物理实验讲座2019.1.10大学物理实验2前言前言v干涉和衍射光的波动性v偏振光是横波v光的偏振现象v偏振元件v应用大学物理实验3 SEHK为波面的法线方向，S为光波的能量传播方向。在各向同性的介质中S与K同向。在各向异性的介质中S与K不同向。EHS光的矢量性光的矢量性 光是横波光是横波大学物理实验4Exy自然光部分偏振光线偏振光圆偏振光椭圆偏振光光的五种偏振态光的五种偏振态大学物理实验5部分偏振度v定义：minmaxminmaxIIIIP大学物理实验6椭圆偏振光的形成（两个

2、互相垂直的振动的合成）椭圆偏振光的形成（两个互相垂直的振动的合成）v椭圆方程式：椭圆方程式：)(sin)cos(22122100202202yxyxyyxxEEEEEEEE)cos()cos(2010tEEtEEyyxx(1-2)=/2 正椭圆正椭圆E0 x=E0y=E0圆ExEy大学物理实验71、利用偏振片、利用偏振片2、利用反射现象、利用反射现象3、利用双折射晶体、利用双折射晶体 光的散射光的散射改变光的偏振态的方法改变光的偏振态的方法大学物理实验8非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光偏振片偏振片利用偏振片产生偏振光利用偏振片产生偏振光大学物理实验9马吕斯定律（马吕斯定律（1809年）和消光现

3、象年）和消光现象自然光P1P2起偏器检偏器起偏器I2=I1cos2()I1=I0/2P1与与P2方向的夹角为方向的夹角为 A1A2大学物理实验10APASRPRSTPTSn1n2（只写出反射时的公式）)sin()sin()tan()tan(rSSSPPPARrAR布鲁斯特角：注：R，A为振幅菲涅耳公式菲涅耳公式12tannnAPRSRPTPTSn1n2大学物理实验11利用布儒斯特角产生偏振光利用布儒斯特角产生偏振光玻璃片堆激光器大学物理实验12全反射时光的偏振态的改变全反射时光的偏振态的改变v反射波的振幅比可以改写为：2222222222sincossincossincossincosnnnn

4、rnnrPS1)(sinsinsin12nnnnn全反射大学物理实验13当入射角大于或等于临界角当入射角大于或等于临界角sin-1(n)时时PSiiPiiSeeiBiBniinninreeiAiAninir2221222222222)exp()exp(sincossincos)exp()exp(sincossincosPS大学物理实验14全反射时的相位改变全反射时的相位改变405060708090PS/2入射角大学物理实验15菲涅耳棱体菲涅耳棱体455454利用全反射产生圆偏光大学物理实验16晶体光学晶体光学大学物理实验17晶体光学元件晶体光学元件1、偏振器件：、偏振器件：尼科耳棱镜尼科耳棱镜

5、格兰棱镜格兰棱镜大学物理实验182 波晶片波晶片v构造：单轴晶体使其光轴与表面平行构造：单轴晶体使其光轴与表面平行光轴光轴(e光振动方向）光振动方向）)/(4)12(2)12()(2eoeooennmdmdnn入射光入射光o光振动方向光振动方向1/4波片波片厚度主截面主截面大学物理实验19检验偏振光的光路检验偏振光的光路偏振片波片大学物理实验20偏振光的检验偏振光的检验v借助检偏器和借助检偏器和1/4波晶片检验光的波晶片检验光的5种偏振态种偏振态v1.只用检偏器（转动）：只用检偏器（转动）：v 对于线偏光可以出现极大和消光现象。对于线偏光可以出现极大和消光现象。v 对于椭圆偏光和部分偏光可以出

6、现极大和极小现象。对于椭圆偏光和部分偏光可以出现极大和极小现象。v 对于圆偏光和非偏光各方向光强不变。对于圆偏光和非偏光各方向光强不变。v2.用用1/4波晶片和检偏器（转动）波晶片和检偏器（转动）：v 对于非偏光（自然光）各方向光强不变。对于非偏光（自然光）各方向光强不变。v 对于圆偏光出现消光现象（原因）。对于圆偏光出现消光现象（原因）。v 对于部分偏光仍出现极大和极小现象。对于部分偏光仍出现极大和极小现象。v 对于椭圆偏光，当把对于椭圆偏光，当把1/4波晶片的快慢轴放在光强极大位置时出现消波晶片的快慢轴放在光强极大位置时出现消光现象（原因）。光现象（原因）。大学物理实验21（干涉的三条件：

7、频率、振动方向、初位相相同）装置：自然光+起偏器P1+波晶片+检偏器P2平行偏光干涉的装置平行偏光干涉的装置大学物理实验22偏振光的干涉的结果偏振光的干涉的结果互补性消光消光消光消光极大极大极大极大vP1 P2vP1 II P2)cos1(2sin2121AI垂直)cos1(2sin211 21 AI平行 为波片的光轴与P1的夹角大学物理实验23现象现象v单色光照明厚度变化的波晶片单色光照明厚度变化的波晶片P1 P2，P1 II P2，亮暗纹互补v v白光照明厚度变化的波晶片白光照明厚度变化的波晶片P1 P2，P1 II P2，彩色互补（如红色与青色，绿色和紫色，黄色和蓝色等）显色偏振显色偏振

8、大学物理实验24其他产生双折射的机理和应用其他产生双折射的机理和应用v光测弹性（由于材料的内、外应力造成双折射现象）v 检查玻璃、塑料等的内应力v桥梁、矿井、水坝和机械工件等的应力分布的监测和模拟。v地震预报。v克尔效应和普克尔效应（由于电场造成双折射现象）高速光开关。大学物理实验25旋光现象的观察和测量旋光现象的观察和测量v1811年由阿喇果和毕奥发现v石英、松节油、糖溶液中有旋光现象v左旋和右旋与旋光物质的结构有关（1822年赫谢尔发现）v旋光计测量糖溶液的浓度 L光源起偏器罗兰片待测溶液检偏器望远镜量糖计量糖计大学物理实验26会聚偏光的干涉会聚偏光的干涉L2L1L3L4幕C CP2P1大

9、学物理实验27椭圆偏振光法测定介质薄膜的厚度和折射率椭圆偏振光法测定介质薄膜的厚度和折射率v 在现代科学技术中，薄膜有着广泛的应用。因此测量薄膜的技术也有了很大的发展，椭偏法就是70年代以来随着电子计算机的广泛应用而发展起来的目前已有的测量薄膜的最精确的方法之一。椭偏法测量具有如下特点：v能测量很薄的膜（1nm），且精度很高，比干涉法高1-2个数量级。v是一种无损测量，不必特别制备样品，也不损坏样品，比其它精密方法：如称重法、定量化学分析法简便。v可同时测量膜的厚度、折射率以及吸收系数。因此可以作为分析工具使用。v对一些表面结构、表面过程和表面反应相当敏感。是研究表面物理的一种方法 大学物理实

10、验28椭偏仪的光路图椭偏仪的光路图光源起偏器检偏器波片光阑光电探测器样品大学物理实验29椭偏仪的基本原理椭偏仪的基本原理薄膜薄膜12dn2n1n2n3EEt12Er12Et12r 23t21ei Et12r 23 2t21ei2 基底基底Et12r 23 4t21ei3 21cos4nd大学物理实验30FASASPE入射光的P分量入射光的S分量)45(exp22)(iEEiP)513(exp22)(iEEiP45大学物理实验31反射光的反射光的P 分量和分量和 S分量的比值分量的比值椭圆参量椭圆参量 =RP/Rs=tan exp(i)=f(n1,n2,n3,1，d，）9020Pr)()Pr(Pr)()()()()()(tanSSiPiSrSiPiSrieSiieSriePiieieieAAAAAARRirrSrPiSrSiPrPP大学物理实验32总结总结v光是横波具有五种偏振态v光与物质相互作用时会发生偏振态的改变v偏振元件：偏振片、偏振棱镜、波片v应用：光测弹性、旋光计、椭偏仪、电光调制