第--章-光的偏振.ppt

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1、一、光的偏振状态一、光的偏振状态q电电磁磁波波中中，电电场场、磁磁场场与与传传播播方方向向三三者者相相互互垂垂直，构成右旋直角坐标系。直，构成右旋直角坐标系。q光光矢矢量量沿沿传传播播方方向向不不具具有有轴轴对对称称性性而而是是有有一一定定的取向，称为的取向，称为偏振偏振。q只有横波才具有偏振现象，纵波没有。只有横波才具有偏振现象，纵波没有。一、光的偏振状态一、光的偏振状态1.在在一一个个光光列列中中，光光矢矢量量只只在在一一个个方方向向上上偏偏振振。其其振振动动面面位位于于一一个个平平面面内内，故故称称之之为为线线偏偏振振光光，又称为又称为平面偏振光平面偏振光或或完全偏振光完全偏振光。2.太

2、太阳阳光光、电电灯灯光光等等是是众众多多原原子子发发出出的的光光，其其光光矢矢量量的的偏偏振振方方向向随随机机分分布布，但但各各方方向向均均等等。故故迎迎着着光光线线看看，光光矢矢量量是是轴轴对对称称分分布布的的，称称之之为为自自然然光光或或非非偏振光偏振光。一、光的偏振状态一、光的偏振状态q对对所所有有可可能能的的光光矢矢量量，其其在在x、y方方向向上上的的分分量量彼彼此间没有固定的相位关系，可以非相干叠加。此间没有固定的相位关系，可以非相干叠加。yx一、光的偏振状态一、光的偏振状态q由于大量线偏振光由于大量线偏振光轴对称分布轴对称分布，即即一一束束自自然然光光可可以以任任意意分分解解为为振

3、振动动方方向向相相互互垂垂直直的的两两个个强强度度相相等等而而相相位位彼彼此此独独立立无无关关的的平平面面偏偏振振光。光。yx一、光的偏振状态一、光的偏振状态3.偏偏振振状状态态介介于于自自然然光光和和线线偏偏振振光光之之间间的的光光称为称为部分偏振光部分偏振光。一、光的偏振状态一、光的偏振状态q部部分分偏偏振振光光可可以以看看作作是是自自然然光光和和线线偏偏振振光光叠加而成。叠加而成。一、光的偏振状态一、光的偏振状态自然光自然光线偏振光线偏振光部分偏振光部分偏振光4.圆偏振光圆偏振光,椭圆偏振光椭圆偏振光。一、光的偏振状态一、光的偏振状态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

4、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 01.微波偏振检验试验微波偏振检验试验二、线偏振光的获得与检验二、线偏振光的获得与检验2.偏振片偏振片二、线偏振光的获得与检验二、线偏振光的获得与检验q两两向向色色性性的的有有机机晶晶体体，如如硫硫酸酸碘碘奎奎宁宁、电电气气石石或或聚聚乙乙烯烯醇醇薄薄膜膜在在碘碘溶溶液液中中浸浸泡泡后后，在在高高温温下下拉拉伸伸、烘烘干干，然然后后粘粘在在两两个个玻玻璃璃片片之之间间就就形形成成了了偏偏振振片片。它它有有一一个个特特定定的的方方向向，只只让让平平行行与与该该方方向向的的振振动动通通过过，这这一一方方

5、向向称称为为偏偏振振化化振振动动方向方向。I20I=I03.起偏起偏、检、检偏偏q当当自自然然光光通通过过偏偏振振片片时时，透透过过的的光光成成为为线线偏偏振振光，称为光，称为起偏起偏。二、线偏振光的获得与检验二、线偏振光的获得与检验I20I=I03.起偏起偏、检、检偏偏二、线偏振光的获得与检验二、线偏振光的获得与检验q在在光光路路上上放放一一块块相相同同的的偏偏振振片片，当当旋旋转转这这一一偏偏振振片片时时，透透射射的的光光强强不不发发生生变变化化，则则入入射射光光为为自然光。自然光。3.起偏起偏、检、检偏偏二、线偏振光的获得与检验二、线偏振光的获得与检验q在在光光路路上上放放一一块块相相同

6、同的的偏偏振振片片，当当旋旋转转这这一一偏偏振振片片时时，若若光光强强发发生生变变化化，则则可可确确定定入入射射光光为为偏振光，因此该偏振片可进行偏振光，因此该偏振片可进行检偏检偏。4.马吕斯定律马吕斯定律二、线偏振光的获得与检验二、线偏振光的获得与检验q以以光光线线为为轴轴旋旋转转其其中中一一个个偏偏振振片片，光光强强 I2 周周期性变化。期性变化。二、线偏振光的获得与检验二、线偏振光的获得与检验例例 P.221例题例题1：入射光：入射光I0为自然光，四片偏振片分别顺时针转为自然光，四片偏振片分别顺时针转300，求透射光强。，求透射光强。解：自然光经过第一偏振片后，光强为：解：自然光经过第一

7、偏振片后，光强为：经过第二偏振片后，光强为：经过第二偏振片后，光强为：经过第三偏振片后，光强为：经过第三偏振片后，光强为：经过第四偏振片后，光强为：经过第四偏振片后，光强为：透射光强是入射光强的透射光强是入射光强的 21%。1.装置装置入射光入射光出射光出射光观察出射光观察出射光强的变化强的变化该偏振片称该偏振片称检偏器检偏器偏振片偏振片u课堂思考：课堂思考：偏振光的检验。如何用实验方偏振光的检验。如何用实验方法区分线偏振光、部分偏振光、自然光？法区分线偏振光、部分偏振光、自然光？入射光入射光出射光出射光观察出射光强观察出射光强的变化的变化2.检验检验消光消光不变不变入射光入射光入射光入射光入

8、射光入射光线线偏振偏振自然光自然光部分偏振部分偏振光强变化光强变化三、反射和折射时光的偏振三、反射和折射时光的偏振q自自然然光光入入射射时时，反反射射光光与与折折射射光光一一般般不不再再是是自自然然光光，而而是是部部分分偏偏振振光光。反反射射光光中中垂垂直直于于入入射射面面的的光光振振动动多多于于平平行行于于入入射射面面的的光光振振动动，折折射射光光中中平平行行于于入入射射面面的的光光振振动动多多于于垂垂直直于于入入射射面面的的光光振动。振动。垂直时垂直时三、反射和折射时光的偏振三、反射和折射时光的偏振q布儒斯特定律布儒斯特定律当反射光和折射光的传当反射光和折射光的传播方向互相垂直时，反播方向

9、互相垂直时，反射光为振动面垂直于入射光为振动面垂直于入射面的线偏振光，折射射面的线偏振光，折射光为部分偏振光。光为部分偏振光。i0称称为为起偏振角起偏振角或或布儒斯特角布儒斯特角：i0+r=90 三、反射和折射时光的偏振三、反射和折射时光的偏振i0+r=90 布儒斯特定律布儒斯特定律(1812年年)若若 n1=1.00(空气空气)，n2=1.50(玻璃玻璃)，则：，则：q一一般般情情况况下下反反射射光光很很弱弱（15%），而而透透射射光光很很强强并并且且总总是是部部分分偏偏振振光光，当当入入射射角角为为布布儒儒斯斯特特角角时时，入入射射光光中中与与入入射射面面垂垂直直的的分分量量反反射射一一部

10、部分分，透透射射一一部分，而与入射面平行的分量则部分，而与入射面平行的分量则100%全部通过。全部通过。三、反射和折射时光的偏振三、反射和折射时光的偏振这这样样透透射射光光穿穿过过玻玻璃璃片片堆堆后后，基基本本上上就就是是具具有有一一定定光光强强的的完完全全线线偏振光了。偏振光了。四、双折射现象四、双折射现象1.一一束束入入射射光光在在各各向向异异性性介介质质中中折折射射为为两两束束光光的现象称为的现象称为双折射现象双折射现象。方解石方解石（CaCO3）双折射现象双折射现象q在在双双折折射射晶晶体体内内的的两两束束折折射射光光，一一束束遵遵循循折折射射定定律律，称称之之为为寻寻常常光光(Ord

11、inary Light)，记记为为o光光，另另 一一 束束 不不 遵遵 循循 折折 射射 定定 律律，称称 之之 为为 非非 常常 光光(Extraordinary Light)，记为记为e光光。q实验表明，实验表明，o光和光和e光均为线偏振光光均为线偏振光。四、双折射现象四、双折射现象q双双折折射射晶晶体体内内有有特特殊殊方方向向，光光沿沿此此方方向向传传播播时时不发生双折射现象，该方向称为晶体的不发生双折射现象，该方向称为晶体的光轴光轴。单轴晶体：方解石、石英、红宝石、冰。单轴晶体：方解石、石英、红宝石、冰。双轴晶体：云母、蓝宝石、橄榄石、硫磺。双轴晶体：云母、蓝宝石、橄榄石、硫磺。q方方

12、解解石石晶晶体体为为平平行行六六面面体体，其其光光轴轴是是通通过过全全由由钝角钝角102组组成的两个成的两个顶顶点的体点的体对对角角线线的方向。的方向。四、双折射现象四、双折射现象q光光线线主主平平面面(Principal Plane)：与与光光轴轴所所确确定定的平面。的平面。o光的偏振方向垂直于光的偏振方向垂直于o光的主平面，也垂直于光的主平面，也垂直于光轴。光轴。e光的偏振光的偏振方向平行于方向平行于e光的主平面。光的主平面。四、双折射现象四、双折射现象q在在晶晶体体中中，折折射射o光光与与入入射射光光总总在在同同一一入入射射面面内内，则则o光光主主平平面面与与入入射射面面总总是是重重合合

13、的的。而而e光光未未必必在在入入射射面面内内，即即e光光主主平平面面未未必必与与入入射射面面重重合合，这意味着这意味着e光与光与o光主平面不重合。光主平面不重合。q当当光光轴轴在在入入射射面面内内，o光光、e光光主主平平面面均均与与入入射射面面重重合合，o光光偏偏振振方方向向垂垂直直于于入入射射面面，e光光偏偏振振方方向向平平行行于于入入射射面面，o光光与与e光光的的偏偏振振方方向向严严格格互互相垂直。相垂直。四、双折射现象四、双折射现象q双双折折射射晶晶体体的的作作用用类类似似于于两两个个透透振振方方向向互互相相垂垂直的起偏器。直的起偏器。q自自然然光光入入射射，光光强强为为I，在在晶晶体体

14、内内部部，o光光和和e光光光强相等。光强相等。四、双折射现象四、双折射现象q光光在在各各项项异异性性介介质质中中传传播播时时，产产生生双双折折射射的的根根本本原原因因是是o光光、e光光在在晶晶体体中中的的折折射射率率不不同同，或或者者说二者的传播速度不同。说二者的传播速度不同。q在在单单轴轴晶晶体体中中，光光的的传传播播速速度度是是和和光光振振动动方方向向与光轴的夹角有关的。与光轴的夹角有关的。2.惠更斯波面惠更斯波面四、双折射现象四、双折射现象qo光光：振振动动方方向向总总是是与与光光轴轴垂垂直直，其其速速度度记记为为vo，则则vo大大小小与与o光光的的传传播播方方向向无无关关，其其波波面面

15、为为简简单球面。单球面。四、双折射现象四、双折射现象qe光光：振振动动方方向向与与含含有有光光轴轴的的e光光主主平平面面平平行行。当振动方向与光轴平行时，其速度记为当振动方向与光轴平行时，其速度记为ve，称为称为e光的主折射率。光的主折射率。当当e光光振振动动方方向向与与光光轴轴垂垂直直时，其速度就是时，其速度就是vo。其其他他情情况况下下，速速度度介介于于vo 和和ve之之间间，所所以以e光光波波面面是是一一个个以以通通过过点点光光源源的的光光轴轴为为转转轴轴的的旋旋转转椭椭球球面，在转轴方向与面，在转轴方向与o光的球形波面相切。光的球形波面相切。四、双折射现象四、双折射现象q正正晶晶体体：

16、vo ve 即即 no ne 如如石石英英，椭椭球球面面在在球球形波面内。形波面内。q负负晶晶体体：vo ve 即即 no ne 如如方方解解石石，椭椭球球面面在在球形波面外。球形波面外。四、双折射现象四、双折射现象q一些晶体在室温时的主折射率一些晶体在室温时的主折射率(589nm)晶体材晶体材料料o 光主折光主折射率射率(no)e 光主折射光主折射率率(ne)双折射双折射率率(ne-no)冰冰13091131040.0013石英石英15442155340.0092方解石方解石1658414864-0.1720电气石电气石16691638-0.031四、双折射现象四、双折射现象3.e 光光在在

17、晶晶体体内内的的传传播播方方向向，无无法法用用折折射射定定律律来来确确定定，可可以以根根据据惠惠更更斯斯原原理理用用复复合合波波面面的的作作图图法来求得。法来求得。q自自然然光光入入射射到到晶晶体体上上时时，波波阵阵面面上上的的每每一一点点都都可可以以看看作作为为子子波波源源，向向晶晶体体内内发发出出球球面面子子波波和和椭椭球球面面子子波波。作作所所有有各各点点所所发发子子波波的的包包络络面面，既既得得晶晶体体中中 o 光光波波面面和和 e 光光波波面面，从从入入射射点点引引向向相相应应子子波波波波面面与与光光波波面面的的切切点点的的连连线线方方向向就就是所求晶体中是所求晶体中o 光、光、e

18、光光的传播方向。的传播方向。四、双折射现象四、双折射现象光轴平行于晶体表面并平行于入射面光轴平行于晶体表面并平行于入射面q以下几种情况，均是以负晶体以下几种情况，均是以负晶体(如方解石如方解石)为例。为例。o,e 光光在在方方向向上上虽虽没没分分开开，但但速速度度上上是是分分开开的的，仍是两束光。仍是两束光。还是还是有双折射。有双折射。四、双折射现象四、双折射现象光轴平行于晶体表面和入射面光轴平行于晶体表面和入射面四、双折射现象四、双折射现象光轴平行于晶体表面但垂直于入射面光轴平行于晶体表面但垂直于入射面晶体晶体 光轴光轴iroreo votveteo ect除除o光外，光外，e光也满光也满足

19、折射定律，即足折射定律，即四、双折射现象四、双折射现象光轴垂直于晶体表面光轴垂直于晶体表面此此时时o光光、e光光传传播播方方向向都都一一样样，看看不不到到双双折折射射现象。现象。四、双折射现象四、双折射现象 4.晶体的二向色性晶体的二向色性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，这叫光的吸收有很大差异，这叫晶体的晶体的二向色性二向色性。光轴光轴e光光电气石电气石光轴光轴电气石对电气石对o光有强光有强烈吸收，对烈吸收，对e光吸光吸收很弱，用它可产收很弱，用它可产生线偏振光。生线偏振光。四、双折射现象四、双折射现象 5.格兰格兰汤姆孙棱镜汤姆孙棱镜利利用用二二向向色色性性获获得得的的偏

20、偏振振光光不不够够纯纯，强强度度也也不大。不大。偏振棱镜偏振棱镜可得高质量的线偏振光。可得高质量的线偏振光。光轴光轴光轴光轴方解石方解石方解石方解石加加拿拿大大树树胶胶(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)四、双折射现象四、双折射现象 光在第一个棱镜中是光在第一个棱镜中是 o 光，在交界面光，在交界面 全反射。全反射。光轴光轴光轴光轴方解石方解石方解石方解石加加拿拿大大树树胶胶(n=1.55)oe吸收涂层吸收涂层ino(1.6584)n(1.55)ne(1.4864)光在第一个棱镜中是光在第一个棱镜中是 e 光，第二个棱光，第二个棱 镜的作用是使镜的作用是使 e 光不偏离入射方向。光不偏离入射方向。四、双折射现象四、双折射现象