大学物理光的偏振课件.ppt

1、1 1 光的偏振状态光的偏振状态一一.线偏振光线偏振光E播播传传方方向向振振动动面面面对光的传播方向看面对光的传播方向看线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解EEyEx yx sincosEEEEyx 第三章第三章 光的偏振光的偏振 (Polarization of(Polarization of light)light)线偏振光的表示法：线偏振光的表示法：光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面二二.自然光自然光没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解一束自然光可分解为两束振动方向相互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

2、干的线偏振光。垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。yxEE yxIII 自然光的表示法：自然光的表示法：三三.部分偏振光部分偏振光部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光部分偏振光可分解为两束振动方向相互部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法：平行板面的光振动较强平行板面的光振动较强垂直板面的光振动较强垂直板面的光振动较强右旋圆右旋圆偏振光偏振光右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光 y yx z传播方向传播方向 /2x某时刻右旋圆偏振光某时刻右旋圆偏振光E随随z的变化的变化E 0四四.圆

3、偏振光圆偏振光,椭圆偏振椭圆偏振光光五五.偏振度偏振度 pnpIIIIItpP I Ip p 部分偏振光中包含的完全偏振光的强部分偏振光中包含的完全偏振光的强度度I It t 部分偏振光的总强度部分偏振光的总强度I In n 部分偏振光中包含的自然光的强度部分偏振光中包含的自然光的强度完全偏振光完全偏振光 (线、圆、椭圆线、圆、椭圆 )P P=1=1自然光自然光 (非偏振光非偏振光 )P P=0=0部分偏振光部分偏振光 0 0 P P no负晶体负晶体 :n ne e ve)负晶体负晶体(vo ve)子波源子波源,oon(e o o)三三.单轴晶体中光传播的惠更斯作图法单轴晶体中光传播的惠更斯

4、作图法(e e o o)1.1.光轴平行晶体表面，自然光垂直入射光轴平行晶体表面，自然光垂直入射 e o e o光轴光轴晶体晶体 o o,e e在方向上虽没分在方向上虽没分开，但速度上是分开的。开，但速度上是分开的。2.2.光轴平行晶体表面，且垂直入射面，光轴平行晶体表面，且垂直入射面，自然光斜入射自然光斜入射晶体晶体 光轴光轴ir0reo ot e eteo ectnrooci0sinsin nreeeci sinsin3.3.光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射射o e晶体晶体光轴光轴 e方解石方解石光轴光轴o eo此时此时e光的波面不再与其波射线垂直了光的波

5、面不再与其波射线垂直了5 5 晶体光学器件晶体光学器件一一.晶体起偏器件晶体起偏器件 1.1.晶体的二向色性、晶体偏振器晶体的二向色性、晶体偏振器某些晶体对某些晶体对o光和光和e光的吸收有很大差异，光的吸收有很大差异，这叫晶体的这叫晶体的二向色性二向色性电气石电气石 光轴光轴e光光电气石电气石光轴光轴可产生线偏振光可产生线偏振光2.2.偏振棱镜偏振棱镜偏光镜偏光镜:格兰格兰汤姆孙棱镜汤姆孙棱镜偏光分束镜偏光分束镜 :沃拉斯顿棱镜沃拉斯顿棱镜 光轴光轴光轴光轴方解石方解石方解石方解石加拿大树胶加拿大树胶(n=1.55)oe吸收涂层吸收涂层i光轴的取向使光轴的取向使o光、光、e光对应的恰是光对应的

6、恰是no、ne 。no(1.6584)n(1.55)ne(1.4864)12方解石方解石方解石方解石 oe光轴光轴光轴光轴方解石方解石 n0ne二二.晶体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏晶体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏1.1.晶片晶片相位延迟片相位延迟片晶片晶片是是光轴平行表面的晶体薄片。光轴平行表面的晶体薄片。ydxAAoAe 线偏振光线偏振光光轴光轴 通过厚为通过厚为d的晶片，的晶片，o、e光产生相位差：光产生相位差：2 dnnoeAAoAe 光轴光轴P cossinAAAAeo 振幅关系振幅关系从晶片出射的是从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向两束传播方相同、振动方向相互垂直、频率相等

7、、相位差相互垂直、频率相等、相位差 的线偏振光，的线偏振光，它们合成为一束它们合成为一束椭圆偏振光椭圆偏振光。,4 23,2 时为圆偏振光时为圆偏振光 2.2.波（晶）波（晶）片片 (1)(1)四分之一波四分之一波片片24 dnnoe4 线偏振光线偏振光圆偏振光圆偏振光2 ,0 线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）（或相反）240 ，线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光(2)(2)二分之一波片二分之一波片 2dnnoe使线偏振光振动面转过使线偏振光振动面转过2 2 角度角度 A0入入A0出出A入入A出出Ae入入=Ae出入出入光轴光轴

8、(3)(3)全波全波片片 2 dnnoe三三.椭圆与圆偏振光的检偏椭圆与圆偏振光的检偏用四分之一波片和偏振片用四分之一波片和偏振片P P可区分出自然光可区分出自然光和圆偏振光或部分偏振光和椭圆偏振光和圆偏振光或部分偏振光和椭圆偏振光 四分之一波片四分之一波片圆偏振光圆偏振光自然光自然光自然光自然光线偏振光线偏振光 偏振片（转动）偏振片（转动）线偏振光线偏振光 I不变不变线偏振光线偏振光I变变,有消光有消光以入射光方向为轴以入射光方向为轴 四分之一波片四分之一波片椭圆偏振光椭圆偏振光部分偏振光部分偏振光线偏振光线偏振光 偏振片（转动）偏振片（转动）线偏振光线偏振光I变变,有消光有消光 部分部分偏

9、振光偏振光光轴平行最大光强或最小光强方向放置或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光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置线偏振光线偏振光I变变,无消光无消光6 6 偏振光的干涉偏振光的干涉一一.偏振光干涉装置偏振光干涉装置d晶片晶片C 偏振片偏振片P2偏振化方向偏振化方向 单色单色自然光自然光偏振片偏振片P1偏振化方向偏振化方向光轴方向光轴方向二二.偏振光干涉的分析偏振光干涉的分析1.1.振幅关系振幅关系P2P1CA1AeAoA2oA2e sin1AAo cos1AAe 在在P P2 2 后，两束光振动方向平行，振幅为：后，两束光振动方向平行，振幅为：cossin

10、cos12 AAAoooeeAAAA212cossinsin 通过晶体通过晶体C C后后oecnnd 2此两束光合成为一束椭圆偏振光此两束光合成为一束椭圆偏振光通过通过P P2 2 后后（若（若P P1 1、P P2 2夹角小于夹角小于，则无附加相差，则无附加相差）oecnnd22.2.相位关系相位关系),2,1(,2122 knnkdkoe 相长干涉相长干涉相消干涉相消干涉 oennkdk )12(若单色光入射，且若单色光入射，且d不均匀，则屏上不均匀，则屏上出现等厚干涉条纹。出现等厚干涉条纹。三三.色偏振色偏振白光入射，晶片白光入射，晶片d均匀均匀屏上屏上由于某种颜色干涉相消，而呈现它由于

11、某种颜色干涉相消，而呈现它的的互补色互补色这叫（显）这叫（显）色偏振色偏振。若若d不均匀，则屏上出现彩色条纹。不均匀，则屏上出现彩色条纹。如 红色红色相消绿色绿色；蓝色蓝色相消黄色黄色，7 7 人工双折射人工双折射人为地造成各向异性，而产生双折射。人为地造成各向异性，而产生双折射。一一.光弹效应光弹效应(应力双折射效应应力双折射效应)P1P2 dFSF干涉干涉有机玻璃有机玻璃C应力应力各向异性各向异性 各向不同各向不同n各向不同各向不同SFknnoe 在一定应力范围内：在一定应力范围内：SFdknndoe22各处各处 不同不同各处各处 不同不同出现干涉出现干涉条纹条纹SF 变变 变变干涉干涉情

12、况变。情况变。SF 二二.电光效应电光效应电光效应也叫电致双折射效应电光效应也叫电致双折射效应1.1.克尔效应克尔效应 (1875年)l+-45 45 P1P2克尔盒克尔盒d 不加电场不加电场液体各向同性液体各向同性PP2 2不透光不透光 加电场加电场液体呈单轴晶体性质，液体呈单轴晶体性质，2kEnnoe 二次电光效应二次电光效应 E E 电场强度，电场强度，k 克尔常克尔常数数克尔效应引起的相位差为：克尔效应引起的相位差为：dkVllnnoek 2 22 克尔盒相当于半波片，克尔盒相当于半波片，P P2 2透光最强透光最强 。k时，时，E光轴平行光轴平行 P P2 2透透光光2.2.泡克尔斯

13、效应泡克尔斯效应(1893年)电光晶体电光晶体+。-P1P2KK 泡克尔斯盒泡克尔斯盒硝基硝基苯苯 ，若若l=3cm,3cm,d=0.8cm,0.8cm,=600nm的黄光，则产生的黄光，则产生 k=时时的电压的电压 。2218V/m1044.1 kV1024 V克尔盒的应用克尔盒的应用 :.:.克尔盒的缺点克尔盒的缺点 :.:.不加电场不加电场 P P2 2 不透光不透光 加电场加电场晶体变双轴晶体晶体变双轴晶体原光轴原光轴方方泡克尔斯效应引起的相位差泡克尔斯效应引起的相位差rVnop32 线性电光效应线性电光效应noo光在晶体中的折射率；光在晶体中的折射率；V 电压；电压；r 电光常数。电

14、光常数。应用应用 :三三.磁致双折射磁致双折射科顿科顿穆顿效应穆顿效应向附加了双折射效应向附加了双折射效应 P P2 2 透光。透光。8 8 旋光现象旋光现象一一.物质的旋光性物质的旋光性使线偏振光的振动面发生旋转使线偏振光的振动面发生旋转 旋光物质旋光物质a 旋光率旋光率da 二二.菲涅耳的解释菲涅耳的解释线偏振光可看作是线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确定相位差的左同频率、等振幅、有确定相位差的左(L L)、右、右(R )旋圆偏振光的合成。旋圆偏振光的合成。旋转的角度：旋转的角度：dEELERo RLRLnn 光通过旋光物质后，初相光通过旋光物质后，初相要滞后要滞后ELERE(a)(b)

15、ELERE R L 同一时刻同一时刻(a)(b)d设入射时设入射时L、R初相为初相为0 0，旋光物质长，旋光物质长d)(RLLRnn 即在出射面上在出射面上:02 dnRR02 dnLLLR 由图示，有：由图示，有：2121LRLLR dnnLRLR )(21 令令 )(LRnna 旋光率旋光率da 则则 三三.量糖术量糖术对溶液有对溶液有dca aca 溶液的旋光率溶液的旋光率c c 溶液的浓度溶液的浓度 溶液的比旋光率溶液的比旋光率a“量糖计量糖计”四四.磁致旋光磁致旋光 d磁致旋光物质磁致旋光物质B旋转的角度旋转的角度 BdV V V费德尔常量，费德尔常量，1154Tm 1010 V 对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由旋光物质本身决定的，与光的传播方向无由旋光物质本身决定的，与光的传播方向无关。关。反射镜反射镜入射光入射光 左旋左旋反射镜反射镜反射光反射光 左旋左旋 对磁致旋光物质，光沿对磁致旋光物质，光沿 与逆与逆 方向方向传播，振动面旋向相反。传播，振动面旋向相反。BB反射镜反射镜反射光反射光 右旋右旋 B反射镜反射镜入射光入射光 左旋左旋B