光的偏振.ppt

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1、1,第四章 光的偏振,2,4.1 自然光和偏振光,线偏振光，自然光和部分偏振光,光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性，光的偏振证实光的横波性,偏振态：电场矢量在与光传播方向垂直的平面内的振动状态,线偏振光 自然光 部分偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光,3,线偏振光：光的振动方向始终在一个平面内。,自然光：没有哪一个方向振动更占优势。,普通光源如太阳、烛焰、灯泡发出的光都是自然光。,4,部分偏振光：介于线偏振光和自然光之间。,部分偏振光可分解成两个振动方向互相垂直、振幅不等的线偏振光,光的偏振度,式中Imax，Imin分别是与最大振幅和最小振幅相应的光强。,5,圆偏振光和椭圆偏振光,迎着光观察，光矢量

2、向左或向右匀速旋转 光矢量大小不变，为圆偏振光； 光矢量大小变化，为椭圆偏振光。,按旋转的方向分为左旋和右旋。 右旋对应顺时针方向， 左旋对应逆时针方向。,6,圆偏振光和椭圆偏振光可以看成是两个同频、振动方向相互垂直，并且有稳定的相位关系的线偏振光合成的结果。反之，任何一个圆偏振光和椭圆偏振光可以分解成两个同频、振动方向相互垂直，并且有稳定的相位关系的线偏振光。,光传播方向,横平面,7,4.2 起偏振器与检偏振器 马吕斯定律,某些晶体，如电气石，存在一个方向，光矢量与之平行入射时 被吸收很少；与之垂直入射时则被强烈的吸收。 晶体的这一性质称为二向色性，相应的方向称为光轴。,自然光入射,透射线偏

3、振光,光轴方向,天然的电气石晶体很小，透光面积不大。,8,偏振片(Polaroid)：获得线偏振光的平面片状器件,1928年由一位19岁的美国大学生(E. H. Land at Harvard College)发明,二向色性的微小有机晶体，如碘化硫酸奎宁沉淀在聚乙烯醇薄膜或其它塑料膜内，在高温下拉伸，然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片。它有一个特定的方向，只让平行于该方向的振动通过。,49mm Polarizer Filter,9,七对小电极的某一对充电后，其间的液晶失去螺状相，阻光。,液晶显示器原理,10,11,马吕斯定律,线偏振光射到偏振片上，透过的线偏振光的强度遵从马吕斯定律,Etie

4、nne Malus 1775 - 1812,12,利用偏振片，可以区分线偏振光、自然光和部分偏振光。 起偏振器其实就是检偏振器,在线偏振光的光路中插入检偏器，检偏器旋转一周，光强两亮两暗,13,在自然光和圆偏振光的光路中插入检偏器，检偏器旋转一周,在光路中插入检偏器，屏上光强减半。检偏器旋转，屏上亮暗无变化。,14,部分偏振光和椭圆偏振光的光路中插入检偏器，检偏器旋转一周,检偏器旋转一周，屏上光强两强两弱,15,根据上面的实验，检偏振器可以区分出线偏振光，但是无法区分自然光和圆偏振光，也无法区分部分偏振光与椭圆偏振光。关于自然光和圆偏振光、部分偏振光和椭圆偏振光的区分，以后讲解。,Polari

5、zer Puzzle,16,4.3 反射和折射时的偏振,自然光在两种各向同性介质分界面上反射、折射时，反射光和 折射光都是部分偏振光。反射光中垂直振动(s)多于平行振动(p)， 折射光中平行振动(p)多于垂直振动(s)。,布儒斯特角与入射角之和为90,当入射角等于某一特定角度 iB 时， 反射光为线偏振光，其振动方向与 入射面垂直。该角称为布儒斯特角。,从空气到玻璃,从空气到水,17,反射和折射时的偏振现象以及布儒斯特定律，在理论上可以从 电磁波在介质分界面上应满足的边界条件导出。,反射光强,18,反射光的偏振态和入射光的偏振态、入射角和介质的折射率有关,举一特例-自然光入射（从光疏介质到光密

6、介质）,19,20,21,22,4.4 散射光的偏振,光的散射现象,当阳光射入地球大气层时，遇到大气 分子而被散射，在高空没有尘埃，故 以分子散射(瑞利散射)为主，散射光 的光强与入射光的波长四次方成反比。 阳光所含的七种色中，紫、蓝光等的 波长短，被分子散射强烈，而波长较长的橙光、红光等被散射较弱， 在高空的散射光便以紫、蓝光等为主，综合的效果使天空呈蔚蓝色。,尘粒和水滴的尺度一般大于等于可见光波长，这时的散射以米氏散 射为主，米氏散射不遵从分子散射那样的散射规律而是遵从更复杂 的规律，和波长没有明显的关系，阳光被散射后基本上仍为白光， 比如白云。,23,瑞利散射,瑞利散射适用于散射体的尺度

7、比光的波长小。光作用在散射体上的电场可视为交变的均匀场。在入射光的激励下，分子感生电偶极矩，辐射为电偶极辐射。,电偶极辐射,24,辐射光强,自然光散射强度,为辐射与入射光的夹角,25,瑞利散射和米氏散射的比较,26,散射引起的偏振,入射线偏振光散射时的偏振,27,自然光散射偏振,在垂直入射光方向的x-y平面内，沿各方向的散射光都是线偏振光,在原入射光方向和其相反方向的散射光都仍是自然光,在其它方向的散射光为不同偏振度的部分偏振光,28,太阳光本身并不是偏振光，但当它穿过大气层，受到大气分子或尘埃等颗粒的散射后，便变成了部分偏振光。根据天空偏振光的图形，就可以确定太阳的位置。蜜蜂的偏光导航仪是在

8、头部的复眼中。它的复眼是由6300只小眼组成的，每只小眼里有8个作辐射状排列的感光细胞，蜜蜂就是靠这些小眼来感受天空偏振光的。,散射偏振光和导航,29,4.5 双折射现象,30,o光（寻常光）遵守折射定律 e光（非常光）不遵守折射定律，如垂直入射时折射角不为零 所谓o光和e光，只在双折射晶体的内部才有意义，射出晶体以后，就无所谓o光和e光了。,双折射光的偏振特点,双折射的两条光线都是线偏振光。,转动方解石，e光绕着o光转动,31,光轴：光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双折射现象，这一方向称为晶体的光轴.,天然方解石晶体是一六面棱体,每一面都是菱形,大角约为102o, 小角约为78o. 六面体

9、中有两个相对的分别由三个钝角围成的顶角, 连接这两个顶角, 与连线平行的方向既是方解石光轴的方向.,单轴晶体：只有一个光轴(如方解石、石英)的晶体 双轴晶体：有两个光轴(如云母、硫磺)的晶体,32,主截面：光轴和晶体表面光入射点的法线组成的平面。,主平面：晶体中光(o光或e光)的传播方向与晶体光轴构成的平面,o光的振动方向垂直于o光的主平面；e光的振动方向平行于e光的主平面。当o光和e光的主平面相互平行时,两光的振动互相垂直.,说明：当入射面和主截面重合一致时，e光的偏折依然在入射面内；当入射面和主截面不一致时，则e光射线就可能不在入射面内。o光的偏折总在入射面内。,33,寻常光（o光）,(1

10、) 振动面垂直与自己的主平面的线偏振光; (2) 符合折射定律和反射定律; (3) 沿各个方向折射率相同(no) 传播速度相同.,非常光(e光),振动面平行于自己的主平面的线偏振光; 一般不符合折射定律,在垂直于光轴的方向传播时符合折射定律. 沿不同的方向折射率不同, 传播速度不同.沿光轴的方向折射率和速度为no,与o光相同.沿垂直于光轴的方向的折射率称为ne. no 和ne成为晶体的主折射率。,34,4.6 惠更斯作图法,单轴晶体中的波面,（2）回转椭球面外切于球面， neno的晶体, 称为正晶体. 如石英.,（1）回转椭球面外切于球面，ne no的晶体, 称为负晶体. 如方解石.,单轴晶体

11、可分为两类,o光的波面是球面，e光的波面是回转椭球面。 两者相切，相切的方向就是光轴。,35,几种单轴晶体的主折射率和双折射率,双轴晶体的波面形状更为复杂,36,光在晶体内传播的波面,O-xyz是方解石晶体内的三维坐标, t=0时刻自原点发出的光振动, 在t=t时刻, o光振动传到以v0t为半径的球面上. 因此 ,o光的波面图是球面. e光波面图是长轴为vet, 短轴为vot, 在光轴方向上外切球面的椭球面.,负晶体,37,正晶体,38,用惠更斯作图法确定光在晶体中的传播,惠更斯作图法要点,（1）根据给定情况，作出光在 介质1中的波面AB； （2）在A点作光在介质2中的次 波波面，次波波面的半

12、径R 满足,（3）由C作次波波面的共切面DC， 它就是折射波的波面。 （4）由A通过切点D作直线AD， 它就是折射光线。,39,空气,晶体,用惠更斯作图法确定光在晶体中的传播方向,例题1：负晶体方解石,光轴,以入射点为 中心，以1/no 为半径作圆。,以1/no为短轴, 1/ne为长轴作椭圆,40,空气,晶体,例题2：方解石,光轴,以AC/no为半径作圆,以AC/no为短轴, AC/ne长轴,作椭圆,41,空气,晶体,光轴,以AC/no为 半径作圆,以AC/ne为 半径作圆,42,空气,方解石,光轴,晶体,例题4,43,4.7 偏振棱镜,尼科耳棱镜,加拿大树胶,对钠黄光的折射率为1.55,介于

13、方解石的ne=1.486和no=1.658 之间.,进入晶体发生双折射,44,o光发生全反射，被底面的吸收层吸收； e光不发生全反射，最后射出棱镜。,尼科耳棱镜：输入自然光，输出线偏振光,尼科耳棱镜对入射的自然光的汇聚程度有一定的限制，上下 不超过140。上面斜向下超过140，e光会发生全反射；下面斜 向上超过140，o光不发生全发射，o光e光都透过尼科耳棱镜。,45,格兰-汤普森棱镜,单色自然光,线偏振光,光轴,方解石,加拿大树胶,e光,o光,涂黑,46,4.8 波片和补偿器,波片,波片，也称相位延迟器，是由晶体制成的有准确厚度的薄片， 其光轴与薄片表面平行。,e光,o光,光轴,光轴,当光垂

14、直通过波片时，在波片内分解为o光e光，因在晶体内垂直 于光轴传播，所以o光e光的传播速度不同。传播到波片的后表面， o光e光就有了附加的相位差。,47,e光,o光,光轴,平行光轴的振动进入波片成为e光， 通过晶片后的相位为,垂直光轴振动的o光通过晶片后的相位为,它们通过波片后的相位差,若 表示o光落后，若 表示o光超前。,48,（1）全波片,入射偏振光通过全波片后不改变其偏振态,（2）二分之一波片,入射线偏振光经过二分之一波片后仍为线偏振光，但改变象限,49,（3）四分之一波片,线偏振光透过/4后，可成为椭圆偏振光或圆偏振光。,50,当椭圆偏振或圆偏振光入射到/4片后，出射光可以转变为线偏振光

15、,51,补偿器,补偿器：能任意改变光程差的器件。,经过补偿器后两偏振光之间的相位差：,索列尔补偿器(The Soleil compensator),光轴,光轴,52,偏振光的检验,实际中需要对接收到的光进行检验，以确定它的偏振状态。,/4片不仅可以用来产生圆偏振或椭圆偏振光， 它们也是检验圆偏振光和椭圆偏振光的重要器件。,利用波片和检偏振器区分五种偏振态,53,54,4.9 偏振光的干涉,单色偏振光的干涉,在晶体的内部，o光和e光的波速并不相同。 透过晶片后，它们频率相同，有固定的相位差，但振动方向垂直。,e光,o光,光轴,设晶体的光轴与表面平行，线偏振光垂直入射。,如果在晶片后再放一块偏振片

16、，把振动方向引到同一方向， 就可以产生偏振光的干涉。,55,(1) 两个偏振片的偏振化方向互相垂直，即,偏振片1,偏振片2,波片,自然光,o光和e光透过第二块偏振片的振幅,它们的相位差,晶体双折射,投影取向相反,56,透过第二个偏振片的两束线偏振光是相干的，透射光的强度取决于,此外，透射光的强度还取决于相干光束本身的强度,在正交偏振片之间旋转晶片一周，一般会有四个消光位置， 四个强度极大位置。,57,(2) 两个偏振片的偏振化方向互相平行，即,o光和e光透过第二块偏振片的振幅,一般情况下，,在正交偏振片之间旋转晶片一周，与两个偏振片垂直时的亮暗互补,58,4.10 人为双折射,光测弹性(Pho

17、toelasticity),1816年布儒斯特发现正常情况下各向同性的透明物质在应力作用下 可变为光学上各向异性的。这一现象称为光测弹性或应力双折射。,在应力作用下，材料具有正或负单轴晶体的性质。 两种情况下，等效光轴都沿应力的方向，双折射效应正比于应力。,若作用在材料上的应力不均匀， 对应的双折射效应也不相同。,使用白光，在正交偏振片下， 在施加应力的介质内可以看到 复杂的彩色干涉条纹。,59,在构件上施加一定拉力和压力，介质内部形成一定的应力分布， 介质变成各向异性，产生双折射。,在一定的应力范围里，双折射率 n 与应力成正比，n的空间分布 反映在偏振光的干涉条纹花样，由相似原理换算出实际

18、应力。,构件做成模型，置于光场中，测定模型应力值,偏振片1,偏振片2,自然光,构件,60,有些透明的各向同性介质， 在加工过程中有残存的应力，也会产生双折射。,61,电场引起的双折射,电光效应(electro-optic effect) 在外加电场作用下， 某些原本各向同性的物质变成各向异性，表现出光学双折射现象; 或者某些原本为单轴的晶体变为双轴晶体。,（1）克尔效应平方电光效应,第一个电光效应是苏格兰物理学家John Kerr 在1875年报告的：在强电场作用下的玻璃板 具有双折射效应。,后来人们发现许多物质包括气体都有这种电光效应， 只不过通常情况下气体或固体的克尔效应没有液体那么明显。

19、,62,外加电场破坏了溶液的各向同性，产生双折射，等效的光轴方向平行于电场方向，造成一定的折射率差,63,当电压在此值与零值间变换时，克尔盒 (Kerr cell) 可使光路通、断，故可用作电光开关。若克尔盒的电极与调制信号电压相接，则通过P2的光强将随信号电压的变化而改变，这时的克尔盒就是一个光调制器。由于克尔效应几乎没有延迟时间，随外电场变化的响应时间极短, 可达10-9 s，因此可制成高速光闸和光调制器等，用于高速摄影、电影电视以及激光通讯等领域。,经过长度为l的电场区，克尔效应产生的附加相位差为：,当电场为零时，透过的光强为零；,当电场满足,透过的光强最大。,此时的电压称为半波电压,d

20、为平行极板的间距,64,（2）泡克耳斯效应(Pockels effect),透明电极加在单轴晶体两端，光沿光轴方向传播，光轴与电场平行，P1P2，不加电场时，无双折射。,泡克耳斯效应实验装置,加电场 晶体变双轴晶体 原光轴方向附加了双折射效应。 泡克耳斯效应产生的n正比于外加电场,65,经过长度为l的电场区，泡克耳斯效应产生的附加相位差为,磷酸二氢钾(KH2PO4，简称KDP)、磷酸二氢胺(NH4H2PO4，ADP)等单晶都具有线性电光效应。,=时，P2透光最强，相应的电压成为半波电压,例如KDP晶体对于=546nm的绿光， no =1.51，=10.61012 m/V， =时，半波电压V=7

21、600V，这比克尔盒要求的电压低得多。,泡克尔斯效应的开关响应时间也极短，一般小于10-9s，可用作超高速开关，激光调Q，dc-30GHz的光调制器,K*DP(KD2PO4)的半波电压V=3400V,66,Ti diffused lithium niobate electro-optic (Pockels effect) modulators for use in high-speed optical fiber communications up to 16 GHz. Operates at 1550 nm. Maximum modulation voltage is 20V.,67,The

22、 MPC 4 IM is a compact Pockels cell, available in a variety of versions for wavelengths from 248 nm to 1064 nm. It has a 4-mm aperture and a compact housing that measures 12.7 * 7.2 * 4.2 mm, allowing its use in Q-switches for miniaturized laser systems. It uses an immersion liquid that provides transmission of 98% at 1064 nm. The extinction ratio at 1064 nm with 0.5 voltage is 1:3000. Maximum power is 500 MW/cm2.,68,Specifications,69,4.11 旋光性,旋光性与生命活动密切相关,70,第四章作业2, 3, 8, 10, 12, 13, 15,氨基酸(amino acid),71,END,