光学课件09光的偏振2缩减.ppt

1,光的偏振,§1 光的偏振态 一、自然光与偏振光 二、偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律 三、反射光与投射光的偏振态 §2 双折射现象 一、双折射现象与重要概念Birefringence 二、主轴、主平面、主截面 三、晶体的主折射率、正晶体、负晶体 四、晶体中光传播方向的惠更斯作图法,2,光通过双折射晶体,Birefringence:一束光入射到各向异性的媒质中分成两束光的现象一、双折射现象 birefrigence,3,以入射线为轴,转动方解石,光点o不动，e 绕o转； o光e光都是偏振光，且偏振方向互相垂直所以，利用双折射现象也可以获得线偏振光4,寻常光线（o光）(ordinary rays),非常光线（e光）(extraordinray rays),（一般情况，非常光线不在入射面内）,实验证明： O 光和 光均为偏振光.,5,,寻常光线 在晶体中各方向上传播速度相同.,常量,非常光线 晶体中各方向上传播速度不同,随方向改变而改变.,为主折射率,( 垂直于光轴方向上的速度）,6,方解石晶体,光轴 当光线沿着某一方向传播时不发生双折射现象，称这一方向为晶体的光轴.,二、光轴、主平面、主截面,只有一个光轴的晶体称单轴晶体， 如方解石、石英,冰等； 有两个光轴的晶体称双轴晶体, 如云毋、硫磺，兰宝石等。

（本章只讨论单轴晶体的双折射）,7,O 光振动其主平面;,实验表明:,e光振动在其主平面内,o光，e光的主平面可能重合，也可能不重合；,主平面：晶体中某条光线与晶体光轴构成 的平面,称为该光线的主平面主截面：当光在一晶体表面入射时，此表面的 法线与光轴所成的平面.,当入射面是主截面时,o光的振动垂直主截面, e光的振动平行于主截面.,8,三、晶体的主折射率，正晶体、负晶体,o光的次波，各方向传播的速度均为v0，点波源波面为球面,振动方向始终垂直其主平面.(如图),o光只有一个光速vo，一个折射率no.,惠更斯研究双折射现象提出:在各向异性的晶体中,次波源会同时发出o光、e光两种次波.,e光的次波,各方向传播的速度不同点波源波面为旋转椭球面,振动方向始终在其主平面内.（如图）,e光在平行光轴方向上的速度 与o光的速度相同为v0;,e光在垂直光轴方向上的速度与o光的速度 相差最大，记为 ve，其相应的折射率为 ne.,9,n0 ，ne称为晶体的主折射率.,正晶体： ne＞no (ve＜ vo)， 如石英、冰等负晶体： ne＜no,(ve ＞vo)， 如方解石、红宝石等10,,,,,(a)各向同性媒质,(b) 单轴晶体,画图步骤：,1.画出平行的入射光束，边缘光线与晶体界面的交点为A，B’,2. 由先到界面的A点作另一边缘线的垂线AB，此为入射光的 波面。

求出B到B’的时间,3.以A为中心， 为半径在折射媒质中作半圆，这是另一边缘 光线到达B’时由A点发出的次波面o光）,四、晶体中光传播方向的惠更斯作法,（入射面包含光轴或垂直光轴）,负晶体(ve＞vo),11,4.通过B’点作上述半圆的切线（实际上是切面），这就是 折射线中o光的波面,5.从A连接到切点A’的方向便是o光的方向6. 以A点为中心点，在光轴方向上作一个与半球面相切的半 椭圆，其另外的半主轴长为,7.从B’点作上述半椭圆的切线，这是e光的波面,8.从A连接到上述切点的方向便是e光的方向图（b）中主截面与入射面重合（即纸平面），从而两个切点与两折射线都在此同一个平面内同时这个平面也是两折射线的主平面则o光的振动方向垂直纸面，e光的振动方向平行纸面12,1. 光轴‖晶体表面， 自然光入射:,o, e在方向上虽没分开，但速度上是分开的，一快光(e光)一慢光(o光) ∴ 还是有双折射的e光,o光的振动方向如何？方法：先找它们的主平面2. 光轴晶体表面， 自然光入射:,在光轴的方向上，o光e光的传播方向均沿着光轴方向，且波面重合，两折射光线的速度相同即没有发生双折射现象13,3. 光轴∥晶体表面，且 入射面，自然光斜入射,此种情况下，在入射面（纸）内，o光，e光都满足折射定律，,o光、e光的振动方向如何？,4. 光轴与晶体表面斜 交，自然光  入射,,,,,,,,,,,,,,,·,·,·,·,·,·,o e,晶体,光轴,,,,,,,,,,,,,·,·,·,·,e,方解石,光轴,,,,·,·,,,,,,·,·,,,,,,,·,·,,,,,,,o e,o,注意:此时e光的波面不再与其传播方向垂直了。

14,作业：,1. 试用惠更斯作图法分别求光轴平行于折射表面及垂直于折射表面的情况下，光线斜入射时e光与o光的传播方向 2. 由双折射晶体（no=1.50，ne=1.60）做成等腰直角棱镜ABC，光轴与AC平行，如图一束自然光在空气中从AB面垂直入射，试用惠更斯作图法定性地画出从棱镜中射出地光的方向,,,,,,A,B,C,,,15,§3 晶体偏振器件,1. 晶体的二向色性、晶体偏振器,某些晶体对o光和e光的吸收有很大差异，这就是晶体的二向色性.,例如,电气石对o光有强烈吸收，对e光吸收很弱，用它可产生线偏振光：(晶体偏振器),2. 偏振棱镜,偏振棱镜可得高质量的线偏振光16, 例1. 格兰-汤姆逊偏振棱镜,光轴的取向使o光、e光对应的 恰是主折射率no、 ne no (1.6584)＞n (1.55)＞ne(1.4864),17,对第一个棱镜是e光，它绝大部分透射，并且 沿入射方向射出第二个棱镜，即为所要的 非常纯的线偏振光 (入射光可有约10 0 范围内偏差).,no (1.6584)＞n (1.55)＞ne(1.4864),18, 例2.沃拉斯顿棱镜,光从棱镜1进入棱镜2时： o光(点)变e光 光密光疏 折射角＞入射角; e光(道)变o光,光疏光密 折射角＜入射角， 二者分开。

进入空气后,均是由光密→光疏， ∴ 可得到进一步分开的二束线偏振光偏光分束镜）,no (1.6584) ＞ne(1.4864),19,试求当一束自然光入射时，从棱镜出射 的o光和e光的夹角i1,振动方向垂直于图面的一支光进入第二块棱镜后是e光，传播速度改变，则在界面处发生折射，由于光轴垂直入射面，可由折射定律求e光折射角20,§4 椭圆偏振光和圆偏振光,一.椭圆偏振光和圆偏振光的获得,二.椭圆与圆偏振光的检偏,晶片：光轴平行表面的晶体薄片21,规定：迎着光线看， 光矢量顺时针转的称右旋圆偏振光 （或椭圆偏振光）；,光矢量逆时针转的称左旋圆偏振光 （或椭圆偏振光）22,通过厚度为d的晶片， o、e光产生相位差：,它正是惠更斯作图法的例1(晶体中一快一慢),晶片也称为相位延迟器.,1.晶片：光轴平行表面的晶体薄片在晶体内, o、e光的振动方向如何?,o、e光振幅关系：,o光振动是其主平面; e光振动在其主平面内.,迎着光看,入射到晶片上的光振幅 可分解为o光和e光两个振幅如图.,有时常称光轴为e轴.,23,光线在晶片内引起的振动分别为：,从波片中出射的两光线的相位差：,24,,25,2. 波（晶）片,对某个波长而言，当o、e光在晶片中的 光程差为的某个特定倍数时，这样的晶片 叫波晶片，简称波片。

所以, 椭圆(圆)偏振光可用 晶片来获得.,当 时为圆偏振光从晶片出射的是两束传播方向相同、振动 方向相互垂直、频率相等、有恒定相位差 的线偏振光，它们一般合成为一束椭圆偏振光.,26,① 四分之一波片,作用：从线偏振光获得(正)椭圆或圆偏振光,——圆(o光,e光分量的振幅相等),——椭圆,线偏振光(只有平行于光轴的分量),线偏振光(只有垂直于光轴的分量),反之，(正)椭圆或圆偏振光通过四分之一波片可获得线偏振光,27,(正)椭圆或圆偏振光,经1/4波片为什么可以获得线偏振光呢?,因为(正)椭圆或圆偏振光的两个垂直分量已经有了相位差/2, 经1/4波片以后,又有± /2的相位差, 所以出来的就是相位差为0或的线偏振光了.,② 二分之一波片,作用：可使线偏振光的振动面转过一个角度若入射点处线偏振光分解的o、e光同相 则出射点处仍是线偏振光: o、e光反相,28,∴ 若线偏振光入射时, 出射光仍是线偏振光， 只是振动方向转过2角.,当,若入射的是圆偏振光(已有/2),经1/2波片(又有 ),出来仍是圆偏振光,但是,左旋右旋,若入射的是椭圆偏振光,经 1/2 波片,出来仍是椭圆偏振光,但是旋转的方向改变,而且椭圆的长轴转过 2 角.,③ 全波片：,它对波长为的光没有影响（相位延迟了2）。

但是对别的波长的光来说是有影响的.,29,例：波长为589.3cm的一束左旋圆偏振光垂直入射到5.141×10－4cm的方解石波片上，试问投射光束具有什么样的偏振态？已知,解：左旋圆偏振光电矢量的分量：,e光和o光之间的相位差：,显然，该方解石波片是半波片，透射光的分量是：,这是右旋圆偏振光半波片使左旋圆偏振光变成了右旋圆偏振光30,椭圆（圆）偏振光的获得,起偏器,,圆偏振光的获得：起偏器透振方向与1/4波片的光轴方向成45o角,31,圆偏振光的产生,第一，两个偏振片P1、P2置于光路中，转动其一达到消光为止，这表明此时两个透振方向正交 第二，将四分一波片插入P1、P2之间，此时一般不消光；转动四分一波片达到消光为止，在转动过程中将出现4次的消光，说明此时四分一波片光轴方向与其中一个偏振片的方向平行 第三，顺时针或逆时针转动P1 45度，便可保证P1的透振方向与四分一波片的光轴方向的夹角为45度，从波片出射的为圆偏振光 我们还可以转动第二个偏振片P2予以检验，在转动过程中出射光强应该始终不变32,二.椭圆与圆偏振光的检偏,用1/4 波片和偏振片 P 可区分出 自然光和圆偏振光 或部分偏振光和椭圆偏振光。

33,34,四分之一波片,偏振片（转动）,以入射光方向为轴,,四分之一波片,偏振片（转动）,光轴平行最大光强或最小光强方向放置或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置,,,35,总之，用一个已知的1/4波片和一个检偏器，就可以完全确定入射椭圆偏振光的状态这对椭圆偏振光的分析技术有十分重要的应用 一般说来，一束已知状态的线偏振光经过一个未知表面的反射后会成为一束椭圆偏振光，此椭圆偏振光的方位、长短轴之比等信息反映了这个未知表面的光学性质 如果是大块材料的表面，则反映了该材料的折射率、吸收系数等性质 如果是带有已知性质基底底薄膜，则反映了薄膜的光学性质，如折射率、厚度等 利用线偏振光反射后形成的椭圆偏振光进行分析而测定材料表面或薄膜的光学性质的仪器称为椭圆偏振仪它常用来测量金属、介质、半导体及其薄膜的折射率、消光系数、厚度、色散及其非均匀性36,37,§5 偏振光的干涉,单色自然光通过一个偏振片以后，垂直射在光轴平行于表面的晶片，从晶片出来的是两束传播方向相同、振动方向相互垂直、频率相等、有恒定相位差的线偏振光 它们能否干涉？,后面再放一个偏振片P2,P2后面就可以看到干涉.,38,(忽略吸收和其它损耗) 由振幅矢量图，知：,通常是让P1P2,使干涉可见度好。

可见,由振幅矢量图的投影关系知,A20和A2e的正方向相反，所以有附加相差 . （若P1、P2夹角小于，则无附加相差）39,∴ 通过 P2 后两束偏振光的相位差为,光强 I  A220+A22e+2A20A2ecos,----相长干涉，亮,----相消干涉，暗,（k=1,2,3 ----）,,40,若单色光入射，且d均匀，当偏振片P2转动时， 则屏上出现均匀的亮暗变化若单色光入射，且d不均匀， 则屏上出现等厚干涉条纹若白光入射，而d 均匀， 则屏上由于某种颜色干涉相消，另一些颜色干涉相长， 而呈现它的互补色如红色（或蓝色）相消→显绿色 （或黄色），这叫（显）色偏振.若转动偏振片P2时。