物理光学总复习2.ppt

第四节 衍射光栅 uu光栅光栅任何一种衍射单元周期性地、取向有序的重复排列所形成的阵 列，统称为光栅 (grating) 一维光栅是最简单且最早被制成的Ø 分类结构一维二维三维透射式反射式(闪耀光栅)由大量等宽等间距的平行狭缝( 或反射面)所构成一维光栅功能透射式反射式光栅常数(光栅周期)缝(透光部分)宽度 a不透光部分宽度 b衍射角相同的光线，会聚在接 收屏的相同位置上光栅常数与光栅单位长度的刻 痕数 N 的关系 单缝的夫琅和费衍射图样，不随 缝的上下移动而变化uu光栅衍射光栅衍射S装置和现象（Device and phenomenon） L1EA： 光栅E： 屏幕L1、L2: 透镜d中央明纹ACharacteristics of fringes: bright、sharp、scattered. 条纹特点：亮、细、疏L2D是多缝衍射相邻缝对应点相位差之半P点的光强缝间多(N)光束 干涉干涉因子单缝衍射 衍射因子Ø 衍射屏上强度分布单缝边缘两点在P点引起的位相差的一半极小值:缺级：缺 级缺 级I1245-1-2-4-5主要公式极大值：谱线的半角宽度强度特点强度特点光栅光谱：复色光照射时，同一级次不同波长的衍射主极大值位置不同，从而形成的一组不同波长彼此分开的锐细的彩色谱线。

光栅光谱仪：基于光栅衍射分光原理工作的光谱仪——摄谱仪、 单色仪、分光计光栅光谱仪原理L2平行光管蓝 绿 红白 光 光 源L1S0级衍射光栅光栅方程的普遍形式可写为 考察与入射光同一侧的衍射光谱时，上式取正号，在考察与入射 光异侧的衍射光谱时，上式取负号 Ø 光栅光谱仪的特性（色散本领 色分辨本领 色散范围）1. 角色散本领光栅的色散:除零级外，不同波长的同一级主极大对应不同的衍射角的现象线色散本领与 f 相关2. 色分辨本领：3. 自由光谱范围m 级光谱线的色散范围：说明： 1.光栅光谱仪的三个性能指标Dθ，Dl，A，各有独立功能，彼 此 不能代替，在设计使用光栅光谱仪时，要考虑三者的协调一 致 比如，大光栅应当配置长焦距的反射镜，以使后者有比较大 的 线色散，以与大光栅的高分辨率相匹配当dλ时，只能有0级存在，即不能产生衍射分光效应，因此 不能盲目选用d值最小的光栅说明： 1.光栅光谱仪的三个性能指标Dθ，Dl，A，各有独立功能，彼 此 不能代替，在设计使用光栅光谱仪时，要考虑三者的协调一 致 比如，大光栅应当配置长焦距的反射镜，以使后者有比较大 的 线色散，以与大光栅的高分辨率相匹配2.2.一台光栅光谱仪常配备有几块不同周期的光栅，供使用者根据一台光栅光谱仪常配备有几块不同周期的光栅，供使用者根据 代测谱范围作出恰当选择，这时绝对不能选代测谱范围作出恰当选择，这时绝对不能选d≤d≤λλ§1偏振光的概述 §2双折射和晶体的介电张量 §3平面波在晶体中的传播规律 §4平面波在晶体界面的反射和折射 §5偏振光的产生与检测—晶体光学器件析 §6偏振的矩阵表示 §7偏振光的干涉 §8旋光效应 §9电光效应第五章 光的偏振§5§5-1 -1 偏振光的概述偏振光的概述FF偏振态：偏振态：自然光、完全偏振光（包括线偏振光、圆偏振光、椭圆 偏振光）和部分偏振光 注意：在与传播方向垂直的二维空间内，光矢量可能有各式各样的振动状态，我们将之称为光的偏振态。

FF光波是电磁波，光是横波光波是电磁波，光是横波光的横波性：光矢量与光的传播方向垂直，如右图所示FF振动方向随时间完全无规则地随机分布，振动方向随时间完全无规则地随机分布，在垂直于光传播方向的在垂直于光传播方向的 平面内，沿各个方向都有光振动，且各个方向光矢量的振幅相等平面内，沿各个方向都有光振动，且各个方向光矢量的振幅相等 的光的光1.1.自然光自然光普通光源（如太阳、电灯等）发出的即为自然光 自然光可以用两个相互垂直的、大小相等的光矢量来表示 x xy y二．完全偏振光完全偏振光：振动方向随时间有规律变化的光按光矢量端点轨迹不同，又可以将偏振光分为三种类型： 线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光线偏振光圆偏振光椭圆偏振光n光矢量只沿一个固定方向振动的光(又称平面偏振光)振动面振动面光矢量光矢量（一）线偏振光（一）线偏振光同一时刻，光传播方向上各点的光矢量都分布在同一平面内，故又称之为平面偏振光 线偏振光的线偏振光的 表示方法：表示方法：n在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量以一定的频率旋转 矢量端点轨迹为椭圆时称其为椭圆偏振光，轨迹为圆时称 其为圆偏振光（二）（二）圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光FF在垂直于光传播方向的平面内，各方向都有光振动，但振幅在垂直于光传播方向的平面内，各方向都有光振动，但振幅不等，在不等，在某一个方向的振动比其它方向占优势某一个方向的振动比其它方向占优势的光的光三三 部分偏振光部分偏振光设强度的极大和极小分别是Imax和Imin用偏振度P来衡量部分偏振光偏振程度的大小自然光有P＝0，完全线偏振光的P＝1部分偏振光的部分偏振光的 表示方法：表示方法：自然光 （非偏振光）一 般 光 源 发 出 的 光圆 偏 振 光椭 圆 偏 振 光左 旋右 旋偏振态的分类部分偏振光完全偏振光左 旋右 旋平面偏振光（线偏振光）一般，用单色光讨论偏振态。

u 光通过单轴晶体时的双折射现象Ø 双折射现象2.寻常（o）光和非寻常（e）光自然光入射到各向异性介质中， 折射光分成两束的现象1. 双折射in1 n2rore(各向异 性介质)自然光o光e光o光折射线在入射面内o光 ： 遵从折射定律{e光折射线不一定在入射面内e光 ： 一般不遵从折射定律{Ø 几何作图法 利用晶体的光线曲面和惠更斯原理，通过作图法可以求出o光 和e光的传播方向设自然光入射，讨论其斜入射在负单轴晶体（方解石）表面且 光轴与界面成一定角度的一般情况 (1)画出入射光的波面AB (2)根据光轴方向，在入射点处作出光线 曲面与入射面的截线图单轴晶体中， 光线曲面是一个双层曲面，由一个球面 和一个旋转椭球面构成，两者在光轴方 向上相切 1. 作图法的基本步骤3)过B’作球面的切面B’O和椭球 面的切面B’E，这两个平面分别是o光波面和e光波面连接入射点和切点得的两矢径——AO和Ae，它们分别表示晶体中o光和e光的光线方向 4)由A点作切面B’E的垂线则可e光的波法线方向ke 显然，对于光轴与界面斜交（光轴在入射面内）且光波斜入射的情况下，o、e光线分离，发生双折射 2. 平面波正入射时的几种特殊情况 （1）光轴在入射面内且平行于界面 此时o、e光线方向相同，波法线方向也一致，但二者的波面彼此分开说明它们的传播速度不同，发生了双折射 （2）光轴在入射面内且垂直于界面 此时o、e光的波面重合，o、e方向相同，波法线方向也一致， 这说明o、e光的传播速度和方向 都相同，没有双折射现象发生 （3）光轴垂直于入射面且平行于界面 光轴垂直于入射面取向时，o、e光线 面的截线均为圆，即使改变入射光的 方向，此时光线面上所对应的矢度 ，改变的只是矢径的方向。

因此可利 用折射（反射）定律地确定o、e光线 的方向 （4）光轴在入射面内且与界面斜交 此时o、e光的波法线方向相同， 但e光的光线与波法线方向不一致 ，所以o、e光线分离，产生双折射第五节 偏振光的产生与检测 － 晶体光学器件u线偏振光的产生——起偏器从自然光中获得线偏振光的方法一般有四种：(1)利用反射和折射——布儒斯特定律 (2)利用散射——与入射光方向垂直的散射光是完全偏振光 (3)(3)利用二向色性(4)利用晶体的双折射自然光通过偏振片后变为线偏振光，称为自然光通过偏振片后变为线偏振光，称为起偏起偏Ø布儒斯特定律布儒斯特角布儒斯特角布儒斯特定律说明：说明： Ê i= ii= i0 0时，反射光为线偏振光，而时，反射光为线偏振光，而折射光仍然是部分偏振光折射光仍然是部分偏振光，但，但 此时偏振化程度最高此时偏振化程度最高Ì让自然光通过玻璃片堆，可使折射光的偏振化程度增加玻 璃片足够多时，可使折射光为完全偏振光Ø 二向色性——选择吸收产生线偏振光 有些晶体对不同方向的电磁振动具有选择吸收的性质，即对 不同振动方向的偏振光有不同的吸收系数，这种特性称为二 向色性 天然电气石晶体: 其长对角线为其光轴，即透振方向 当光线射在晶体表面时，振动方向 与与光轴平行的光矢量被吸收得较 少，光可以较多地通过；而振动方 向与光轴垂直的光矢量被吸收得较 多，通过的光很少。

足够厚的电气石晶体，可作为产生线偏振光的起偏器 偏振片偏振片偏振化偏振化 方向方向偏振片：偏振片：吸收某方向光振动，而与其垂直方向的光振动能通过吸收某方向光振动，而与其垂直方向的光振动能通过的装置的装置偏振化方向：偏振化方向：能通过光振动的方向能通过光振动的方向Ø 偏振棱镜——晶体双折射产生线偏振光 思路：单轴晶体中的o光和e光都是线偏振光，若能将它们分开，就可以获得线偏振光 方法：将晶体制成各种偏振棱镜，利用双折射以获得线偏振光 偏振棱镜分为两类 单束偏振棱镜：尼科尔棱镜 ，格兰棱镜，格兰棱镜 双束偏振棱镜：渥拉斯顿棱镜 ，洛匈棱镜，洛匈棱镜 （1）尼科尔棱镜 1. 单束偏振棱镜（偏振起偏棱镜） 结构：尼科尔棱镜由方解石制成 ，方解石，单轴负晶体，方解石，单轴负晶体 取长度约为宽度三倍的窄长方解石斜方六面体将端面研磨抛光至68o将斜方体沿着垂直于主截面及两端面切开，把切面抛光后再用加拿大树胶粘合在一起，并在四周涂上消光材料，即成一个尼科尔棱镜 加拿大树胶加拿大树胶方解石方解石 晶体晶体（2）格兰棱镜 尼科尔棱镜的缺点：出射光和入射光不在同一直线上，使用起来不方便结构：由两块直角方解石棱镜组成，光轴方向既平行于端 面又平行于斜面 工作原理：自然光正入射，o、e光都不偏折，它们在斜面上的入射角 等于棱镜斜面与直角面的夹角θ， 合理选择 θθ，，在一定孔径角范围内，在一定孔径角范围内， o o光会因全反射而被消光材料吸收，光会因全反射而被消光材料吸收， 而而e e光通过，得到线偏振光光通过，得到线偏振光 格兰棱镜2. 双束偏振棱镜特点：一束光通过这种棱镜后，输出 两束有一定夹角的振动方向互相垂直 的线偏振光 （1）渥拉斯顿棱镜结构：渥拉斯顿棱镜是由两块直角方解石棱镜胶合而成，但 这两个棱镜的光轴互相垂直 ·振动振动振动振动nononene第一棱镜第一棱镜第二棱镜第二棱镜nenenono光密光密 → → 光疏光疏光疏光疏 → → 光密光密自然光正入射，棱镜I中产生的o光和e光双折射但不分开（2）洛匈棱镜自然光正入射时，折射光无偏折地在棱镜I中传播；由于是沿 着光轴方向，所以无双折射 进入棱镜II后，垂直纸面的光矢量成为e光。

相当与光密介质射 入光疏介质，折射角大于入射角，光线向上偏折；而；而o o光沿原方光沿原方 向无偏折地通过向无偏折地通过 由于o－o光不发生偏折，因此白光入射时，得到无偏折通过 的白线偏振光；偏离法线的e光却是一个有虹彩的光斑，这是 洛匈棱镜的特点u光偏振态的改变——波片问题：（1）圆偏振光和椭圆偏振光如何产生？ 可取特定厚度的晶体制成波片 （位相延迟器）来产生圆或椭 圆偏振光 解决思路：解决思路： o o光和光和e e光由同一光矢量分解而得，在传播方光由同一光矢量分解而得，在传播方向任一点它们有固定的位相差向任一点它们有固定的位相差光轴（（2 2）如何将光由一种偏振态转换为另一种偏振态？）如何将光由一种偏振态转换为另一种偏振态？ 偏振片光轴穿过穿过d d厚度后，厚度后，o o光和光和e e光得光程差为：光得光程差为：o o光和光和e e光的光的振幅振幅 分别为：分别为：o o光和光和e e光得相位差为：光得相位差为：Ø 波片ÊÊ 当当δδ= =k kлл时，轨迹为一条直线此时椭圆偏振光退化为线偏光时，轨迹为一条直线此时椭圆偏振光退化为线偏光ËË 当当δ δ ≠ ≠k kл л时，轨迹为一椭圆时，轨迹为一椭圆位相差为：位相差为：讨论：讨论：ÌÌ 当当δ δ = = k。