光的偏振状态课件.ppt

1、12-12 光的偏振状态光的偏振状态 在垂直于光波传播方向的平面内，光矢量可能有在垂直于光波传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动方向不同的振动方向 偏振状态偏振状态光矢量：光矢量：光波的光波的 矢量。矢量。E一、线偏振光（平面偏振光或完全偏振光）一、线偏振光（平面偏振光或完全偏振光）光矢量在传播中始终光矢量在传播中始终保持在一个特定的平面上振动。保持在一个特定的平面上振动。线偏振光（平面偏振光）：线偏振光（平面偏振光）：斜交斜交垂直垂直 yz由光的传播方向和光矢量的振动方向所决定的平面称由光的传播方向和光矢量的振动方向所决定的平面称为为“振动面振动面”平行平行二、自然光二、自然光每个原子发

2、射的光波列为线偏振光。每个原子发射的光波列为线偏振光。自然光自然光：大量原子随机发射的光波列：大量原子随机发射的光波列的集合，每个光波列的频率、相位、的集合，每个光波列的频率、相位、振动方向、波列长度均不同。从统计振动方向、波列长度均不同。从统计上来讲，可认为振动在各方向上呈对上来讲，可认为振动在各方向上呈对称分布，振幅也完全相等。称分布，振幅也完全相等。自然光的图示：自然光的图示：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、垂直、同频率、同频率、等幅、等幅、不相干不相干的线偏振的线偏振光。光。y z y zIy=IzIIIIIIzyzy21,三、部分偏振光三、部

3、分偏振光部分偏振光：部分偏振光：光矢量在各振动方向光矢量在各振动方向的光强的光强不具有轴对称分布，不具有轴对称分布，而是在而是在某一方向占优势。某一方向占优势。部分偏振光的图示：部分偏振光的图示：线偏振光线偏振光完全偏振光完全偏振光部分偏振光部分偏振光完全偏振光完全偏振光+自然光自然光12-13 起偏和检偏起偏和检偏 马吕斯定律马吕斯定律 一、起偏和检偏一、起偏和检偏 偏振片：偏振片：能吸收某一方向的光振动，而只让与之垂直能吸收某一方向的光振动，而只让与之垂直方向上的光振动通过方向上的光振动通过(二向色性二向色性)的一种透明薄片。的一种透明薄片。是获得和检验线偏振光的最简单装置。是获得和检验线

4、偏振光的最简单装置。偏振化方向偏振化方向(P)：允许通过允许通过的光振动方向。的光振动方向。检偏：检偏：旋转旋转P2一周，一周，出射光强有出射光强有两明两暗两明两暗的变化。的变化。起偏起偏检偏检偏一束光通过一一束光通过一旋转的偏振片旋转的偏振片光强不变光强不变自然光自然光光强变化且有消光光强变化且有消光线偏振光线偏振光光强变化但无消光光强变化但无消光部分偏振光部分偏振光检偏器检偏器cos12AA 222211,AIAI2212212cosAAII212cosII 二、马吕斯（二、马吕斯（Malus）定律）定律光强为光强为 I1 的线偏振光，透过偏振片后，透射强度为的线偏振光，透过偏振片后，透射

5、强度为 212cosII 证明：证明：马吕斯定律马吕斯定律（不考虑偏振片的吸收）（不考虑偏振片的吸收）1I2I2P线偏振线偏振光光线偏振线偏振光光12,0II 当：023,22I当：212cosII I02232消光消光消光消光1.1.适用条件：线偏振光入射于理想偏振片适用条件：线偏振光入射于理想偏振片讨论：讨论：2.3.自然光依次通过两个偏自然光依次通过两个偏振片后的光强：振片后的光强：20212cos21cosIII4.部分偏振光通过偏振片后光强的变化规律取决于部分偏振光通过偏振片后光强的变化规律取决于其中自然光与线偏振光的比例其中自然光与线偏振光的比例12-14 反射和折射时光的偏振反射

6、和折射时光的偏振 i90Bri 实验表明，实验表明，自然光在两种介质分界面上反射和自然光在两种介质分界面上反射和折射时，反射光和折射光一般都是折射时，反射光和折射光一般都是部分偏振光部分偏振光（正（正入射除外）。入射除外）。Bir 当自然光以当自然光以布儒斯特角布儒斯特角 iB 入射时，其反射光为入射时，其反射光为线偏振光，线偏振光，光振动垂直于入射面光振动垂直于入射面，折射光仍为部分折射光仍为部分偏振光。偏振光。12BBBBBsinsin)90cos(sincossintannnririiii布儒斯特角布儒斯特角(起偏角起偏角)12Barctannni 实验证明，实验证明，i=iB时，反射光

7、时，反射光线与折射光线垂直：线与折射光线垂直：oB90ri称称布儒斯特定律布儒斯特定律。Birn1=1.00(空气空气)，n2=1.50(玻璃玻璃)，互余空气玻璃玻璃空气 4233 1856 BBii光强光强较弱较弱玻璃片堆玻璃片堆 由折射获得偏振光由折射获得偏振光玻璃片堆法玻璃片堆法 从玻璃片堆透射出来的折射光几乎为线偏振光，从玻璃片堆透射出来的折射光几乎为线偏振光，其振动面其振动面平行于入射面。平行于入射面。iBrn1n1n2n212Btannni 21tannnr 在任一面上的入射角均为在任一面上的入射角均为布儒斯特角。布儒斯特角。12-15 光的双折射光的双折射一、寻常光和非常光一、寻

8、常光和非常光 一束光经各向异性晶体（如方解石、一束光经各向异性晶体（如方解石、石英等）石英等）折射后可分成两束光线的现象称为折射后可分成两束光线的现象称为双折射双折射。寻常光（寻常光（o光）光）：恒遵守折射定律的光线。恒遵守折射定律的光线。非常光（非常光（e光）光）：不遵守折射定律的光线。不遵守折射定律的光线。若旋转晶体，若旋转晶体，o光不动，光不动，e光光随晶体转动。随晶体转动。o光与光与e光都是光都是线偏振光线偏振光，但光振动的方向不相同。，但光振动的方向不相同。二、光轴二、光轴 主平面主平面 在晶体中存在一个特殊的方向，沿该方向不会在晶体中存在一个特殊的方向，沿该方向不会产生双折射现象，

9、这一方向称为晶体的产生双折射现象，这一方向称为晶体的光轴光轴。单轴晶体：单轴晶体：只有一个光轴的晶体。如：只有一个光轴的晶体。如：方解石、石英等。方解石、石英等。双轴晶体：双轴晶体：有两个光轴的晶有两个光轴的晶体。如：云母等。体。如：云母等。还有多轴晶体、无轴晶体。还有多轴晶体、无轴晶体。以下讨论单轴晶体。以下讨论单轴晶体。1027878DA方解石晶体方解石晶体光轴光轴光光线线的的主平面主平面：光线与光轴所组成的平面。光线与光轴所组成的平面。一般，一般，o光与光与e光的主平面不一定重合。光的主平面不一定重合。实验证明：实验证明：o光光的光振动方向的光振动方向垂直垂直于它的主平面，于它的主平面，

10、e光光的光振动方向的光振动方向平行平行于它的主平面。于它的主平面。.o光光e光光o光主平面光主平面e光主平面光主平面光轴方向光轴方向 o光的光矢量总与光轴垂直，光的光矢量总与光轴垂直，e光的光矢量可与光轴有不同的夹角。光的光矢量可与光轴有不同的夹角。oe光轴方向光轴方向三、单轴晶体的子波波阵面三、单轴晶体的子波波阵面各向异性各向异性晶体晶体e 与方向有关与方向有关晶体内光的传播速度与光的传播方向有关晶体内光的传播速度与光的传播方向有关o光光振动方向振动方向垂直于主平面（垂直于光轴），垂直于主平面（垂直于光轴），沿各方向传播速度相同沿各方向传播速度相同:voe光光振动方向振动方向平行于主平面（与

11、光轴有一定平行于主平面（与光轴有一定夹角），沿各方向传播速度不同夹角），沿各方向传播速度不同:vo,ve光在晶体内传播速度的大小和光矢量与光轴间的光在晶体内传播速度的大小和光矢量与光轴间的相对取向密切相关。相对取向密切相关。e1v晶体内的子波波阵面（正晶体）晶体内的子波波阵面（正晶体）e光的波阵面光的波阵面 旋转椭球面旋转椭球面o光的波阵面光的波阵面 球面球面定义：定义：主折射率主折射率oovcn eevcn 光轴光轴vo光轴光轴vove正晶体（如石英）正晶体（如石英）eoeovvnn负晶体（如方解石）负晶体（如方解石）eoeovvnn四、惠更斯原理在双折射现象中的应用四、惠更斯原理在双折射现

12、象中的应用负晶体为例负晶体为例没有双折没有双折射发生射发生(1)有双折有双折射发生射发生(2)o、e 光在方向上虽没分光在方向上虽没分开，但速度是不同的。开，但速度是不同的。eesinsinnriCABoei(3)CABoei(4)五、晶体的二向色性和偏振片五、晶体的二向色性和偏振片 某些晶体对相互垂直的两个电矢量具有选某些晶体对相互垂直的两个电矢量具有选择吸收的性能，称为晶体的择吸收的性能，称为晶体的二向色性二向色性。可制成偏振片可制成偏振片获得线偏振光。获得线偏振光。12-16 偏振光的干涉偏振光的干涉 人为双折射人为双折射一、偏振光的干涉一、偏振光的干涉P2P1C自然光经自然光经P1后为

13、线偏光，经晶片后为线偏光，经晶片C后分为后分为o、e光：光：sin1oAA cos1eAA 再经再经P2后为两束相位不同的线偏光，振幅为后为两束相位不同的线偏光，振幅为 cossincos1oo2AAAo21ee2cossinsinAAAA 经经P2后出射的是两束频率相同、振动方向相同，后出射的是两束频率相同、振动方向相同，具有确定相位差的具有确定相位差的相干光相干光，且它们在空间重合。因此，且它们在空间重合。因此这两束光将发生干涉。这两束光将发生干涉。两束光相位差：两束光相位差：2eonnd),2,1(,2122eoknnkdk干涉相长干涉相长干涉相消干涉相消eo)12(nnkdk以单色光入

14、射，晶片厚度不均匀，出射光强度空间以单色光入射，晶片厚度不均匀，出射光强度空间分布不均匀，看到的是明暗相间的等厚干涉条纹。分布不均匀，看到的是明暗相间的等厚干涉条纹。以复色光入射，晶片厚度均匀，出射光强度空间分以复色光入射，晶片厚度均匀，出射光强度空间分布均匀，看到的是某种颜色的均匀视场；晶片厚度布均匀，看到的是某种颜色的均匀视场；晶片厚度不均匀，出射光强度空间分布不均匀，看到的是明不均匀，出射光强度空间分布不均匀，看到的是明暗相间的彩色干涉条纹暗相间的彩色干涉条纹 (显显)色偏振色偏振二、人为双折射二、人为双折射 以人为（外界）条件使某些非晶体变成各向异以人为（外界）条件使某些非晶体变成各向

15、异性而显示出双折射的性质，称性而显示出双折射的性质，称人为双折射人为双折射。1.光弹性效应光弹性效应SFknnoe在一定应力范围内：在一定应力范围内：各处各处 不同不同各处各处 不同不同出现干涉条纹出现干涉条纹SF/光弹性方法：利用光弹性效应来研究应力分布。光弹性方法：利用光弹性效应来研究应力分布。哥特式教堂结构的应力哥特式教堂结构的应力2.电光效应电光效应 各向同性介质在外电场作用下变为各向异性而各向同性介质在外电场作用下变为各向异性而产生双折射，称为产生双折射，称为克尔效应克尔效应。不加电场不加电场 液体各向同性液体各向同性 P2 无透射光无透射光 加电场加电场液体呈单轴双折射晶体性质，其

16、光轴平行液体呈单轴双折射晶体性质，其光轴平行于外电场于外电场 P2有透射光有透射光E 克尔盒的应用：高速电光开关，电光调制器。克尔盒的应用：高速电光开关，电光调制器。克尔盒的缺点：所用液体常有剧毒，易爆炸。克尔盒的缺点：所用液体常有剧毒，易爆炸。02oe)(klEnnle、o光的光程差为光的光程差为 两相干光的相位差为两相干光的相位差为 2 当当 =/2 时，克尔盒相当于一个半波片，时，克尔盒相当于一个半波片，P2透光最强透光最强。单轴双折射晶体在外电场作用下变为双轴晶单轴双折射晶体在外电场作用下变为双轴晶体，称为体，称为泡克尔斯效应泡克尔斯效应。泡克尔斯效应泡克尔斯效应 应用：电光开关、电光

17、调制器。如军用固体激应用：电光开关、电光调制器。如军用固体激光测距机。光测距机。3.磁致双折射效应磁致双折射效应佛克脱效应：发生于蒸汽中佛克脱效应：发生于蒸汽中科顿科顿穆顿效应：发生于液体中穆顿效应：发生于液体中20oeHCnn o光在真空中的波长；光在真空中的波长；H磁场强度；磁场强度；C常量。常量。在外磁场作用下，某些非晶体也会显示出双在外磁场作用下，某些非晶体也会显示出双折射性质，称为折射性质，称为磁致双折射效应磁致双折射效应。12-17 旋光性旋光性 当线偏振光通过某些透明物质时，其振动面将当线偏振光通过某些透明物质时，其振动面将以光的传播方向为轴发生旋转，这称为以光的传播方向为轴发生

18、旋转，这称为旋光性旋光性。da旋转的角度旋转的角度旋光率旋光率a对糖溶液、松节油等液体，有对糖溶液、松节油等液体，有dca c 溶液的浓度溶液的浓度糖量计糖量计左旋物质左旋物质 右旋物质右旋物质磁致旋光磁致旋光法拉第旋转效应法拉第旋转效应VlBl：样品长度：样品长度B：磁感应强度：磁感应强度V：费尔德常量：费尔德常量电磁铁电磁铁样品样品P1P212-18 现代光学简介现代光学简介1948年年 全息术的诞生全息术的诞生 1955年年 “光学传递函数光学传递函数”概念的提出概念的提出 1960年年 激光的诞生激光的诞生 现代光学：现代光学：信息光学（傅里叶光学）信息光学（傅里叶光学）强光光学（非线

19、性光学）强光光学（非线性光学）激光光谱学激光光谱学光信息处理光信息处理全息光学全息光学一、傅里叶光学一、傅里叶光学 傅里叶光学和信息论傅里叶光学和信息论 傅里叶光学是光学领域的一个重要分支，它以傅里叶光学是光学领域的一个重要分支，它以光的衍射理论为物理基础，利用傅里叶分析的数学光的衍射理论为物理基础，利用傅里叶分析的数学方法对光信息的传递过程进行研究的学科。方法对光信息的传递过程进行研究的学科。其研究内容主要集中在光信息的采集、传递、其研究内容主要集中在光信息的采集、传递、存储及再现的各个环节。它把通信理论中的调制、存储及再现的各个环节。它把通信理论中的调制、滤波、选频等概念与方法引入到光学的

20、领域，其基滤波、选频等概念与方法引入到光学的领域，其基本思想是用本思想是用空间频谱空间频谱的概念来分析和处理光信息。的概念来分析和处理光信息。研究起源于研究起源于19世纪世纪70年代德国科学家阿贝提出年代德国科学家阿贝提出的成像原理和的成像原理和20世际初的阿贝世际初的阿贝波特实验。波特实验。成像过程：成像过程：衍射分频衍射分频+干涉合频干涉合频 阿贝阿贝成像成像原理原理两次傅氏变换两次傅氏变换物物像像 阿贝阿贝波特实验波特实验实验装置实验装置物面物面透镜透镜1衍射面衍射面像面像面透镜透镜2空间滤波空间滤波：在透镜的像方平面（衍射面）上人为地：在透镜的像方平面（衍射面）上人为地增加或减少参与成

21、像的空间频谱成分，从而得到改增加或减少参与成像的空间频谱成分，从而得到改变的像的方法。变的像的方法。二、全息照相二、全息照相 1.全息照相的特点全息照相的特点 普通照相底片记录物体各点的光强（振幅），普通照相底片记录物体各点的光强（振幅），彩色照相底片还记录了光的波长信息；全息照相同彩色照相底片还记录了光的波长信息；全息照相同时记录光的全部信息（波长、振幅和相位）。时记录光的全部信息（波长、振幅和相位）。普通照相得到的只是物体的二维平面图像；全普通照相得到的只是物体的二维平面图像；全息照相可以再现物体的立体图像。息照相可以再现物体的立体图像。普通照相底片撕去一部分，记录的图像就不完普通照相底片

22、撕去一部分，记录的图像就不完整；全息照片只需其中一小片，仍能再现完整的图整；全息照片只需其中一小片，仍能再现完整的图像。像。2.全息照相的记录和再现全息照相的记录和再现 全息照相的记录全息照相的记录物光物光和参考光进行相干叠加，在全息感光片上形成和参考光进行相干叠加，在全息感光片上形成干涉条纹。感光片记录下来的干涉图样经显影处理干涉条纹。感光片记录下来的干涉图样经显影处理后得全息底片，称为后得全息底片，称为全息图全息图全息照相的再现全息照相的再现 用同参考光完全相同的光（用同参考光完全相同的光（再现光再现光）照射全息）照射全息底片，在原来物的位置上将观察到立体逼真的原物底片，在原来物的位置上将

23、观察到立体逼真的原物的虚像。在对全息图对称的位置还有一个原物的三的虚像。在对全息图对称的位置还有一个原物的三维实像，通常有很大像差。维实像，通常有很大像差。3.全息照相的应用全息照相的应用 全息信息存储全息信息存储 全息显微摄影和全息显示全息显微摄影和全息显示 显微放大；立体电显微放大；立体电影、电视；防伪标志、保密标记、艺术和装饰等。影、电视；防伪标志、保密标记、艺术和装饰等。全息干涉计量全息干涉计量 无损探伤、微应力应变测量、无损探伤、微应力应变测量、振动分析等。振动分析等。全息光学元件全息光学元件 全息透镜、全息光栅、全息滤全息透镜、全息光栅、全息滤光片、全息扫描器等。光片、全息扫描器等

24、。三、非线性光学三、非线性光学 非线性光学非线性光学研究介质在强相干光作用下产生的研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。非线性现象及其应用。1.非线性光学现象非线性光学现象 光与介质相互作用时，介质极化。在各向同性光与介质相互作用时，介质极化。在各向同性的介质中，极化强度的介质中，极化强度 与场强与场强 的方向相同，大的方向相同，大小满足关系式：小满足关系式：PE32EEEP 为通常的为通常的极化率，极化率，、为二阶、三阶的为二阶、三阶的极化系数，极化系数，是与光强无关的常量，由介质的性质决定。是与光强无关的常量，由介质的性质决定。对于强激光（对于强激光（E1010 V/m），电场

25、强度可与原子），电场强度可与原子内部的库仑场相比拟，介质的极化强度不仅与场强内部的库仑场相比拟，介质的极化强度不仅与场强E的一次方有关，而且还决定于的一次方有关，而且还决定于E的更高幂次项，从而的更高幂次项，从而导致产生各种非线性现象，称为导致产生各种非线性现象，称为非线性光学非线性光学。普通光源光波的电场强度（约普通光源光波的电场强度（约1034 V/m）远小于）远小于原子内部的平均场强（约原子内部的平均场强（约3 1010 V/m），介质的极化），介质的极化强度与光波的电场强度成正比，即强度与光波的电场强度成正比，即 P=E，此时，此时光光波叠加遵守线性叠加原理，称为波叠加遵守线性叠加原理

26、，称为线性光学线性光学。强光与被动介质相互作用产生的非线性光学现象；强光与被动介质相互作用产生的非线性光学现象；强光与激活介质相互作用产生的非线性光学现象；强光与激活介质相互作用产生的非线性光学现象；如光学整流、光学倍频、光学混频、自聚焦等。如光学整流、光学倍频、光学混频、自聚焦等。如受激拉曼散射、受激布里渊散射等。如受激拉曼散射、受激布里渊散射等。2.光学倍频光学倍频除原有频率除原有频率 的基频外，还出现了频率的基频外，还出现了频率2 的倍频项的倍频项（称为（称为光学倍频光学倍频）和直流项（称为）和直流项（称为光学整流光学整流）。）。设角频率为设角频率为 的的强激光入射到非线性介质上，其场强

27、激光入射到非线性介质上，其场强为强为 tEEcos0介质响应的极化强度为（略去三阶以上高次项）：介质响应的极化强度为（略去三阶以上高次项）：tEEtEtEtEP2cos2121coscoscos202002003.光学混频光学混频当两束频率为当两束频率为 1和和 2（1 2）的激光同时射入介）的激光同时射入介质时，质时，利用光学混频效应可制作光学参量振荡器，这利用光学混频效应可制作光学参量振荡器，这是一种可在很宽范围内调谐的类似激光器的光源，是一种可在很宽范围内调谐的类似激光器的光源，可发射从红外到紫外的相干辐射。可发射从红外到紫外的相干辐射。极化强度极化强度 P 中除产生基频、倍频和直流项外

28、，还将中除产生基频、倍频和直流项外，还将产生频率为产生频率为(1+2)的和频项和频率为的和频项和频率为(1 2)的差的差频项，称为频项，称为光学混频光学混频。tEtEEEE22011021coscos4.自聚焦自聚焦 在强光作用下某些非线性介质（如二硫化碳、在强光作用下某些非线性介质（如二硫化碳、甲苯）的折射率将随光强的增加而增大。甲苯）的折射率将随光强的增加而增大。激光束的强度具有高斯分布，光强在中轴处最激光束的强度具有高斯分布，光强在中轴处最大，并向外围递减，于是激光束的轴线附近有较大大，并向外围递减，于是激光束的轴线附近有较大的折射率，像凸透镜一样光束将向轴线自动会聚，的折射率，像凸透镜一样光束将向轴线自动会聚，直到光束达到一细丝极限（直径约直到光束达到一细丝极限（直径约510-6 m），称），称为光的为光的自聚焦自聚焦。磷酸二氢钾（磷酸二氢钾（KDP）、磷酸二氢铵（）、磷酸二氢铵（ADP）、）、磷酸二氘钾磷酸二氘钾(KDP)、铌酸钡钠等。、铌酸钡钠等。常用的二阶非线性光学晶体有：常用的二阶非线性光学晶体有：