大学物理第13章光的偏振.ppt

第第13章章 光的偏振光的偏振13.1 光的偏振状态光的偏振状态13.2 起偏与检偏起偏与检偏13.4 椭圆（圆）偏振光椭圆（圆）偏振光13.3 光的双折射光的双折射13.5 偏振光的干涉偏振光的干涉13.6 旋光效应旋光效应3/2/20231DUT 余 虹13.1 光的偏振状态光的偏振状态自然光自然光偏振光偏振光1、线偏振光、线偏振光2、圆偏振光、圆偏振光3、椭圆偏振光、椭圆偏振光自然光自然光+偏振光偏振光=部分偏振光部分偏振光1、部分线偏振光、部分线偏振光2、部分圆偏振光、部分圆偏振光3、部分椭圆偏振光、部分椭圆偏振光返回返回23/2/20232DUT 余 虹1、线偏振光、线偏振光振动面振动面u右旋右旋椭圆偏振光椭圆偏振光2、椭圆偏振光和圆偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光（平面偏振光）（平面偏振光）3/2/20233DUT 余 虹 3、自然光、自然光特点：特点：（1）在垂直光线的平面内，光）在垂直光线的平面内，光矢量沿各方向振动的概率均等矢量沿各方向振动的概率均等.（2）可以看成由两个振动方向）可以看成由两个振动方向相互垂直，振幅相等，互不相相互垂直，振幅相等，互不相干线偏振光的叠加。干线偏振光的叠加。XYZ3/2/20234DUT 余 虹4、部分偏振光、部分偏振光Io 总总 光强光强IP 偏振光的光强偏振光的光强In自然光的光强自然光的光强IP=0 P=0 自然光自然光In=0 P=1 偏振光偏振光偏振度偏振度3/2/20235DUT 余 虹一、偏振片的起偏与检偏一、偏振片的起偏与检偏起偏起偏器器检偏器检偏器一般情况下一般情况下 I =？13.2 起偏与检偏起偏与检偏返回返回23/2/20236DUT 余 虹 二、马吕斯定律二、马吕斯定律I0I=I0 cos2 A=A0cos I=I0 cos2 =IM cos2 ：损耗系；损耗系；IM：旋转旋转P，观察到的最大光强。观察到的最大光强。PI考虑其考虑其他损耗他损耗3/2/20237DUT 余 虹P3既不与既不与P1 垂直，也不与垂直，也不与P2垂直。自然光连续垂直。自然光连续通过三个偏振片后光强不为零。通过三个偏振片后光强不为零。你能说明为什你能说明为什么吗么吗？3/2/20238DUT 余 虹偏振光偏振光布儒斯特角布儒斯特角反射光反射光 垂直入射面振垂直入射面振动的成分多。动的成分多。折射光折射光？部部分分偏偏振振光光布儒斯特布儒斯特 定定 律律三、反射和折射光的偏振三、反射和折射光的偏振3/2/20239DUT 余 虹已知：平行玻璃板上表已知：平行玻璃板上表面反射光是偏振光面反射光是偏振光.？注意：上表面的折射角注意：上表面的折射角等于下表面的入射角等于下表面的入射角 通常玻璃的反射率只有通常玻璃的反射率只有7.5%左右，要以反左右，要以反射获得较强的偏振光，你有什么好主意？射获得较强的偏振光，你有什么好主意？问：下表面的反射光是问：下表面的反射光是否也是偏振光？否也是偏振光？！=3/2/202310DUT 余 虹玻璃片堆玻璃片堆如何检验如何检验偏振度？偏振度？返回返回263/2/202311DUT 余 虹例题例题：画出下列图中的反射光、折射光以及画出下列图中的反射光、折射光以及它们的偏振状态。它们的偏振状态。3/2/202312DUT 余 虹光强为光强为 I I0 的自然光相继通过偏振片的自然光相继通过偏振片P P1 1、P P2 2、P P3 3后光强后光强为为I I0/8/8，已知已知P P1 1 PP3 3，问：问：P P1 1、P P2 2间夹角为何？间夹角为何？解解 分析分析P1P2P3I0I3=I0/8P3P1P2I1I2例题例题3/2/202313DUT 余 虹 一、双折射现象一、双折射现象各向同性媒质：在其中传播的各向同性媒质：在其中传播的光，沿各个方向速度相同。光，沿各个方向速度相同。各向异性媒质：在其中传播的光，各向异性媒质：在其中传播的光，沿不同方向速度不同。沿不同方向速度不同。石英、方解石英、方解石、水晶、玉石石、水晶、玉石e o双双折折射射现现象象遵守遵守 寻常光寻常光（o）no不遵守不遵守非常光非常光（e）n注意注意：寻常、非常指光在折射时寻常、非常指光在折射时 是否遵守折射是否遵守折射定律，定律，o光、光、e光也只在晶体内部才有意义。光也只在晶体内部才有意义。13.3 光的双折射光的双折射 返回返回23/2/202314DUT 余 虹二、光轴二、光轴 主平面主平面 主截面主截面主截面主截面 由晶体的光轴与表面法线决定。由晶体的光轴与表面法线决定。主平面主平面 由光轴与光线决定由光轴与光线决定。o光振动光振动 垂直于垂直于o光光的主平面的主平面。e光振动光振动 平行于平行于 e光光的主平面的主平面。光轴光轴 晶体中的方向，晶体中的方向，沿此方向沿此方向o、e光速光速度相同度相同无双折射。无双折射。单单光轴晶体光轴晶体：石英、方解石石英、方解石双光轴晶体双光轴晶体：云母、黄玉云母、黄玉oe当当入射面和主截面重合时入射面和主截面重合时o光、光、e光光的主平面、主截面三者重合。的主平面、主截面三者重合。3/2/202315DUT 余 虹v0三、主速度、主折射率三、主速度、主折射率沿沿光轴方向光轴方向e、o光速度相同光速度相同负负晶晶体体正正晶晶体体vo、ve 称晶体的主速度，相应的折射率no、ne 称晶体的主折射率.vevevo3/2/202316DUT 余 虹玻璃四四、利用双折射获得线偏振光、利用双折射获得线偏振光1 1、格兰格兰汤姆孙棱镜汤姆孙棱镜（偏光镜（偏光镜）吸收涂层吸收涂层 方解石方解石 Zo 光几乎不改变方向；光几乎不改变方向；可以由可以由计算出计算出e 光的光的全反射临界角全反射临界角e 光在方解石界面上光在方解石界面上全反射后被吸收。全反射后被吸收。3/2/202317DUT 余 虹前一半2 2、沃拉斯顿棱镜（偏光分束镜、沃拉斯顿棱镜（偏光分束镜）方解石方解石 no neo光光e光光e光光后一半o光光注意注意：光在两块方解石光在两块方解石 中都是垂直光轴传播。中都是垂直光轴传播。折射角小于入射角折射角小于入射角折射角大于入射角折射角大于入射角ZZ3/2/202318DUT 余 虹对对o 光和光和e 光的吸收有很大差异光的吸收有很大差异。电气石电气石Z1 1mmmm厚厚的的电电气气石石可可将将 oo光光吸吸收收净净，ee光光却却有有剩剩余余可可制制成偏振片。成偏振片。33、二向色性晶体、二向色性晶体3/2/202319DUT 余 虹主主截截面面 一束线偏振光垂直射入一块方解石，入射前光矢量一束线偏振光垂直射入一块方解石，入射前光矢量方向与晶体的主截面成方向与晶体的主截面成30o角，求：在方解石中角，求：在方解石中o光、光、e光的光强之比。光的光强之比。例题例题 解：垂直射入解：垂直射入主截面、主平面共面主截面、主平面共面Ao30oAeA 若入射光振幅若入射光振幅A3/2/202320DUT 余 虹例题例题 用方解石切割成正三角形截面的棱镜，自然光以用方解石切割成正三角形截面的棱镜，自然光以i 角角入射，定性画出入射，定性画出o光、光、e光的光的振动方向，传播方向。振动方向，传播方向。解：方解石解：方解石负晶体负晶体垂直垂直 光轴方向光轴方向v e vo光轴光轴o光光e光光ie光光o光光 注意：注意：o光、光、e光光只在晶体内部才有只在晶体内部才有意义！意义！3/2/202321DUT 余 虹一、一、波波片片与与相位延迟相位延迟波片特点波片特点光轴平行表面光轴平行表面。光光束束垂垂直直表表面面入入射射，o o光光、ee传播方向相同、速度不同传播方向相同、速度不同光程差光程差 对确定对确定波长而言！波长而言！13.4 椭圆（圆）偏振光椭圆（圆）偏振光出射光附加相位差出射光附加相位差返回返回23/2/202322DUT 余 虹二、椭圆偏振光与圆偏振光二、椭圆偏振光与圆偏振光 Z在前在前表面相位相同表面相位相同圆圆偏偏振光振光其他其他斜椭圆斜椭圆线线偏振光偏振光线偏振光线偏振光 Z到后表面相位差：到后表面相位差：正椭圆正椭圆偏振光偏振光思考：思考：自然光入射，自然光入射，出射光偏振状态如何出射光偏振状态如何？3/2/202323DUT 余 虹三、利用波片改变偏振光的偏振状态三、利用波片改变偏振光的偏振状态线偏振光线偏振光半波片半波片线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光四分之一波片四分之一波片椭圆偏振光椭圆偏振光圆偏振光圆偏振光（振动方向跨光轴转过（振动方向跨光轴转过2）3/2/202324DUT 余 虹圆偏振光圆偏振光自然光自然光椭圆偏振光椭圆偏振光部部 分分 偏振光偏振光光光轴轴平平行行椭椭圆圆偏偏振振光光的长轴或短轴放置的长轴或短轴放置四四分分之之一波片一波片PIM 0旋转旋转P旋转旋转四、区分不同偏振状态的光四、区分不同偏振状态的光 I0I0I0I0IM 0IM ImTo123/2/202325DUT 余 虹单色光入射单色光入射白色光入射白色光入射P1同同频率频率Eo EeEo Ee1、晶片厚度均匀，视场一片均匀、晶片厚度均匀，视场一片均匀。晶片晶片CP22、晶片厚度不均匀，视场出现干涉条纹。、晶片厚度不均匀，视场出现干涉条纹。1、晶片厚度均匀，由于不同波长的光干、晶片厚度均匀，由于不同波长的光干涉结果不同，视场显示一定色彩。涉结果不同，视场显示一定色彩。2、晶片厚度不均匀，视场出现彩色条纹。、晶片厚度不均匀，视场出现彩色条纹。色偏振色偏振13.5 偏振光的干涉偏振光的干涉返回返回23/2/202326DUT 余 虹P1P2P1 P2 Z垂直垂直C表面表面排除双折射的干扰排除双折射的干扰。I=0I迎着光看，随迎着光看，随着空间传播，着空间传播，光矢量光矢量顺顺 时针时针转转 右右旋旋旋光物质旋光物质 逆时针逆时针旋转旋转 左旋左旋旋光物质旋光物质 石英、氯霉素（人工）、葡萄糖。石英、氯霉素（人工）、葡萄糖。石英、氯霉素（人工石英、氯霉素（人工 天然）、果糖。天然）、果糖。一、旋光现象一、旋光现象13.6 旋光效应旋光效应返回返回23/2/202327DUT 余 虹二、旋光本领二、旋光本领前前表表面面溶液旋溶液旋光本领光本领c 溶液的浓度溶液的浓度旋光物质旋光物质后后表表面面固体旋固体旋光本领光本领单位单位3/2/202328DUT 余 虹三、磁致旋光三、磁致旋光迎着光迎着光看：看：沿沿B振动面振动面右右旋旋；逆；逆B振动面振动面左左旋旋。=45o 可制成光隔离器！可制成光隔离器！P铅玻璃、二硫化碳、汽油等在磁场中呈旋光性铅玻璃、二硫化碳、汽油等在磁场中呈旋光性3/2/202329DUT 余 虹不加电场不加电场液体各向同性液体各向同性 P2不不透光透光。加电场加电场液体呈单轴晶体性质（液体呈单轴晶体性质（Z/EZ/E）（k 克尔常数克尔常数）二二次次电电光光效效应应克尔盒相当于半波克尔盒相当于半波片片P2 透光最大透光最大当当13.7 人工双折射人工双折射P1一、一、克尔效应（克尔效应（18751875年）年）克尔盒克尔盒P2-+硝基苯硝基苯高速光开关高速光开关光调制器光调制器 有毒，纯有毒，纯度要求高度要求高 d返回返回23/2/202330DUT 余 虹二、二、泡克尔斯效应泡克尔斯效应(18931893年年)线性电光效应线性电光效应不加电场不加电场单轴晶体单轴晶体 P P2 2 不透光不透光三、三、液晶液晶电控双折射效应电控双折射效应未加未加电场电场加电场加电场加电场加电场晶体变双轴晶体晶体变双轴晶体原光轴方向附加了双折原光轴方向附加了双折射效应射效应P P2 2 透光。透光。半波片半波片泡克尔斯盒泡克尔斯盒磷酸二氢钾磷酸二氢钾P1P2电光晶体电光晶体3/2/202331DUT 余 虹作者作者 余余 虹虹3/2/202332DUT 余 虹