第24章-光的偏振.ppt

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1、 24.1 24.1 光的横波性与偏振现象光的横波性与偏振现象 24.2 24.2 线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验 24.3 24.3 反射和折射时间的偏振反射和折射时间的偏振 24.4 24.4 双折射现象双折射现象 24.5 24.5 偏振光的干涉偏振光的干涉第第2424章章 光的偏振光的偏振1一、横波与偏振现象一、横波与偏振现象 机械横波机械横波的检验的检验若振动方向平行若振动方向平行AB AB 通通若把若把ABAB旋旋90900 0，则，则 不通不通只有横波有偏振现象只有横波有偏振现象 而纵波无偏振问题而纵波无偏振问题24.1 光的横波性与偏振现象光的横波性与偏振现象2通通不

2、通不通通光方向或通光方向或偏振化方向偏振化方向用用偏振片偏振片检验检验光的横波性光的横波性通光方向通光方向31 1自然光自然光 （非偏振光）（非偏振光）一般光源发光：一般光源发光：在人们视察的时间内在人们视察的时间内 有无穷次的发光有无穷次的发光按统计的观点按统计的观点 人们视察到的将是：人们视察到的将是：在垂直传播方向的平面内在垂直传播方向的平面内 各个方向的光振动全有各个方向的光振动全有 各个振动方向的强度相等各个振动方向的强度相等二、光的偏振状态二、光的偏振状态4在实际应用中将光矢量分解为在实际应用中将光矢量分解为振幅相等的两个垂直重量振幅相等的两个垂直重量视探讨的问题确定如何取坐标轴视

3、探讨的问题确定如何取坐标轴如在从自然光中获得偏振光时如在从自然光中获得偏振光时偏振片的通光方向就是首选的坐标轴偏振片的通光方向就是首选的坐标轴图示图示各个方向振动全有各个方向振动全有y或或x52.2.线偏振光线偏振光（面偏振光（面偏振光 偏振光偏振光 完全偏振光）完全偏振光）线偏振光的图示线偏振光的图示在纸面内振动在纸面内振动垂直纸面的振动垂直纸面的振动6 一个原子一次发光确定是偏振光一个原子一次发光确定是偏振光 如何得到可好用的线偏振光呢如何得到可好用的线偏振光呢?特殊光源如外腔式激光器特殊光源如外腔式激光器更多的途径是从一般光源中获得更多的途径是从一般光源中获得 一般光源的偏振态一般光源的

4、偏振态 通常是自然光和部分偏振光通常是自然光和部分偏振光73.3.部分偏振光部分偏振光本质上同自然光本质上同自然光 但显示出某个方向的振动较强些但显示出某个方向的振动较强些 通光方向通光方向用偏振片检验用偏振片检验图示图示分量占优分量占优分量占优分量占优84.4.椭圆椭圆(圆圆)偏振光偏振光:圆偏振光圆偏振光:光矢量围着传播方向均光矢量围着传播方向均匀转动，端点轨迹为圆。匀转动，端点轨迹为圆。椭椭圆圆或或圆圆偏偏振振光光，可可以以看看成成是是两两个个相相互互垂直而有确定相差的线偏振光的合成。垂直而有确定相差的线偏振光的合成。椭圆偏振光椭圆偏振光:光矢量围着传播方向光矢量围着传播方向匀整转动，端

5、点轨迹为椭圆。匀整转动，端点轨迹为椭圆。9第一第一 如何判别光如何判别光源的偏振态源的偏振态偏振光的检验偏振光的检验三个基本途径三个基本途径原理：原理：二向色性二向色性 布儒斯特定律布儒斯特定律双折射双折射其次其次 如何从一般如何从一般光源中获得偏振光光源中获得偏振光从好用的角度从好用的角度 必需解决两大问题必需解决两大问题24.2 线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验10第一种从一般光源中获得偏振光的方法第一种从一般光源中获得偏振光的方法一、利用偏振片（二向色性）可以获得偏振光一、利用偏振片（二向色性）可以获得偏振光起偏器起偏器：产生线偏振光：产生线偏振光检偏器检偏器：检验线偏振光：检验

6、线偏振光起偏器起偏器检偏器检偏器11二、偏振状态的检验二、偏振状态的检验入射光入射光出射光出射光视察出射光视察出射光强的变更强的变更偏振片偏振片(检偏器检偏器)消光消光不变不变入射光入射光入射光入射光入射光入射光线偏振线偏振自然光自然光部分偏振部分偏振光强变更光强变更12三、马吕斯定律三、马吕斯定律 线线偏振光偏振光通过偏振片后的光强变为多少？通过偏振片后的光强变为多少？反映光矢量对传播方向不对称反映光矢量对传播方向不对称线偏振光线偏振光A0 A13PS S光强光强I的的自然光自然光通过偏振片后光强变为多少通过偏振片后光强变为多少?该偏振片可以从自然光中取得偏振光该偏振片可以从自然光中取得偏振

7、光称为起偏器称为起偏器志向偏振片志向偏振片14 例题例题.光强为光强为I的一束自然光的一束自然光,依次通过三个偏振片依次通过三个偏振片P1、P2、P3 .已知已知P1 和和 P3 的偏振化方向相互垂直的偏振化方向相互垂直,且偏振片无吸取且偏振片无吸取.设设P1 和和P2 的偏振化方向的夹角为的偏振化方向的夹角为,若以入射光为轴旋转若以入射光为轴旋转P2 则通则通过这三个偏振片后的光强是过这三个偏振片后的光强是_;当当为为_时时 I 有最有最大值大值_.P P1 1P P2 2P P3 3自然光自然光15一、现象一、现象自然光入射在两各向同性介质表面自然光入射在两各向同性介质表面视察反射光视察反

8、射光 折射光线的偏振状态折射光线的偏振状态1.1.一般入射角的状况一般入射角的状况反射光反射光 折射光都是折射光都是部分偏振光部分偏振光 反射光中反射光中 垂直入射垂直入射面振动占优面振动占优折射光中折射光中平行入射平行入射面振动占优面振动占优24.3 24.3 反射和折射时间的偏振反射和折射时间的偏振162.2.特殊入射角的状况特殊入射角的状况（1)1)两光偏振状态两光偏振状态反射光反射光-完全偏振光完全偏振光折射光折射光-部分偏振光部分偏振光（2)2)反射光线与折射光反射光线与折射光线垂直线垂直(起偏角起偏角或或布儒斯特角布儒斯特角 )入射角满足入射角满足17二、布儒斯特定律二、布儒斯特定

9、律 光在两各向同性介质表面入射时光在两各向同性介质表面入射时假如入射角与两介质折射率存在下述关系假如入射角与两介质折射率存在下述关系平行入射面的光振动全透过平行入射面的光振动全透过这就是布儒斯特定律这就是布儒斯特定律思索：思索：假如入射光中只有垂直入射面的振动重假如入射光中只有垂直入射面的振动重量则反射光和透射光的偏振状态如何？量则反射光和透射光的偏振状态如何？18三、玻片堆可获得两束线偏振光三、玻片堆可获得两束线偏振光 19（C C）用偏光镜消退了用偏光镜消退了反射偏振光反射偏振光 使使玻璃门内的人物玻璃门内的人物清晰可见清晰可见（A A）玻璃门玻璃门表面的表面的反光很强反光很强（B B）用

10、偏光镜用偏光镜减弱减弱了反射偏振光了反射偏振光20总结总结 从一般光源中获得线偏振光的方法从一般光源中获得线偏振光的方法利用各向异性物质的二向色性利用各向异性物质的二向色性(偏振片偏振片)物质对振动方向显现出吸取系数的不同物质对振动方向显现出吸取系数的不同2.2.利用自然光在两个各向同性介质表面的反射利用自然光在两个各向同性介质表面的反射 (布儒斯特仪布儒斯特仪)物质对振动方向显现出反射系数的不同物质对振动方向显现出反射系数的不同3.3.利用各向异性晶体的双折射利用各向异性晶体的双折射(晶体偏振器晶体偏振器)物质对振动方向显现出传播速度的不同物质对振动方向显现出传播速度的不同21象象折射现折射

11、现双双折射现折射现方解石晶体方解石晶体CaCO3纸面纸面 双折射现象双折射现象24.4 双折射现象双折射现象 一、各向异性晶体中的双折射现象一、各向异性晶体中的双折射现象现象：现象：(1)(1)两束折射光两束折射光听从折射定律听从折射定律寻常光线寻常光线o o 光光不听从折射定律不听从折射定律异样光线异样光线e e 光光自然光进入各向异性晶体中自然光进入各向异性晶体中23光光光光双双折折射射纸面纸面令方解石晶体绕光线旋转令方解石晶体绕光线旋转24光光光光双双折折射射纸面纸面25光光 光光双双折折射射纸面纸面26光光光光双双折折射射纸面纸面27（2)o2)o光光 e e光的光的 偏振状态偏振状态

12、均是偏振光均是偏振光两者振动方向两者振动方向 近乎垂直近乎垂直须要进一步解决的问题：须要进一步解决的问题：（1)e1)e光在晶体内的传播方向？光在晶体内的传播方向？（2)o2)o光光 e e光的振动方向光的振动方向？须要先介绍晶体的基本学问须要先介绍晶体的基本学问28二、晶体的光轴二、晶体的光轴 光线的主平面光线的主平面1.1.光轴光轴(方向方向)在这个方向上在这个方向上 不发生双折射不发生双折射称这个特殊方向为晶体的光轴称这个特殊方向为晶体的光轴留意：留意：光轴在晶体内光轴在晶体内光轴是一个方向光轴是一个方向光轴光轴29 光线在晶体光线在晶体内部内部沿着光轴方向传播沿着光轴方向传播 不发生双

13、折射不发生双折射分类：分类：单轴晶体单轴晶体 双轴晶体双轴晶体 只有一个光轴方向只有一个光轴方向 有两个光轴方向有两个光轴方向方解石方解石(冰洲石冰洲石)石英石英 云母云母 蓝宝石蓝宝石2.2.光线的主平面光线的主平面光线与光轴组成的平面称该光线的主平面光线与光轴组成的平面称该光线的主平面30方解石方解石eoe光的光的主平面主平面O光的光的主平面主平面一般状况下两个光线主平面不重合一般状况下两个光线主平面不重合特殊状况下光轴在入射面内，特殊状况下光轴在入射面内，两个光线主平面重合，两个光线主平面重合，此时，两个光线的主平面可用入射面代替！此时，两个光线的主平面可用入射面代替！31三、三、o o

14、光光 e e光的振动方向光的振动方向 o o光和光和e e光都是线偏振光光都是线偏振光 振动方向怎样说明呢？振动方向怎样说明呢？必需由各光线的主平面来说明必需由各光线的主平面来说明 光轴光轴oo o光的振动垂直光的振动垂直o o光的主平面光的主平面e光的振动在光的振动在e光的主平面内光的主平面内e两光偏振方向垂直两光偏振方向垂直3233四、惠更斯原理确定晶体中光线传播方向四、惠更斯原理确定晶体中光线传播方向 作图法确定单轴晶体中作图法确定单轴晶体中o o光和光和e e光的传播方向光的传播方向o o光光 e e光的子波面光的子波面 留意留意:双折射的本质是传播速度的各向异性双折射的本质是传播速度

15、的各向异性 o o 光传播的速度在各方向相等光传播的速度在各方向相等(各向同性各向同性)e e 光传播速度与方向有关光传播速度与方向有关(各向异性各向异性)结论结论:o o光的子波面光的子波面 确定是球面确定是球面 e e光的子波面光的子波面 确定不是球面确定不是球面 34给出两个试验事实：给出两个试验事实：（1 1）在光轴方向在光轴方向 e e光的速度等于光的速度等于o o光速度光速度 即等于即等于VoVo（2 2）在垂直光轴方向在垂直光轴方向 o o光光e e光两个速度差别最大光两个速度差别最大 与与o o光速度差别最大的速度光速度差别最大的速度 记做记做Ve Ve 按按V Ve e与与V

16、 Vo o关系不同将晶体分为正负两种关系不同将晶体分为正负两种正晶体正晶体 负晶体负晶体 35正晶体正晶体 方解石方解石 负晶体负晶体 石英石英称为晶体的主折射率称为晶体的主折射率 与波长有关与波长有关 光轴在入射面内光轴在入射面内o o光的子波面光的子波面e e光的子波面光的子波面光轴垂直入射面光轴垂直入射面负晶体的子波面负晶体的子波面e e光的子波面是以光轴为轴的旋转椭球面光的子波面是以光轴为轴的旋转椭球面362.2.惠更斯作惠更斯作图法法(1)(1)光光轴平平行行晶晶体体表表面面 自自然然光光垂垂直直入入射射 e o e o光轴光轴晶体晶体 o光光和和e光光在在方方向向上上虽没没分分开开

17、，但但速速度度上上是是分开的。分开的。仍仍产生双折射生双折射现象。象。37(2)(2)光光轴平行晶体表面，且垂直入射面，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 ect在此特殊状况下，在此特殊状况下，o光、光、e光均满足折射定律。光均满足折射定律。38(3)(3)光光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射与晶体表面斜交，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此此时e光的波面不再与其波射光的波面不再与其波射线垂直了垂直了24.1，24.2，24.4,24.5。作作 业业39一、典型装置一、典型装置 波晶片波晶片

18、:光轴平行于入射表面的晶体薄片光轴平行于入射表面的晶体薄片 两个正交的偏振片两个正交的偏振片 记做记做 三个元件表面平行三个元件表面平行 自然光正入射自然光正入射24.5 偏振光的干涉偏振光的干涉40?在上述装置下在上述装置下 令单色自然光正入射令单色自然光正入射 分析各区光的偏振状态分析各区光的偏振状态 起偏器起偏器P后是线偏振光后是线偏振光 线偏振光经波晶片线偏振光经波晶片C后偏振态后偏振态?强度强度?检偏器检偏器A后的偏振态后的偏振态?强度强度?41二、线偏振光通过波晶片后的偏振状态二、线偏振光通过波晶片后的偏振状态（3)o 光光 e 光的光程差光的光程差结论结论:（1)1)o 光光 e

19、 光传播方向相同光传播方向相同 同一点源发出的同一点源发出的o 光光 e 光不分开光不分开（2)o 光光 e 光振动方向垂直光振动方向垂直 o 光轴光轴 e 光轴光轴可以用光轴来说明可以用光轴来说明o e光光 振动方向振动方向线偏振光线偏振光与入射面与入射面有一夹角有一夹角42（4)4)线偏振光通过波晶片后的偏振状态线偏振光通过波晶片后的偏振状态 两个同频率的两个同频率的 振动方向垂直的振动方向垂直的 有确定相位差的有确定相位差的 简谐振动的合成简谐振动的合成 一般一般合成光矢量端点的轨迹是椭圆合成光矢量端点的轨迹是椭圆但但 每时刻每时刻都是都是线偏振光线偏振光所以所以 称为称为椭圆偏振光椭圆

20、偏振光光轴光轴43 特殊特殊1 1 若晶片厚度合适若晶片厚度合适 使使 o o光光e e光的光程差为光的光程差为 /4 /4 波波长长 相位差是相位差是正椭圆偏振光正椭圆偏振光圆偏振光圆偏振光假如再让假如再让该波晶片叫四分之一波片该波晶片叫四分之一波片44 特殊特殊2 2 若晶片厚度合适若晶片厚度合适 使使o o光光e e光的光程差为光的光程差为 /2/2 波波长长称该波晶片为二分之一波片称该波晶片为二分之一波片(或称半波片或称半波片)经二分之一波片后经二分之一波片后 o光光e光相位差为光相位差为 合成为合成为线偏振光线偏振光相位差是相位差是45线线偏偏振振在在 /2/2片前片前过过 /2/2

21、片后片后仍是线偏振仍是线偏振旋转了旋转了2 角角/2片片留意留意:/2/2波片波片 /4/4 波片波片 必需指明波必需指明波长长1 31 3象限的振动象限的振动2 42 4象限的振动象限的振动光轴光轴46三、三、相干区相干区 干涉强度干涉强度相干区相干区 相干光的振幅相干光的振幅光轴光轴47 相干光光程差相干光光程差 由波片厚度引进的是由波片厚度引进的是在该装置中在该装置中 两光经两光经检偏器检偏器A后振动步调相反后振动步调相反所以装置带来的所以装置带来的附加光程差是附加光程差是总光程差总光程差48 合成结果合成结果相位差相位差49讨论讨论（1)1)典型装置典型装置相干条件的实现相干条件的实现:波晶片波晶片 保证从一次发光中分出两支保证从一次发光中分出两支 给出光程差给出光程差 (no-ne)d 检偏器检偏器 保证两光振动方向相同保证两光振动方向相同 起偏器起偏器 保证两光有确定相差保证两光有确定相差振幅投影图振幅投影图相干区相干区50