圆及椭圆偏振光的获得和检验学习培训课件.ppt

1、5.6 圆及椭圆偏振光的获得和检验圆及椭圆偏振光的获得和检验 利用波片的相位延迟作用，使得从其中出利用波片的相位延迟作用，使得从其中出射的两列振动相互垂直的光波之间有一定射的两列振动相互垂直的光波之间有一定的相位差。的相位差。这两列光这两列光合成合成，可使得出射光具有不同的，可使得出射光具有不同的偏振态。偏振态。合成光的偏振态取决于它们之间的相位差合成光的偏振态取决于它们之间的相位差一、自然光经过波晶片一、自然光经过波晶片 自然光可正交分解。自然光可正交分解。每一个分量都含有每一个分量都含有相位随机相位随机的多列波。的多列波。在晶体中分为相互正交的在晶体中分为相互正交的o光、光、e光。光。经过

2、波片后，每一个分量经过波片后，每一个分量仍然是相位随机仍然是相位随机的的多列波。多列波。所以，所以，正交分量合成后，仍是自然光正交分量合成后，仍是自然光 不考虑波片的吸收，光强不变。不考虑波片的吸收，光强不变。自然光经波晶片自然光经波晶片仍然是自然光仍然是自然光y二、平面二、平面(线线)偏振光经波晶片偏振光经波晶片 在波片中分为正交的在波片中分为正交的e光、光、o光，光，0=0，出射后，产生额外相位差出射后，产生额外相位差coscos(0)xxyyEAtEAtcoscos()xxyyEAtEAte轴o轴xye轴o轴xz通常建立右手系1、经过、经过1/4波片波片 产生产生/2的额外相位差的额外相

3、位差coscos(0)xxyyEAtEAtcoscos()2xxyyEAtEAty为快轴右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光在一二象限是右旋在一二象限是右旋coscos()xxyyEAtEAtcoscos()2xxyyEAtEAty为快轴左旋椭圆左旋椭圆偏振光偏振光在三四象限是右旋在三四象限是右旋入射出射一三象限二四象限例：例：线偏光经过方解石（负晶体）线偏光经过方解石（负晶体）e轴o轴xyy为慢轴为慢轴coscos()2xxyyEAtEAt4片e轴o轴xycoscos()xxyyEAtEAty为快轴为快轴cos3cos()2xxyyEAtEAt都是左旋的都是左旋的与坐标系的取法无关与坐标系的取法无关

4、快轴就加，慢轴就减！快轴就加，慢轴就减！入射光在二四象限振动线偏振光通过线偏振光通过1/41/4波片也可获得圆偏振光波片也可获得圆偏振光 如果入射光的如果入射光的电矢量与光轴间的夹角为电矢量与光轴间的夹角为45o o 则经过波片后则经过波片后 是左旋或右旋的圆偏振光是左旋或右旋的圆偏振光00coscos(/2)xyEAtEAtcoscos(0)xxyyEAtEAtcoscos()xxyyEAtEAt2、经过、经过1/2波片波片 产生产生的额外相位差的额外相位差 出射光间的相位差是出射光间的相位差是，或者，或者0，还是平面，还是平面偏振光偏振光 由于反相，电矢量的振动方向反转。由于反相，电矢量的

5、振动方向反转。e轴o轴xye轴o轴xye轴o轴xye轴o轴xy入射出射入射出射三、圆偏振光经过波片三、圆偏振光经过波片 入射光的两正交分量间相位差是入射光的两正交分量间相位差是/2 经过经过1/4波片，产生波片，产生/2的额外相位差的额外相位差 出射光，正交分量间相位差是出射光，正交分量间相位差是0，变为平面偏振光，电矢量与光轴成变为平面偏振光，电矢量与光轴成45o o角角e轴o轴xye轴o轴xy1、通过通过1/4波片波片2、经过、经过1/2波片波片 经过经过1/2波片，产生波片，产生的额外相位差的额外相位差 还是圆偏振光，但是由于反相，旋转方向还是圆偏振光，但是由于反相，旋转方向相反相反e轴

6、o轴xye轴o轴xy四、椭圆偏振光经过波片四、椭圆偏振光经过波片 入射光，正交分量间有入射光，正交分量间有任意的固定相位差任意的固定相位差 经过波片，产生额外的经过波片，产生额外的相位差，出射光为相位差，出射光为 相位差仍是固定的任意相位差仍是固定的任意值，仍是椭偏光值，仍是椭偏光0coscos()xxyyEAtEAt0coscos()xxyyEAtEAt e轴o轴xy23220P19144345471、椭圆偏振光经过、椭圆偏振光经过1/2波片波片 产生产生的额外相位差，反相的额外相位差，反相 导致旋转方向相反导致旋转方向相反e轴o轴xye轴o轴xy0coscos()xxyyEAtEAt0co

7、scos()xxyyEAtEAt0(0,)23(,)2 2、椭圆偏振光经过、椭圆偏振光经过1/4波片波片 产生产生/2的额外相位差，需要根据入射分量间的的额外相位差，需要根据入射分量间的相位差作具体分析相位差作具体分析0coscos()xxyyEAtEAt0coscos2()/xxyyEAtEAte轴o轴xy0(0,)2e轴o轴xy(,)2 五、波片的相位延迟五、波片的相位延迟 同一种晶体的波片，当厚度不同时，对偏振态的同一种晶体的波片，当厚度不同时，对偏振态的改变不同改变不同 例，例，方解石的方解石的1/41/4波片波片oeLLL oe()nn doe2/22()23/2mnn dmo光比光

8、比e光滞后光滞后所以，所以，1/4波片不仅要标注所适用的波长，还要标波片不仅要标注所适用的波长，还要标注光程差是注光程差是1/4波长，还是波长，还是3/4波长。要指出哪个方波长。要指出哪个方向是向是快轴快轴。各种偏振光通过各种偏振光通过/4波片波片后的偏振态后的偏振态入射光入射光 /4/4波片的位置波片的位置出射光出射光线偏振光线偏振光e或或o光轴与波片偏振方向一致；光轴与波片偏振方向一致；e或或o光轴与波片偏振方向成光轴与波片偏振方向成45;其它位置。其它位置。线偏振光线偏振光圆偏振光圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光圆偏振光圆偏振光任何位置任何位置线偏振光线偏振光椭圆偏振椭圆偏振光光e或或o光轴

9、与波片同椭圆主轴一致光轴与波片同椭圆主轴一致其它位置其它位置线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光O光轴e光轴/4波片光的偏振态的鉴定光的偏振态的鉴定 1、使用线检偏器，可鉴定、使用线检偏器，可鉴定平面平面(线线)偏振光偏振光 旋转检偏器，观察透射光强度的变化旋转检偏器，观察透射光强度的变化 自然光：光强不变自然光：光强不变 圆偏振光：光强不变圆偏振光：光强不变 平面偏振光：光强改变，在某一角度消光平面偏振光：光强改变，在某一角度消光 部分偏振光：光强改变，但不消光部分偏振光：光强改变，但不消光 椭圆偏振光：光强改变，但不消光椭圆偏振光：光强改变，但不消光2、进一步鉴定、进一步鉴定 先让光通过先

10、让光通过1/41/4波片波片!自然光：仍是自然光自然光：仍是自然光 圆偏振光：变为平面偏振光圆偏振光：变为平面偏振光 部分偏振光：仍是部分偏振光部分偏振光：仍是部分偏振光 椭圆偏振光：仍是椭圆偏振光，当光轴与椭圆偏振光：仍是椭圆偏振光，当光轴与椭圆长短轴重合，可以得到平面偏振光。椭圆长短轴重合，可以得到平面偏振光。再通过线检偏器，可以将自然光与圆偏振再通过线检偏器，可以将自然光与圆偏振光鉴别；部分偏振光与椭圆偏振光鉴别。光鉴别；部分偏振光与椭圆偏振光鉴别。偏振态的鉴定偏振态的鉴定偏振态偏振态偏振片，透振方向偏振片，透振方向绕光束旋转绕光束旋转先通过先通过1/41/4波片，再通过偏波片，再通过偏

11、振片振片自然光自然光光强不变光强不变光强不变光强不变(鉴定鉴定)圆偏振光圆偏振光光强不变光强不变光强改变，出现消光光强改变，出现消光(鉴定鉴定)平面偏振光平面偏振光光强改变，在某一光强改变，在某一角度消光角度消光(鉴定鉴定)部分偏振光部分偏振光光强改变，但不消光强改变，但不消光光光强改变，但不消光光强改变，但不消光椭圆偏振光椭圆偏振光光强改变，但不消光强改变，但不消光光转动转动1/4波片和偏振片，出波片和偏振片，出现消光现消光(鉴定鉴定)P196例题：例题：平行自然光相继垂直照射到一透明物平行自然光相继垂直照射到一透明物P和一个四和一个四分之一波片分之一波片Q上，无论上，无论P和和Q怎样绕怎样

12、绕OO旋转，总旋转，总可以在可以在Nicol棱镜棱镜N后得到一个消光位置。问：后得到一个消光位置。问：1)入射到入射到Q上的说什么光？上的说什么光？2)P为何物？为何物？QPNOO5.7 平行偏振光的干涉平行偏振光的干涉 产生干涉的三个必要条件产生干涉的三个必要条件 线偏振光通过波晶片后可分成线偏振光通过波晶片后可分成o光，光，e光。它光。它们是两束光矢量们是两束光矢量相互垂直相互垂直、频率相同、位相、频率相同、位相差恒定的光差恒定的光 一般合成为椭圆偏振光。一般合成为椭圆偏振光。不会产生干涉！不会产生干涉！能否采用把两束光矢量相互垂直的光，改造能否采用把两束光矢量相互垂直的光，改造成振动面相

13、互平行的光？成振动面相互平行的光？分振动面法（分波前法、分振幅法）分振动面法（分波前法、分振幅法）偏振片 一、一、干涉装置及各光学元件的作用干涉装置及各光学元件的作用 的作用是将自然光改造成线偏振光。的作用是将自然光改造成线偏振光。波片波片的作用的作用:1)分振动面把线偏振光分成振动相互垂直，分振动面把线偏振光分成振动相互垂直，振幅不同的振幅不同的o光和光和e光；光；2)是产生固定的位相差是产生固定的位相差 1P2Peo偏振片双折射晶体1p2p()coek nn d的作用是使参与干涉的两光矢量振动方向相同，从振的作用是使参与干涉的两光矢量振动方向相同，从振动面相互垂直的两动面相互垂直的两束光中

14、束光中取出取出与它透与它透振方向相同的分量振方向相同的分量 和和 ，使他，使他们相遇时产生干涉们相遇时产生干涉2eE2oE2xExEoE1、电矢量的分解、电矢量的分解1EeoyEexoyoe1P2P1EeEo2Ee2E0I1I2yExy21coscosxAA21sinsinyAA2222222cosxyxyIAAA A222221(coscossinsinA2coscossinsincos)P1972、相位差的确定、相位差的确定 除了波晶片产生的相位差之外，还要考虑在坐标除了波晶片产生的相位差之外，还要考虑在坐标系中偏振片取向而产生的相位差系中偏振片取向而产生的相位差oEexoyoe1P2P1

15、EeEo2Ee2E双折射晶体产生的相位差双折射晶体产生的相位差oe2()cnn d偏振片取向而产生的相位差偏振片取向而产生的相位差10 或Eo2与与Ee2之间总的相位差之间总的相位差1c P198波片光轴在P1P2之间，-之外，03、两种特例、两种特例1).两偏振片两偏振片相互垂直相互垂直，且与，且与波晶片波晶片光轴成光轴成45o角角1P2Peooe1c0454222221(coscossinsinIA2coscossinsincos)21(1 cos)2cA20sin22cI2).两偏振片两偏振片相互平行相互平行,且与波晶片光轴成且与波晶片光轴成45o角角1P2Peooe10c 045422

16、2221(coscossinsinIA2coscossinsincos)21(1 cos)2cA20cos22cI二、讨二、讨 论论 在在 相同的条件下，两偏振片相同的条件下，两偏振片 平行和正交时，两者总相位差为平行和正交时，两者总相位差为。这两种情况的干涉光强互补，即这两种情况的干涉光强互补，即 0()cek nnd2110IIAC若两偏振片正交若两偏振片正交，光强最大即，光强最大即20MIIA此时位相差恰好使两偏振片平行时的光强为最小值此时位相差恰好使两偏振片平行时的光强为最小值1 1m in0II转动转动 ,使使 由正交变为平行由正交变为平行,接收屏光强将由接收屏光强将由最大最大变为变

17、为消光消光1p2p三、偏振光的干涉现象三、偏振光的干涉现象1、厚度均匀的晶体，屏上照度均匀、厚度均匀的晶体，屏上照度均匀1)单色光入射，转动晶体，振幅改变，光强改变；若单色光入射，转动晶体，振幅改变，光强改变；若引起引起的相位差，的相位差，屏上光强突变，亮暗位置互换。屏上光强突变，亮暗位置互换。2)2)白光入射，不同波长的光，相位差不同，因而光强白光入射，不同波长的光，相位差不同，因而光强也不同，屏上呈现彩色，转动晶体，光强改变，色也不同，屏上呈现彩色，转动晶体，光强改变，色彩改变，彩改变，显色偏振显色偏振.1P2Peo1P2Peoeo显色偏振现象显色偏振现象1P2P偏振片偏振片偏振片偏振片双

18、折射晶体双折射晶体2222222cosxyxyIAAA A显色偏振显色偏振转动各个元件转动各个元件振幅逐渐改变，相位差突变振幅逐渐改变，相位差突变黄与蓝黄与蓝;绿与红均为互补色。如白光中少了黄光屏上呈现蓝色绿与红均为互补色。如白光中少了黄光屏上呈现蓝色oe2()cnn d2、厚度不均匀的晶体、厚度不均匀的晶体 经过不同厚度（尖劈状）的光，相位差不同，经过不同厚度（尖劈状）的光，相位差不同，屏上呈现干涉条纹（等厚）。屏上呈现干涉条纹（等厚）。白光入射，会出现彩色条纹白光入射，会出现彩色条纹oe2()cnn d若波片不规则，则屏上出现不规则的彩色花纹，转动任意元件花若波片不规则，则屏上出现不规则的

19、彩色花纹，转动任意元件花纹都会随之而改变。纹都会随之而改变。汇聚偏振光的干涉汇聚偏振光的干涉5.8 人工双折射人工双折射 一些各向同性的透光介质，例如玻璃、塑料，当内一些各向同性的透光介质，例如玻璃、塑料，当内部有应力时，就是各向异性的，也会产生双折射效部有应力时，就是各向异性的，也会产生双折射效应应 利用偏振光的干涉装置，可以观察到干涉条纹或者利用偏振光的干涉装置，可以观察到干涉条纹或者显色偏振现象。显色偏振现象。可以用作应力分析。可以用作应力分析。可以用塑料制成金属部件的形状，则可用于分析金可以用塑料制成金属部件的形状，则可用于分析金属部件内部的应力。属部件内部的应力。一、光测弹性一、光测

20、弹性玻璃的内部应力玻璃的内部应力Visualisation of Strain in a glass blank(here a 200mm f/2.5 telescope mirror)using a Polarizer in front of a LCD monitor.有机玻璃由于应力的显色偏振有机玻璃由于应力的显色偏振A picture of plastic utensils created using photoelasticity 光测弹性实例光测弹性实例Tension lines in plastic protractor seen under cross polarized li

21、ght.实验证明晶体的主折射率差正比于物体内部的实验证明晶体的主折射率差正比于物体内部的应力应力PoennK P其中其中K为比例系数为比例系数如果应力分布均匀，通过它不同部分的如果应力分布均匀，通过它不同部分的o o光光e e光均有相同的相位差光均有相同的相位差22oennddKP如果如果P P不均匀由其后将能观测到干涉条纹不均匀由其后将能观测到干涉条纹二、电光效应二、电光效应1.Kerr效应效应 某些各向同性的物质，在外电场作用下，具有双折某些各向同性的物质，在外电场作用下，具有双折射特性，这是一种射特性，这是一种电光效应电光效应 (Kerr electro-optic effect,or

22、DC Kerr effect)电场中介质中的光波沿两个方向偏振，具有不同的电场中介质中的光波沿两个方向偏振，具有不同的折射率，折射率，感生折射率差感生折射率差n n与电场成二次方关系（二与电场成二次方关系（二阶电光效应）阶电光效应）22()nBEK E 溶液的溶液的Kerr效应效应xyoEeEonenE2oennnK E 硝基苯1N2N0II652C H NOhl克尔盒电极zxy12NN22VKhK：Kerr常数2oe22()2cV lnn lKh222002sinsin()222cIIKV lIhE光轴oEeE外电场1N2NxyoEeE2oE2eE原理？光学上各向同性异性Kerr常数常数 有

23、不尽相同的表示有不尽相同的表示 它与介质、波长、温度有关它与介质、波长、温度有关22()nBEK E 材料B589.3nm/e.s.u.K589.3nm/mV-2苯C6H60.6710-14二硫化碳CS21.2310-73.5610-14水H2O4.710-75.2210-14硝基甲苯C7H7NO21.3710-12硝基苯C6H5NO234610-72.4410-12三氯甲烷CHCl3-3.9010-140VV/4I电光效应的应用电光效应的应用 1.激光光强的调制激光光强的调制 激光的特点是稳定，但要用于光通信，必须加载激光的特点是稳定，但要用于光通信，必须加载信号，对光强进行调制，尤其是量子

24、通讯。信号，对光强进行调制，尤其是量子通讯。V/4VV电光晶体1N2N0II信号源VI线性区调制电信号交变输出光强电光效应的应用电光效应的应用2.高速光闸高速光闸（开关开关）电光晶体以及具有电光效应的溶液对电场的响应时电光晶体以及具有电光效应的溶液对电场的响应时间很短间很短,1010-12-12s s，在这一时间内可以达到半波电压，在这一时间内可以达到半波电压 打开或截止光路打开或截止光路1N2N0II00VI/20/2VVII光（或量子）计算机的应用！5.9 旋光现象旋光现象 一、自然旋光一、自然旋光 石英晶体中，线偏光沿着光轴传播，电矢量的振动面旋转石英晶体中，线偏光沿着光轴传播，电矢量的

25、振动面旋转0()/mml()比例系数比例系数称为旋光率称为旋光率 l光轴 不但与物质有关，不但与物质有关，还与波长。这种现象还与波长。这种现象称为称为旋光色散旋光色散2除石英外，在蒸汽和液态物质除石英外，在蒸汽和液态物质也含有此现象也含有此现象1811年阿喇果旋光异构体旋光异构体 同一种晶体具有不同的旋光方向，同一种晶体具有不同的旋光方向，称为称为旋光异构体旋光异构体酒石酸晶体的旋光异构体酒石酸晶体的旋光异构体石英的旋光异构体石英的旋光异构体dextrolevoFresnel对旋光的唯象解释 线偏光可以看作是两列同方向传播的、旋线偏光可以看作是两列同方向传播的、旋转角速度相同、方向相反的圆偏振

26、光的合转角速度相同、方向相反的圆偏振光的合成。成。在旋光介质中，左旋和右旋的圆偏振光传播在旋光介质中，左旋和右旋的圆偏振光传播速度不同，即它们的折射率不同，分别是速度不同，即它们的折射率不同，分别是nL和和nR，在晶体中，经过距离在晶体中，经过距离d后，相位滞后分别为后，相位滞后分别为dndkLLL2dndkRRR2w即相对于原来的电矢量分别转过即相对于原来的电矢量分别转过-R和和-L，导，导致合成后的线偏光振动面旋转。致合成后的线偏光振动面旋转。dndkLLL2dndkRRR2出射的点相位比入射点的相位要滞后出射的点相位比入射点的相位要滞后RLnn 左旋LRnn 右旋也就是说，电矢量还未转到

27、入射点的方位，即相当于反向旋转也就是说，电矢量还未转到入射点的方位，即相当于反向旋转入射点出射点出射点二、溶液的旋光性二、溶液的旋光性 蔗糖溶液具有旋光性，与浓度蔗糖溶液具有旋光性，与浓度N有关有关Nl比旋光率比旋光率(,)N 三、人工旋光三、人工旋光 磁致旋光磁致旋光(magneto-effect)线偏光通过处于磁场中的线偏光通过处于磁场中的介质介质后，电矢量后，电矢量振动面旋转振动面旋转 法拉第效应（法拉第效应（Faraday effectFaraday effect）V B lV：Verdet常数常数，与与介质、波长、温度介质、波长、温度有关有关。光沿磁场传播时光沿磁场传播时,正值表示左

28、旋正值表示左旋电流IEE 如果光沿着磁场传播电矢量左旋，则逆着如果光沿着磁场传播电矢量左旋，则逆着磁场传播电矢量右旋磁场传播电矢量右旋 光经过介质左旋光经过介质左旋，被反射回来再经过介，被反射回来再经过介质，右旋质，右旋，共转过，共转过2 2。旋转方向与光的传播方向有关旋转方向与光的传播方向有关lB2磁致旋光的应用磁致旋光的应用 单通光闸：旋转方向与磁场方向有关单通光闸：旋转方向与磁场方向有关45自动控制溶液浓度自动控制溶液浓度角转过角转过截止光电探测器光电探测器角转过浓度改变，导通量糖术量糖术光通信光通信 使激光电矢量振动面偏转，再通过偏振片使激光电矢量振动面偏转，再通过偏振片对光强进行调制

29、对光强进行调制交变信号源交变信号源i()i()II i四、磁光克尔效应四、磁光克尔效应 Magneto-optic Kerr effect(MOKE)被磁性介质反射的光，其被磁性介质反射的光，其偏振态偏振态发生变化发生变化 如果介质的磁性变化，对光的如果介质的磁性变化，对光的反射率反射率也相应变化也相应变化 依据介质磁矩相对于入射面的取向，分为三种依据介质磁矩相对于入射面的取向，分为三种xzy光的入射面材料表面极向MOKE 纵向MOKE横向MOKEzxyMMM反射光偏振态的改变反射光偏振态的改变 反射光的偏振态与介质的磁化方向有关。反射光的偏振态与介质的磁化方向有关。让反射光通过偏振片，介质磁化方向改变，让反射光通过偏振片，介质磁化方向改变，透射光强亦相应改变。透射光强亦相应改变。MM偏振片偏振片数字信号1数字信号0入射光对介质进行磁化入射光对介质进行磁化 光是电磁场，光强足够大时，可以改变介光是电磁场，光强足够大时，可以改变介质的磁化方向质的磁化方向 由于激光束可以细聚焦，且强度较大，可由于激光束可以细聚焦，且强度较大，可用作磁光记录用作磁光记录半导体激光器半导体激光器聚焦透镜聚焦透镜磁（光）介质磁（光）介质1011010 10磁光存储、磁光盘磁光存储、磁光盘0VV/4IVI线性区调制电信号交变输出光强