光的偏振与波片精选课件.ppt
关于光的偏振与波片第一页，本课件共有36页背景知识麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组平面电磁波光矢量振动形式平面电磁波光矢量振动形式物质方程物质方程物质方程物质方程物质方程物质方程第二页，本课件共有36页光光光光-横横横横电磁波电磁波电磁波电磁波kDESB(H)第三页，本课件共有36页光光光光-横横横横电磁波电磁波电磁波电磁波自然光自然光自然光自然光在垂直垂直垂直垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量呈对称对称分布任何取向的一个光矢量都可分解为两个相互垂直方向上分解为两个相互垂直方向上分解为两个相互垂直方向上分解为两个相互垂直方向上的分量的分量的分量的分量自然光可分解为两个任意垂两个任意垂两个任意垂两个任意垂直方向上的、振幅相等的独直方向上的、振幅相等的独直方向上的、振幅相等的独直方向上的、振幅相等的独立分振动立分振动立分振动立分振动表示方法表示方法面对光的传播方向第四页，本课件共有36页偏振光偏振光偏振光偏振光一、线偏振光一、线偏振光光矢量只沿某一固定方向振动的光为线偏振光 表示方法表示方法线偏振光也可以用传播方向相同、相位相同或相差、振动相互垂直的两列光波的叠加描述光振动平行纸面光振动垂直纸面第五页，本课件共有36页二、部分偏振光二、部分偏振光部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量都有，但振幅不对称，在某一方向振动较强，而与它垂直的方向上振动较弱部分偏振光的光矢量可分解为两个振幅不等、振动相互垂直的独立分振动 表示方法表示方法定义定义定义定义:垂直纸面的光振动较强平行纸面的光振动较强第六页，本课件共有36页从自然光获得线偏振光的过程称从自然光获得线偏振光的过程称起偏起偏起偏起偏(1)(1)利用偏振片获得偏振光利用偏振片获得偏振光某某些些晶晶体体对对相相互互垂垂直直的的两两个个光光振振动动分分量量具具有有选选择择吸吸收收的的性能，称为性能，称为二向色性二向色性。偏振片的起偏和检偏偏振片的起偏和检偏 马吕斯定律马吕斯定律将将二二向向色色性性的的晶晶体体涂涂敷敷于于透透明明薄薄片片上上，就就成成为为偏偏振振片片。制制成成偏偏振振片片后后，其其上上有有一一特特殊殊的的方方向向，沿沿着着该该方方向向的的光光振振动动不不被被吸吸收收偏偏振振化方向。化方向。用以判断某束光是否是偏振光的器件称作用以判断某束光是否是偏振光的器件称作检偏器检偏器检偏器检偏器(a)(a)二向色型偏振片二向色型偏振片优点优点孔径角几乎达孔径角几乎达孔径角几乎达孔径角几乎达180180180180，可以做的薄且大，价格低廉，可以做的薄且大，价格低廉，可以做的薄且大，价格低廉，可以做的薄且大，价格低廉缺点缺点有颜色，透过率低，消光比差有颜色，透过率低，消光比差有颜色，透过率低，消光比差有颜色，透过率低，消光比差（98%98%），不能用在大功率场合），不能用在大功率场合），不能用在大功率场合），不能用在大功率场合第七页，本课件共有36页自然光自然光I0线偏振光线偏振光I偏振化方向偏振化方向起偏器起偏器自然光经过起偏器后转变成自然光经过起偏器后转变成线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光,强度为入射自然光强度的强度为入射自然光强度的1/2第八页，本课件共有36页(b)(b)散射型偏振片散射型偏振片利用双折射晶体的散射利用双折射晶体的散射起偏起偏光轴光轴光轴光轴光轴光轴光轴光轴NaNO3Zk2优点优点本身无色，对各波长可见光透过率几乎相同，可做较大通光面积，适用于反本身无色，对各波长可见光透过率几乎相同，可做较大通光面积，适用于反本身无色，对各波长可见光透过率几乎相同，可做较大通光面积，适用于反本身无色，对各波长可见光透过率几乎相同，可做较大通光面积，适用于反映自然光各种色光成分的彩色电影和彩色电视中映自然光各种色光成分的彩色电影和彩色电视中映自然光各种色光成分的彩色电影和彩色电视中映自然光各种色光成分的彩色电影和彩色电视中第九页，本课件共有36页在自然光的光路中插入检偏器，屏上光强减半在自然光的光路中插入检偏器，屏上光强减半;检偏器旋转，检偏器旋转，屏上亮暗无变化。屏上亮暗无变化。第十页，本课件共有36页对线偏振光，检偏器旋转一周，光强两亮两暗对线偏振光，检偏器旋转一周，光强两亮两暗对线偏振光，检偏器旋转一周，光强两亮两暗对线偏振光，检偏器旋转一周，光强两亮两暗第十一页，本课件共有36页部分偏振光，检偏器旋转一周，屏上光强两亮两弱部分偏振光，检偏器旋转一周，屏上光强两亮两弱部分偏振光，检偏器旋转一周，屏上光强两亮两弱部分偏振光，检偏器旋转一周，屏上光强两亮两弱第十二页，本课件共有36页 偏振片对光的吸收遵从偏振片对光的吸收遵从马吕斯定律马吕斯定律(马吕斯定律马吕斯定律)消光消光当当;当当偏振化方向偏振化方向平行放置两偏振片，使它们的偏振化方向成平行放置两偏振片，使它们的偏振化方向成6060 夹角。求透射夹角。求透射光的光强与入射光的光强之比是多大？光的光强与入射光的光强之比是多大？例例例例P P P P1 1 1 1P P P P2 2 2 2解解经经P P1 1后后:经经P P2 2后后:第十三页，本课件共有36页一束自然光和线偏振光的混合光，垂直通过一偏振片。当一束自然光和线偏振光的混合光，垂直通过一偏振片。当偏振片以光线为轴旋转一周时偏振片以光线为轴旋转一周时,发现其最大光强为最小光强发现其最大光强为最小光强的的5 5倍，求倍，求入射光中两种光线光强的比值。入射光中两种光线光强的比值。例例设自然光的光强为设自然光的光强为I I0 0,偏振光的光强为偏振光的光强为I I解解入射光中自然光与线偏振光的光强之比为入射光中自然光与线偏振光的光强之比为1/21/2第十四页，本课件共有36页例例有两个偏振片，一个用作起偏器，一个用作检偏器。当它有两个偏振片，一个用作起偏器，一个用作检偏器。当它们的偏振化方向之间的夹角为们的偏振化方向之间的夹角为30o时，一束单色自然光穿过它时，一束单色自然光穿过它们，出射光强为们，出射光强为I I1 1；当它们的偏振化方向之间的夹角为；当它们的偏振化方向之间的夹角为6060o o时，另一束单色自然光穿过它们，出射光强为时，另一束单色自然光穿过它们，出射光强为I I2 2 ，且，且 I I1 1=I I2 2 ，求，求两束单色自然光的强度之比。两束单色自然光的强度之比。解解设第一束单色自然光的强度为设第一束单色自然光的强度为I I1010 ，第二束单色自然光，第二束单色自然光的的强度强度为为I I2020 ，根据马吕斯定律，根据马吕斯定律 第十五页，本课件共有36页(2)(2)反射和折射产生的偏振反射和折射产生的偏振ib 布儒斯特角或起偏角布儒斯特角或起偏角自然光反射和折射后产生部分偏振光自然光反射和折射后产生部分偏振光 ib+=90o 时，反射光为线偏振光时，反射光为线偏振光线偏振光线偏振光布儒斯特定律布儒斯特定律例例 n1=1.00(空气空气)，n2=1.50(玻璃玻璃)，则，则空气空气玻璃玻璃玻璃玻璃空气空气第十六页，本课件共有36页玻璃片堆玻璃片堆线偏振光线偏振光利利用用玻玻璃璃片片堆堆可可使使反反射射光光和和透透射光成为线偏振光射光成为线偏振光入射自然光入射自然光i ib b第十七页，本课件共有36页偏振分光镜第十八页，本课件共有36页(3)(3)利用双折射产生偏振利用双折射产生偏振 方解石方解石一束光入射到各向异性的介质后一束光入射到各向异性的介质后出现两束折射光线的现象。出现两束折射光线的现象。（a）双折射现象双折射现象折射率椭球折射率椭球各向同性介质中，光波偏振可沿各向同性介质中，光波偏振可沿任意任意任意任意方向方向各向异性介质中，光波只有各向异性介质中，光波只有2 2个特许的偏振方向个特许的偏振方向xyDoEoEeDekSez第十九页，本课件共有36页方解石晶体方解石晶体(冰洲石冰洲石)（1 1）光轴是一特殊的方向光轴是一特殊的方向,凡平行于此方向的直线均为光轴。凡平行于此方向的直线均为光轴。（2 2）单轴晶体与双轴晶体。单轴晶体与双轴晶体。光轴光轴78o102o78o102o说明说明 光轴方向光轴方向其其它它方方向向，对对某某些些晶晶体体，(正正晶晶体体,石石英英),),对对另另一一些些晶晶体体 (负负晶晶体体,方解石方解石).).光光在在晶晶体体内内某某个个特特殊殊方方向向传传播播时时，无无双双折折射射现现象。（该方向称为晶体的象。（该方向称为晶体的光轴光轴。）。）光轴光轴 光轴光轴 负负晶晶体体正正晶晶体体第二十页，本课件共有36页顿隅方解石晶体方解石晶体(冰洲石冰洲石)光轴光轴78o102o78o102o第二十一页，本课件共有36页（b）双折射光的特性双折射光的特性两束折射光皆为线偏振光。两束折射光皆为线偏振光。o o 光光在在入入射射面面内内，遵遵从从折折射射定定律律。e e 光光一一般般不不在在入入射射面面内内，且且不不遵遵从从折射定律。折射定律。说明说明 o o光光晶体内沿各方向传播速度相同，晶体内沿各方向传播速度相同，e e光光则随折射方向而变化。则随折射方向而变化。寻常光与非寻常光（寻常光与非寻常光（o o光与光与e e光）光）o 光光e 光光 o o光光折射率不随方向变化折射率不随方向变化,e e光光折射率随方向变化。折射率随方向变化。第二十二页，本课件共有36页 主平面主平面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。光轴与o光构成的平面叫o光主平面。光轴与e光构成的平面叫e光主平面。o光光光轴光轴o o 光光的的主主平面平面e光光光轴光轴e e 光光的的主主平面平面o光光矢量垂直其主平面，e光光矢量在其主平面内。理论表明，当光轴在入射面内，两主平理论表明，当光轴在入射面内，两主平面重合，面重合，o、e光为相互完全垂直的线偏光为相互完全垂直的线偏振光。振光。一般情况下两主平面不完全重合，因而o、e光不完全垂直。光轴光轴e光光o光光第二十三页，本课件共有36页 如果能够将如果能够将 o 光和光和 e 光分开，就能获得偏振光。由此人们制造出了光分开，就能获得偏振光。由此人们制造出了尼科耳棱镜尼科耳棱镜（Nicol prism）。）。方解石晶体中的光轴方向与晶面成方解石晶体中的光轴方向与晶面成450。过光轴与。过光轴与晶面垂直的平面为方解石晶体的晶面垂直的平面为方解石晶体的主截面主截面制作尼科耳棱镜的步骤：制作尼科耳棱镜的步骤：取长度为宽度三倍的优质方解石，对两端晶面进行打取长度为宽度三倍的优质方解石，对两端晶面进行打磨。磨。再过两顶点（这两顶点相邻的顶角均为钝角）作切割再过两顶点（这两顶点相邻的顶角均为钝角）作切割（切割面垂直于主截面）（切割面垂直于主截面）用加拿大树胶将切割面重新粘合起来用加拿大树胶将切割面重新粘合起来 用内壁涂黑的金属筒（上下底为开口）封装。用内壁涂黑的金属筒（上下底为开口）封装。（c）偏振棱镜偏振棱镜a.偏振起偏棱镜偏振起偏棱镜第二十四页，本课件共有36页o光光加拿大树胶加拿大树胶光轴光轴下面分析一下自然光入射后如何得到平面偏振光下面分析一下自然光入射后如何得到平面偏振光(1)入射角入射角 i1=220（方解石晶体对（方解石晶体对 o 光折射率光折射率 no=1.658；沿折射；沿折射方向对方向对 e 光折射率光折射率 ne=1.516），o 光折射角光折射角r1o=130，e 光折射角光折射角 r1e=140；(2)入射到加拿大树胶（对入射光折射率入射到加拿大树胶（对入射光折射率 n=1.55），），o 光入射角光入射角 i2o 770，发生全反射（临界角为，发生全反射（临界角为i0 700），最后从尼科尔棱镜侧），最后从尼科尔棱镜侧壁射出被金属筒吸收；壁射出被金属筒吸收；e 光则不会发生全反射，最后从棱镜另一底面光则不会发生全反射，最后从棱镜另一底面射出，为线偏振光。射出，为线偏振光。第二十五页，本课件共有36页两半棱镜光轴取向平行两半棱镜光轴取向平行两半棱镜光轴取向平行两半棱镜光轴取向平行特点特点激光功率密度极高会破坏胶合层，入射光功率密度有限通光面积通光面积通光面积通光面积连续激光10W/cm2，脉冲激光104W/cm2抗损伤阈值抗损伤阈值抗损伤阈值抗损伤阈值稀缺贵重金属，通光面积520mm孔径角孔径角孔径角孔径角对于钠黄光，o光临界角69若选棱镜低角71.5，棱镜长宽比3:1，有效孔径7若选棱镜低角81，棱镜长宽比6.3:1，有效孔径40增大孔径角，将要求增大棱镜长宽比，耗费更大晶体材料，提高成本第二十六页，本课件共有36页格兰傅科棱镜格兰傅科棱镜格兰傅科棱镜格兰傅科棱镜胶合层空气层目的：目的：目的：目的：提高抗损伤能力方法：方法：方法：方法：要求：要求：要求：要求：效果：效果：效果：效果：连续激光100W/cm2，脉冲激光2104W/cm2优点：优点：优点：优点：适用紫外波段，能承受强光缺点：缺点：缺点：缺点：孔径角不大，对于632.8nm，棱镜长宽比0.83，孔径角8e光在接近临界角的情况下通过方解石-空气界面，反射损耗大，透过率不高第二十七页，本课件共有36页b.偏振分束棱镜偏振分束棱镜两半棱镜光轴取向垂直两半棱镜光轴取向垂直两半棱镜光轴取向垂直两半棱镜光轴取向垂直特点特点马普赫斯棱镜马普赫斯棱镜马普赫斯棱镜马普赫斯棱镜优点：孔径角增大优点：孔径角增大优点：孔径角增大优点：孔径角增大第一块棱镜 第二块棱镜 o光e光偏离棱镜法线e光o光靠近棱镜法线两束光夹角 光线分束角随波长缓慢变化第二十八页，本课件共有36页高消光比，达高消光比，达高消光比，达高消光比，达1010-5-51010-4-4，传输损耗低传输损耗低传输损耗低传输损耗低优点优点通光面积不大，存在孔径角限制，造价昂贵通光面积不大，存在孔径角限制，造价昂贵通光面积不大，存在孔径角限制，造价昂贵通光面积不大，存在孔径角限制，造价昂贵第一块棱镜 第二块棱镜 o光o光无偏折o光e光偏离棱镜法线材料：石英只允许光从左方射入棱镜特殊要求：特殊要求：特殊要求：特殊要求：优点：优点：优点：优点：白光入射，能得到无色散的线偏振光偏振棱镜优缺点偏振棱镜优缺点缺点缺点第二十九页，本课件共有36页（1 1）偏振玻璃：）偏振玻璃：按按布儒斯特角方向拍照，可解决物体表面的反光问题布儒斯特角方向拍照，可解决物体表面的反光问题.讨论讨论 纵波有无偏振现象纵波有无偏振现象?上述了获得偏振光的几种方法上述了获得偏振光的几种方法?偏振光应用实例偏振光应用实例 在在汽汽车车前前窗窗玻玻璃璃及及灯灯上上镀镀上上具具有有偏偏振振化化的的光光学学晶晶体体，使使其其偏偏振振方方向与水平方向成向与水平方向成45450 0，可解决汽车夜间会车问题，可解决汽车夜间会车问题.（2 2）偏振滤光片：）偏振滤光片：5.5.偏振光的检验方法偏振光的检验方法:利用偏振片检验偏振光利用偏振片检验偏振光第三十页，本课件共有36页椭圆偏振光与圆偏振光椭圆偏振光与圆偏振光椭圆偏振光与圆偏振光椭圆偏振光与圆偏振光椭圆偏振光：椭圆偏振光：定义定义圆偏振光圆偏振光:光的振动的大小和方向随时间而不断变化光的振动的大小和方向随时间而不断变化光的振动的大小和方向随时间而不断变化光的振动的大小和方向随时间而不断变化光的振动的大小不随时间变化光的振动的大小不随时间变化光的振动的大小不随时间变化光的振动的大小不随时间变化,而方向随时间而不断变化而方向随时间而不断变化而方向随时间而不断变化而方向随时间而不断变化第三十一页，本课件共有36页利用两频率相同、振动方向相互垂直、相位差为 的简谐振动合成的原理，可以得出：产生产生=2k,o,e光合成线偏振光=（2k+1），线偏振光=（2k+1）/2，圆偏振光其他值，椭圆偏振光第三十二页，本课件共有36页波片波片波片波片光轴和晶面平行的单轴晶片为波片波片定义定义全波片全波片全波片全波片半波片半波片四分之一波片四分之一波片 第三十三页，本课件共有36页半波片线偏振光通过这种晶片后，仍是线偏振光，但其偏振化方向转过了2 圆偏振光入射时，出射光是旋向相反的圆偏振光第三十四页，本课件共有36页四分之一波片作用作用:1.线偏振光振动方向与1/4波片成45度，出射为圆偏振光;2.线偏振光振动方向与1/4波片不成45度，出射为椭圆偏振光;3.圆偏振光通过1/4波片后，变为线偏振光，其振动方向与光轴方向45度;4.椭圆偏振光通过1/4波片后，变为线偏振光，其振动方向与光轴方向的夹角不等于45度。第三十五页，本课件共有36页小结小结波片都是对某一特定波长的入射光产生某一确定的相位变化 入射在波片上的光必须是偏振光，自然光经波片后的出射光仍是自然光 波片的快轴与入射光矢量之间有一定的夹角 波片只能改变入射光的偏振态，而不改变其光强 第三十六页，本课件共有36页
