第二章光学和光子学基本知识课件.ppt

1、简单地说，大量光子显波动性，少量光子显粒子性，光在传播过程中主要表现为波动性，当光与物质相互作用时，主要表现为粒子性。光的颜色是由光的波长决定。从380nm到760nm(1nm=10-9m)之间为可见波段，其颜色为380nm430nm紫、430nm485nm蓝、485nm550nm绿、550nm585nm黄、585nm610nm橙、610nm760nm红，其他小于380nm的为紫外波段大于760nm为红外波段，这些波段为不可见光波段光子与电子的异同：光子学也可称光电子学，它是研究以光子代替电子作为信息载体和能量载体的科学，主要研究光子是如何产生及其运动和转化的规律。光子技术，主要是研究光子的产

2、生、传输、控制和探测的科学技术。现在，光子学和光子技术在信息、能源、材料、航空航天、生命科学和环境科学技术中的广泛应用，必将促进光子产业的迅猛发展。nll Niiilnl1 BAlnld均匀介质 经过N种均匀介质介质折射率是逐点连续改变 30 0d BAlnl31323334 单心光束、实象和虚象单心光束、实象和虚象一、单心光束、实象和虚象一、单心光束、实象和虚象 如果仅考虑光束的传播方向而不讨论其它问题，那么一个光如果仅考虑光束的传播方向而不讨论其它问题，那么一个光束可以看成是由许多光线构成的。根据这个概念可以把发光点看束可以看成是由许多光线构成的。根据这个概念可以把发光点看做是一个发散光束

3、的顶点，做是一个发散光束的顶点，凡是具有单个顶点的光束叫做单心光凡是具有单个顶点的光束叫做单心光束。束。如果在反射或折射之后光线的方向虽然改变了，但光束中仍如果在反射或折射之后光线的方向虽然改变了，但光束中仍然能找到一个顶点，也就是说光束的单心性没有遭到破坏，那么然能找到一个顶点，也就是说光束的单心性没有遭到破坏，那么这个顶点便是发光点这个顶点便是发光点P的象。在这种情况下，每个发光点都给出一的象。在这种情况下，每个发光点都给出一和它对应的象点。和它对应的象点。如果光束中各光线实际上确是在该点会聚的，如果光束中各光线实际上确是在该点会聚的，那么这个聚点叫做实象。那么这个聚点叫做实象。如果反射或

4、折射后的光束仍是发散的，如果反射或折射后的光束仍是发散的，但是把这些光线反向沿长后仍能找到光束的顶点，则光束仍保持但是把这些光线反向沿长后仍能找到光束的顶点，则光束仍保持单心性。单心性。这个发散光束的会聚点叫做虚象。这个发散光束的会聚点叫做虚象。二、实物、实象、虚象的联系与区别二、实物、实象、虚象的联系与区别由于光能量包含在光束之中，所以只有当光束进入人眼时，方能由于光能量包含在光束之中，所以只有当光束进入人眼时，方能引起视觉效应。人眼所能看到的，即能成像于视网膜上的只是光束的引起视觉效应。人眼所能看到的，即能成像于视网膜上的只是光束的顶点，而不是光束本身。另一方面光在通过混浊物时，我们似乎可

5、以顶点，而不是光束本身。另一方面光在通过混浊物时，我们似乎可以看到光束。看到光束。(d)人眼的感觉是直接沿刚刚进入瞳孔前的光线方向来判断光束发散顶点的人眼的感觉是直接沿刚刚进入瞳孔前的光线方向来判断光束发散顶点的位置，位置，“物点物点”和和“象点象点”都不过是进入瞳孔的发散光束的顶点，对眼都不过是进入瞳孔的发散光束的顶点，对眼睛来说引起的视觉都没有什么不同。睛来说引起的视觉都没有什么不同。三种情况无法单独用眼睛来直接辨别光束的顶点是否有实际光线通过。三种情况无法单独用眼睛来直接辨别光束的顶点是否有实际光线通过。（b）不能看到实物。（）不能看到实物。（c）虚象所在之处没有光线通过。）虚象所在之处

6、没有光线通过。光在平面界面上的反射和折射、光学纤维光在平面界面上的反射和折射、光学纤维一、光在平面上的反射一、光在平面上的反射（根据反射定律）（根据反射定律）点与点与P点相对镜面来说是对称的。因此，平面镜是一个最简单的，点相对镜面来说是对称的。因此，平面镜是一个最简单的，不改变光束单心性的，能成完善象的光学系统。不改变光束单心性的，能成完善象的光学系统。NPPNP二、光束单心性的破坏二、光束单心性的破坏光线在折射率不同的两个透明物质的平面分界面上反射时单心光束仍能维持单心光束，光线在折射率不同的两个透明物质的平面分界面上反射时单心光束仍能维持单心光束，但折射时，除平行光束折射时仍维持平行光束外

7、，单心光束将被破坏。但折射时，除平行光束折射时仍维持平行光束外，单心光束将被破坏。点点),0(:),0(:),0(:)0,(:)0,(:22112211yPyPyPxAxA2122212121)1(xnnynny2312222112132221tg)1(1tg)1(innnnyyinnyxP 单心光束的波面是球面，在平面界面上折射后，波面的形状发生变单心光束的波面是球面，在平面界面上折射后，波面的形状发生变化，不再是球面了。从微分几何知道，在任何曲面的每一点上有两个化，不再是球面了。从微分几何知道，在任何曲面的每一点上有两个主曲率半径，这两条相互垂直的象线实际上就是一个很小的曲面元的主曲率半径

8、，这两条相互垂直的象线实际上就是一个很小的曲面元的曲率中心的轨迹。以后将会看到，只要光束的波面元不是严格的球面，曲率中心的轨迹。以后将会看到，只要光束的波面元不是严格的球面，都具有这种称为象散的特性。都具有这种称为象散的特性。P发出的光束几乎垂直于界面时发出的光束几乎垂直于界面时 称为象似深度。称为象似深度。ynnyyyx12210y三、全反射，光学纤维三、全反射，光学纤维若若则则与入射光线相比，折射光线将偏离法线。与入射光线相比，折射光线将偏离法线。当当 时，时，当当 时，就不再有折射光线而光全时，就不再有折射光线而光全部被反射。这种对光线只有反射而无部被反射。这种对光线只有反射而无 折射的

9、现象叫全反射。折射的现象叫全反射。ic称为临界角。称为临界角。n2=1的空气相对于的空气相对于n1=1.5的玻璃而言，的玻璃而言，临界角临界角12nn 12iicii 1902icii 142ci12sinnnic 光学纤维：使光线沿着弯曲路程传播的光学元件，由直径约几微米的多根或单光学纤维：使光线沿着弯曲路程传播的光学元件，由直径约几微米的多根或单根玻璃纤维组成的，每根纤维也分内外两层，内层根玻璃纤维组成的，每根纤维也分内外两层，内层 左右，左右，左右。左右。可得：可得：对于空气中的纤维对于空气中的纤维 则：则：为了使更大范围内的光束能在纤维中传播，我们应选择为了使更大范围内的光束能在纤维中

10、传播，我们应选择n1和和n2的差值的差值较大的材料去制造光学纤维。较大的材料去制造光学纤维。8.1内n4.1外n12sinnnicininsinsin10)2sin(sin10cinin22212122111cosnnnnninc10n2221sinnni光在球面上的反射和折射光在球面上的反射和折射单独一个球面不仅是一个简单的光学系统，而且是组成单独一个球面不仅是一个简单的光学系统，而且是组成光学仪器的基本元件，研究光经由球面的反射和折射，是光学仪器的基本元件，研究光经由球面的反射和折射，是一般光学系统成象的基础。一般光学系统成象的基础。一、符号法则一、符号法则为了研究光线经由球面反射和折射的

11、光路，必须先说明为了研究光线经由球面反射和折射的光路，必须先说明一些概念以及规定一些适当的符号法则，以便使所得的结一些概念以及规定一些适当的符号法则，以便使所得的结果能普遍适用。果能普遍适用。球面的中心点球面的中心点O称为顶点，球面的球心称为顶点，球面的球心C称为曲率中心，称为曲率中心，球面的半径称为曲率半径。球面的半径称为曲率半径。CO称为主轴，通过主轴的平面称为主轴，通过主轴的平面称为主截面。主轴对于所有的主截面具有对称性。因而我称为主截面。主轴对于所有的主截面具有对称性。因而我们只须讨论一个主截面内光线的反射。们只须讨论一个主截面内光线的反射。在计算任一条光线的线段长度和角度时，我们对符

12、号作如下规定。在计算任一条光线的线段长度和角度时，我们对符号作如下规定。（1）光线和主轴交点的位置都从顶点算起，凡在顶点右方者，其间距离的数）光线和主轴交点的位置都从顶点算起，凡在顶点右方者，其间距离的数值为正；凡在顶点左方者，其间距离的数值为负。物点或象点至主轴的距离，在值为正；凡在顶点左方者，其间距离的数值为负。物点或象点至主轴的距离，在主轴上方为正，在下方为负。主轴上方为正，在下方为负。（2）光线方向的倾斜角度都从主轴（或球面法线）算起，并取小于）光线方向的倾斜角度都从主轴（或球面法线）算起，并取小于 的角度的角度，由主轴（或球面法线）转向有关光线时，若沿顺时针方向转，则该角度的数值，由

13、主轴（或球面法线）转向有关光线时，若沿顺时针方向转，则该角度的数值为正；若沿逆时针方向转动时的，则该角度的数值为负。为正；若沿逆时针方向转动时的，则该角度的数值为负。（3）在图中出现的长度和角度只用正值。假定光线自左向右进行。）在图中出现的长度和角度只用正值。假定光线自左向右进行。2二、球面反射对光束单心性的破坏二、球面反射对光束单心性的破坏光线光线 的光程为：的光程为：在在 和和 中应用余弦定理，中应用余弦定理，根据费马原理，指定两点间（是否更为确切）光程应取稳定值。根据费马原理，指定两点间（是否更为确切）光程应取稳定值。则：则：或：或：显然，显然，的值随的值随u亦即角亦即角 的变化而变化，

14、亦即从物点发散的单心光束经球面反的变化而变化，亦即从物点发散的单心光束经球面反射后，将不在保持单心（即使平行入射也不例外）。射后，将不在保持单心（即使平行入射也不例外）。PPA l nnlPPA)(PACPAC 21222122cos)(2)()(cos)(2)()()()()(rsrrsrlsrrsrrlrssrPCsrrsPC0sin)(21sin)(21)(rsrlnsrrlndPPAdlsrlrslllrslsr1)(110)(111lslsrlls三、近轴光线条件下球面反射的物象公式三、近轴光线条件下球面反射的物象公式在近轴条件下，在近轴条件下，值很小，在一级近似下，值很小，在一级近

15、似下，因此：，因此：得：得：对于对于r一定的球面，只有一个一定的球面，只有一个 值和给定的值和给定的s对应，有明确的像点存在。这个像对应，有明确的像点存在。这个像点叫高斯象点，这是因为高斯最先建立起光线理想成象的定律而得名的。点叫高斯象点，这是因为高斯最先建立起光线理想成象的定律而得名的。s称为称为物距，物距，称为像距。这个公式也适用凸球面的反射。称为像距。这个公式也适用凸球面的反射。当当 时，时，。沿主轴方向的平行光束入射经球面反射后，成为会聚沿主轴方向的平行光束入射经球面反射后，成为会聚（或发散）的光束，其顶点在主轴上，称为反射球面的焦点，焦点到顶点间的（或发散）的光束，其顶点在主轴上，称

16、为反射球面的焦点，焦点到顶点间的距离，称为焦距，以距离，称为焦距，以 表示。表示。的符号取决于的符号取决于r，亦遵守符号法则，亦遵守符号法则，上式称为球面反射物象公式。上式称为球面反射物象公式。1cossrsrlssrrl22)()()()(rss211sss2rsf 2rff fss111 四、球面折射对光束单心性的破坏四、球面折射对光束单心性的破坏 光程光程在在 和和 中应用余弦定理。中应用余弦定理。也和也和 的大小有关，单心性也被破坏。的大小有关，单心性也被破坏。lnnlPPA)(PACPAC 0)(cos)(2)(cos)(2)(21222122dPPAdrsrrsrlsrrsrrl0

17、sin)(21sin)(21rsrlnsrrln)(10)()(lnslsnrlnlnlrsnlsrns五、近轴光线条件下球面折射的物象公式。五、近轴光线条件下球面折射的物象公式。值很小，一级近似下，值很小，一级近似下，定义为光焦度，光焦度的单位称为屈光度，以字母定义为光焦度，光焦度的单位称为屈光度，以字母D表示，若球表示，若球面的曲率半径以米为单位，其倒数的单位便为面的曲率半径以米为单位，其倒数的单位便为D。如果发光点的位置在如果发光点的位置在 点，它的象便在点，它的象便在P点。换句话说：如果点。换句话说：如果P和和 之一为之一为物，则另一点为其相应的象。物点和象点的这种关系称为共轭，相应的

18、点称为共物，则另一点为其相应的象。物点和象点的这种关系称为共轭，相应的点称为共轭点，共轭光线。这是光路可逆原理的结果。轭点，共轭光线。这是光路可逆原理的结果。物空间：规定入射光束在其中进行的空间。物空间：规定入射光束在其中进行的空间。象空间：折射光束在其中进行的空间，先确定象空间：折射光束在其中进行的空间，先确定s的正负。的正负。折射、反射时由折射、反射时由 的正负确定实虚象。的正负确定实虚象。1cosrnnsnsnsrsrlssrrl22)()(rnn PPsrnnnf象方焦点象方焦点 物方焦点物方焦点象方焦距象方焦距 物方焦距物方焦距rnnnfnnff六、高斯公式和牛顿公式六、高斯公式和牛

19、顿公式将焦距将焦距 代入得：代入得：（上式推导：（上式推导：）以后我们将看到以后我们将看到,在其它光具组理想成象时，联系物距、象距和在其它光具组理想成象时，联系物距、象距和 焦距的关系式也和上式完全相同，因此上式是普遍的物象公式，称焦距的关系式也和上式完全相同，因此上式是普遍的物象公式，称为高斯物象公式。为高斯物象公式。若光线自右向左进行，则物空间在顶点的右方，象空间在顶点的若光线自右向左进行，则物空间在顶点的右方，象空间在顶点的左方，此时前述符号法则仍然适用，左方，此时前述符号法则仍然适用，仍是象方焦距，仍是象方焦距，f仍是物方焦距，仍是物方焦距，但此时实物物距应该取正值但此时实物物距应该取

20、正值 ，则得到的是实象，如果折射光束，则得到的是实象，如果折射光束在象间发散，象点在顶点的右方，则得到的是虚象。在象间发散，象点在顶点的右方，则得到的是虚象。我们采用的这一符号法则，对于不同的光线方向也能适用，比较我们采用的这一符号法则，对于不同的光线方向也能适用，比较符合数学惯例，这个符号法则称为新笛卡儿符号法则。符合数学惯例，这个符号法则称为新笛卡儿符号法则。rnnsnsnff1sfsf1snnnrsnnrn1sfsff)0(s 在确定物点在确定物点P和象点和象点 的位置时，物距和象距也可以分别从物方和象方焦点的位置时，物距和象距也可以分别从物方和象方焦点算起。物点在算起。物点在F之左者，

21、物距之左者，物距 用用-x表示，在象点表示，在象点 之右者，象距之右者，象距 用用 表示，表示，左右改变时，正负号也跟着改变。左右改变时，正负号也跟着改变。图图3.14 从上图得：从上图得：以后将会看到，这个关系式对于其它光具组也是普遍适用的，称为牛顿公以后将会看到，这个关系式对于其它光具组也是普遍适用的，称为牛顿公式。形式更简更，对称性更显著。式。形式更简更，对称性更显著。PFPFPF xxfsfxs)(fsxfsxf fxxf xxxf fxffxxfxffxffxf1 光连续在几个球面界面上的折射，虚物的概念光连续在几个球面界面上的折射，虚物的概念一、共轴光具组一、共轴光具组 图图3.1

22、5 要这个球面系统能最后成象，通过前一个球面的光束必须能通过或部分通过要这个球面系统能最后成象，通过前一个球面的光束必须能通过或部分通过次一个球面，要满足这个条件，就要尽量使用光束中的近轴光线，因此，首先必次一个球面，要满足这个条件，就要尽量使用光束中的近轴光线，因此，首先必须要使多个球面的曲率中心都在同一直线上，这种系统称为共轴光具组。须要使多个球面的曲率中心都在同一直线上，这种系统称为共轴光具组。二、逐个球面成象法二、逐个球面成象法 在近轴光线的情况下，解决共轴光具组成象问题，可以使用逐在近轴光线的情况下，解决共轴光具组成象问题，可以使用逐个球面成象法。这样，对第一个球面来说个球面成象法。

23、这样，对第一个球面来说 是出射的折射光束，对第是出射的折射光束，对第二个球面来说就是入射光束（此时第二个球面的物空间与第一个球二个球面来说就是入射光束（此时第二个球面的物空间与第一个球面的象空间重叠），所以第一个球面所成的象，就可看作是第二个面的象空间重叠），所以第一个球面所成的象，就可看作是第二个球面的物，依次逐个对各球面成象，最后就能求出物体通过整个系球面的物，依次逐个对各球面成象，最后就能求出物体通过整个系统所成的象。（参看上图）统所成的象。（参看上图）就是整个光具组所成的象。就是整个光具组所成的象。4P三、虚物的概念三、虚物的概念上述分析告诉我们，在单心光束不被破坏的条件下，光束通过前

24、一个球面后所上述分析告诉我们，在单心光束不被破坏的条件下，光束通过前一个球面后所成的象对于次一个球面来说，可被看做是物，不论这象是实象还是虚象，只要它成的象对于次一个球面来说，可被看做是物，不论这象是实象还是虚象，只要它的位置在次一个球面之前，即光束在到达次一个球面之前是发散的，问题就比较的位置在次一个球面之前，即光束在到达次一个球面之前是发散的，问题就比较简单，直接把象看做是物就可以了，它到次一个球面顶点之间的距离即为物距，简单，直接把象看做是物就可以了，它到次一个球面顶点之间的距离即为物距，仍可应用物象公式来计算，以次一个球面的顶点作为原点，对应于每一个原点应仍可应用物象公式来计算，以次一

25、个球面的顶点作为原点，对应于每一个原点应用符号法则。用符号法则。如光从前一个球面折射后是会聚的，但不待光束到达会聚点，就遇到次一个球如光从前一个球面折射后是会聚的，但不待光束到达会聚点，就遇到次一个球面。这种会聚光束对于次一个球面来说是入射光束，故仍应将其顶点看做是物，面。这种会聚光束对于次一个球面来说是入射光束，故仍应将其顶点看做是物，不过这只能算虚物，应以该入射光束原应会聚之点作为虚物所在之点。这时可按不过这只能算虚物，应以该入射光束原应会聚之点作为虚物所在之点。这时可按照符号法则来定物距的正负，应用物象公式来计算象的位置。照符号法则来定物距的正负，应用物象公式来计算象的位置。图1-1（a

26、）图1-1（b）叠加原理是波动光学的基本原理。叠加原理是波动光学的基本原理。（1 1）叠加原理表示波传播的独立性。）叠加原理表示波传播的独立性。即每一个波独立地产生作用，不因其他即每一个波独立地产生作用，不因其他波的存在而受影响。波的存在而受影响。如两光波相遇之后分开，每个光波仍保持原有如两光波相遇之后分开，每个光波仍保持原有的特性（频率、波长、振动方向等），按照自的特性（频率、波长、振动方向等），按照自己的传播方向继续前进。己的传播方向继续前进。（2 2）叠加原理也是介质对光波的线性响应的一）叠加原理也是介质对光波的线性响应的一种反映。种反映。介质在电场的作用下会发生极化。光是一介质在电场的

27、作用下会发生极化。光是一种电磁波。当光通过介质时，介质也会发生极化。种电磁波。当光通过介质时，介质也会发生极化。极化与电场强度的一次方成正比，即随电场线性极化与电场强度的一次方成正比，即随电场线性的变化，但是当光的强度很高时，极化会随电场的变化，但是当光的强度很高时，极化会随电场非线性的变化。非线性的变化。在外电场作用下，电介质的表面上出现束缚电荷的现象在外电场作用下，电介质的表面上出现束缚电荷的现象叫做电介质的极化。叫做电介质的极化。极化的总效果是介质边缘出现电荷极化的总效果是介质边缘出现电荷分布。分布。二、两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加二、两个频率相同、振动方向相同的单色光波的

28、叠加（1 1）代数加法）代数加法设两个频率相同、振动方向相同的单色光波分别发自光源设两个频率相同、振动方向相同的单色光波分别发自光源S S1 1和和S S2 2，在空间某点，在空间某点P P相遇，相遇，P P到到S S1 1和和S S2 2的距离分别为的距离分别为r r1 1和和r r2 2。两光波各自在两光波各自在P P点产生的光振动可以写为点产生的光振动可以写为)cos()cos(222111tkraEtkraE令令2211krkr根据叠加原理，根据叠加原理，P P点的合振动为点的合振动为)cos()cos(221121tataEEE22112211122122212coscossinsi

29、n)cos(2)cos(aaaatgaaaaAwtAEP P点的合振动也是一个简谐振动，其振动频率和振动方点的合振动也是一个简谐振动，其振动频率和振动方向都与两单色光波相同，振幅和初相位分别由上式决定。向都与两单色光波相同，振幅和初相位分别由上式决定。若两个单色光波在若两个单色光波在P P的振幅相等，的振幅相等，aaa2120aI 表示单个光波在表示单个光波在P P点的强度点的强度12表示两光波在表示两光波在P P点的相位差点的相位差P P点合振动的光强得点合振动的光强得2cos420II 在在P P点叠加的合振动的光强点叠加的合振动的光强I I取决于两光波在叠加点的相位差。取决于两光波在叠加

30、点的相位差。)cos(2122122212aaaaAI),2,1,0(2mmP P点光强有最大值，点光强有最大值，04II),2,1,0()12(mmP P点光强有最小值，点光强有最小值，0I相位差介于两者之间时，相位差介于两者之间时，P P点光强在点光强在0 0和和4I4I0 0之间。这种光之间。这种光强度重新排列的现象就是光的干涉。强度重新排列的现象就是光的干涉。P P点合振动的光强得点合振动的光强得2cos420II DC21PsdABi1i0n1图3 等倾干涉的光程差B1C2n2n1Air图1-8 等厚干涉光程差G1G2M1M2M212图1-9 迈克尔逊干涉仪迈克耳逊最早为了研究光速问

31、题而精心设计了上述装置，它是一种分振幅的干涉装置，与薄膜干涉相比，迈克耳逊干涉装置的特点是光源、两个反射面、接收器（观察者）四者在空间完全分开，东西南北各据一方，便于在光路中安插其它器件。hL1SG1G2L2PhL1SG1G2L2PPrQSRZZ（）（）双折射双折射引起引起光的偏振光的偏振光的偏振光的偏振 (Polarization of(Polarization of light)light)（）自然光和（）自然光和偏振偏振光光（）由介质吸收引起（）由介质吸收引起光的偏振光的偏振（）（）由由反射反射引起引起光的偏振光的偏振（）（）自然光和自然光和偏振偏振光光一一.线偏振光线偏振光E播播传传方

32、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 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垂直一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。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

33、振光可分解为两束振动方向相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。互垂直的、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.圆偏振光圆偏振光,椭圆偏振光椭圆偏振光（）（）由介质吸收引起由介质吸收引起光的偏振光的偏振一一.起偏起偏 起偏的原理起偏的原理：利用某种光学的不对称性利用某种光学的不对称性 偏振片偏振片微

34、晶型微晶型分子型分子型x yzz线栅起偏器线栅起偏器 入射入射电磁波电磁波 起偏：起偏：从自然光获得偏振光从自然光获得偏振光 起偏器起偏器:起偏起偏的光学器件的光学器件非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光光轴光轴电气石晶片电气石晶片自然光自然光I0线偏振光线偏振光 IP偏振化方向偏振化方向(透振方向透振方向)021II 二二.马吕斯定律马吕斯定律 I0IPP E0 E=E0cos,2 0 0EI 20cosII 0max0III ，02 I，偏振片的起偏偏振片的起偏马吕斯定律马吕斯定律（18091809）消光消光 2 2 0 2 cos EEI 三三.检偏检偏用偏振器件分析、检验光的偏振态用偏振器

35、件分析、检验光的偏振态I?P待检光待检光思考：思考：I不变不变？是什么光？是什么光 I变，有消光变，有消光？是什么光？是什么光 I变，无消光变，无消光？是什么光？是什么光（）（）由由反射反射引起引起光的偏振光的偏振一一.反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振i=i0 0 时，反射光只有时，反射光只有S S分量分量i 0 0 布儒斯特角布儒斯特角或或 起偏角起偏角i0 0 +r0 0=90=90O O 由由 020201cossinsininrnin 有有布儒斯特定律布儒斯特定律 (1812(1812年年)21120tgnnni n1n2i ir自然光反射和折射自然光反射和折射后产生部分偏振光

36、后产生部分偏振光n1n2i0i0r0线偏振光线偏振光S起偏振角起偏振角若若 n1 1 =1.00(=1.00(空气空气)，n2 2=1.50(=1.50(玻璃玻璃)，则：，则：互互余余空空气气玻玻璃璃玻玻璃璃空空气气 423350.100.1tg 185600.150.1tg 1010ii二二.玻璃片堆起偏和检偏玻璃片堆起偏和检偏 1.1.起偏起偏当当i=i0 0时时)(sin21 0020riII 自然光从空气自然光从空气玻璃玻璃%7 0 IIi0(接近线偏振光接近线偏振光)2.2.检偏检偏 .玻璃片堆玻璃片堆（）（）双折射双折射引起引起光的偏振光的偏振 方解石方解石oee o一一.双折射双

37、折射现象现象n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光1.1.寻常光和非寻常光寻常光和非寻常光o o光光 :遵从折射定律遵从折射定律orninsinsin21 e e光光 :一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律constrie sinsine e光折射线也不一定在入射面内。光折射线也不一定在入射面内。一束光射入各向异性介质一束光射入各向异性介质时产生两束折射光的现象时产生两束折射光的现象入射角为入射角为0时时旋转方解石旋转方解石2.2.光轴光轴 光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该方向称为晶体的双折射，该方向称为晶体的光

38、轴光轴。例如，方解石晶体例如，方解石晶体(冰洲石冰洲石)AB光轴光轴102 光轴是一特殊的方向光轴是一特殊的方向,凡平行于此方向的直线均为光轴凡平行于此方向的直线均为光轴。单轴晶体：单轴晶体：只有一个光轴的晶体只有一个光轴的晶体双轴晶体：双轴晶体：有两个光轴的晶体有两个光轴的晶体3.3.主平面和主截面主平面和主截面主平面：晶体中光的传播方向与光轴构成的平面。主平面：晶体中光的传播方向与光轴构成的平面。e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面o光光光轴光轴o光的光的主平面主平面主截面：晶体表面的法线与光轴构成的平面。主截面：晶体表面的法线与光轴构成的平面。o o光光 :光振动垂直主平面的线偏振光光振

39、动垂直主平面的线偏振光e e光光 :光振动平行主平面的线偏振光光振动平行主平面的线偏振光 当光轴在入射面内，当光轴在入射面内，o o光光主平面、主平面、e e光光主平面主平面与与入射面入射面重合重合o光光:各方向上的各方向上的 传播速度传播速度相同相同e光光:各方向上的各方向上的 传播速度传播速度不不同同 n0 0，ne称为称为晶体的主折射率晶体的主折射率 正晶体正晶体 :ne no负晶体负晶体 :n ne e n ve)负晶体负晶体(vo ve)子波源子波源(e o o)二二.晶体的主折射率，正晶体、负晶体晶体的主折射率，正晶体、负晶体沿光轴方向的沿光轴方向的传播速度传播速度相同，相同，垂直

40、光轴方向的垂直光轴方向的传播速度传播速度差异最大差异最大ec eenooocn 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 oe o光轴光轴晶体晶体 o o,e e在方向上虽没分开，在方向上虽没分开，但速度上是分开的。但速度上是分开的。2.2.光轴平行晶体表面，光轴平行晶体表面，且垂直入射面，且垂直入射面，自然光斜入射自然光斜入射rer0o ot e ete晶体晶体 光轴光轴ictnrooci0sinsin nreeeci sinsin3.3.光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射

41、光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射o e晶体晶体光轴光轴 e方解石方解石光轴光轴o eo四、应用四、应用 1.1.晶体的二向色性晶体的二向色性 晶体晶体对互相垂直的两个光振动的选择对互相垂直的两个光振动的选择吸收吸收电气石电气石对对0 0光有强吸收光有强吸收可产生线偏振光可产生线偏振光 光轴光轴e光光电气石电气石光轴光轴2.2.偏振棱镜偏振棱镜格兰格兰汤姆孙棱镜汤姆孙棱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