偏振与双折射优秀课件.ppt

偏振与双折射偏振与双折射第1页，本讲稿共21页提纲v实验目的v实验原理v实验仪器v实验内容v思考题 第2页，本讲稿共21页实验目的观察与了解光在各向异性晶体中传播时产生 的双折射现象和规律观察光的偏振现象，加深对其规律认识了解产生和检验偏振光的器件及仪器掌握一些光的偏振态的鉴别方法和测试技术 第3页，本讲稿共21页实验原理 自然光与偏振光自然光与偏振光 双折射现象双折射现象二向色性二向色性 偏振光的检验偏振光的检验 波片波片位相延迟器位相延迟器 椭圆偏振光通过检偏器的光强椭圆偏振光通过检偏器的光强 第4页，本讲稿共21页自然光与偏振光自然光：光矢量在垂直于传播方向上的各向分布几率相等；线偏振光（平面偏振光）：光矢量方向不变，大小随相位变化，在垂直于光波传播方向的平面上光矢量端点轨迹是一直线；圆偏振光（或椭圆偏振光）：光矢量是随时间作有规律的改变，光矢量的末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹是圆（或者椭圆）；部分偏振光：介于偏振光和自然光之间。第5页，本讲稿共21页 当一束光入射到光学各向异性的介质时，折射光往往有两束，这种现象称为双折射 双折射现象图1 冰洲石的双折射现象 第6页，本讲稿共21页 光在某些晶体中传播时，晶体对o光和e光的吸收是不一样的，此特性称为二向色性。利用这一性质可以用来产生线偏振光 二向色性图2 二向色性 第7页，本讲稿共21页起偏器：将自然光变为偏振光的器件；检偏器：用于检验偏振光的器件。偏振光的检验 若线偏振光之光矢量若线偏振光之光矢量A A与主平面的夹角为与主平面的夹角为，如图如图3 3所示，用矢量分解法，我们可以得到所示，用矢量分解法，我们可以得到o o光和光和e e光的电矢量光的电矢量AoAo和和AeAe（注意：起偏器和检偏器都可以注意：起偏器和检偏器都可以由偏振片来制作由偏振片来制作）：）：图3 马吕斯定律 第8页，本讲稿共21页o光和e光之光强分别为检验：检验：两个偏振片的透光轴夹角为两个偏振片的透光轴夹角为，自然光垂直入，自然光垂直入射。通过起偏器后，变为线偏振光，其振幅为射。通过起偏器后，变为线偏振光，其振幅为A A。通过。通过检偏器后，仍然为线偏振光，但其偏振面转过了检偏器后，仍然为线偏振光，但其偏振面转过了角，其振幅为角，其振幅为AeAe（随随变变 ）图4 偏振光检验 第9页，本讲稿共21页波片：由双折射晶体制成的平板状光学元件，其光轴平行于表面，也称位相延迟器。波片波片位相延迟器位相延迟器如图如图5 5所示，一平面偏振光垂直入射，光矢量所示，一平面偏振光垂直入射，光矢量A A向上，向上，与光轴夹角为与光轴夹角为。则入射光在晶片表面即。则入射光在晶片表面即分解为分解为o o光光和和e e光，光，均沿原方向传播均沿原方向传播。在晶片中，其传播速度。在晶片中，其传播速度是不同的。因此是不同的。因此o o光和光和e e光通过晶片的时间可表示为：光通过晶片的时间可表示为：图5 波片 第10页，本讲稿共21页这样二光线通过晶片就会有一个时间差，进而导致光程差，其对应的位相差可表示为：由上式我们可以将波片分类如下：第11页，本讲稿共21页椭圆偏振光的得到：椭圆偏振光的得到：光通过起偏器后成为线偏振光。光通过起偏器后成为线偏振光。/4/4波片的光轴与起偏器的光轴夹角只要不是波片的光轴与起偏器的光轴夹角只要不是 、。则此线偏振光通过波片。则此线偏振光通过波片C C后就是椭圆偏振光。后就是椭圆偏振光。椭圆偏振光通过检偏器的光强P P1 1、P P2 2 和和/4/4 波片波片C C之光轴如图之光轴如图6 6分布。经过分布。经过P P1 1后后得到的线偏振光的光矢量振幅为得到的线偏振光的光矢量振幅为A A，在波片入射面，在波片入射面上将被分解为上将被分解为e e光和光和o o光，则光，则:图6 光矢量分解图 第12页，本讲稿共21页AeAe、Ao Ao 通过通过/4/4波片波片C C后将产生一位相差后将产生一位相差通过通过C C之后的之后的AeAe、AoAo只有与只有与P P2 2通光面平行之分量通光面平行之分量AeeAee，AoeAoe才能通过才能通过P P2 2，故有：，故有：考虑到Aee与Aoe有一恒定位相差 ，因此它们能够产生干涉现象，合成后的光矢量A2为：第13页，本讲稿共21页实验仪器 本实验在防震光学平台上进行。重要仪器和器材有：激光器、偏振光实验系统、光电信号检测仪。偏振光实验系统中的各种光学器件如：冰洲石（亦名方解石，为负单轴晶体），定光轴冰洲石，起偏器，检偏器，可调分束角棱镜（用来观察光的分束现象）,1/2 波片、1/4 波片,托架。第14页，本讲稿共21页实验内容 观察光学各向异性晶体中的双折射现象观察光学各向异性晶体中的双折射现象 观察观察o o、e e 双输出的偏振态，可调分束角双输出的偏振态，可调分束角 光强光强I I与（两偏振器的）夹角与（两偏振器的）夹角的关系的关系 判别判别/4/4波片与波片与/2/2波片波片 偏振光态势变换偏振光态势变换 观测椭圆偏振光通过检偏器的光强观测椭圆偏振光通过检偏器的光强 第15页，本讲稿共21页 研究透过两偏振器后的光强研究透过两偏振器后的光强I I与它们透光轴间夹与它们透光轴间夹角角的关系的关系 光强光强I I与（两偏振器的）夹角与（两偏振器的）夹角的关系的关系1 1）将激光束，偏振棱镜调至等高、同轴；将激光束，偏振棱镜调至等高、同轴；2 2）转动检偏器转动检偏器P P2 2使其与起偏器使其与起偏器P P1 1透光轴方向平行，此时透光轴方向平行，此时光检测器示值最大。在两偏振器透光轴夹角光检测器示值最大。在两偏振器透光轴夹角分别为分别为 ，时，测量透射光强时，测量透射光强I I。用极坐标作。用极坐标作I I 曲线，曲线，用直角坐标纸作用直角坐标纸作I I 曲线，并作分析。曲线，并作分析。第16页，本讲稿共21页判别判别/4/4波片与波片与/2/2波片波片 在正交偏振器光路中，分别插入在正交偏振器光路中，分别插入/4/4 波片波片和和/2/2 波片，首先转动波片使屏幕上仍然变黑。波片，首先转动波片使屏幕上仍然变黑。再转动波片，若为再转动波片，若为/4/4 波片，则通过波片后为波片，则通过波片后为圆偏振光。转动检偏器，光屏上亮斑亮度不变。圆偏振光。转动检偏器，光屏上亮斑亮度不变。若为若为/2/2 波片，则通过波片后仍然是线偏振光，波片，则通过波片后仍然是线偏振光，但振动面转过，光屏上显示为亮斑，若将检偏但振动面转过，光屏上显示为亮斑，若将检偏器转动器转动 ，则光屏变黑（为什么）。，则光屏变黑（为什么）。提示操作过程：第17页，本讲稿共21页平面偏振光变换为圆偏振光、椭圆偏振光。圆偏振光、椭圆偏振光变换为平面偏振光。偏振光态势变换 操作提示：操作提示：承接判别承接判别/4/4波片与波片与/2/2波片的实验内波片的实验内容，考虑到容，考虑到/4/4波片的特点波片的特点第18页，本讲稿共21页1 1）将激光束，）将激光束，/4/4 波片，偏振棱镜调至等高、同波片，偏振棱镜调至等高、同轴，光路如图轴，光路如图7 7所示所示 观测椭圆偏振光通过检偏器的光强 3 3）插入）插入/4/4 波片波片C C，转动，转动C C，使，使C C与与P P1 1、P P2 2中的一个偏中的一个偏振器通光面平行。缓慢转动振器通光面平行。缓慢转动C C一周，观测一周，观测C C 的光轴与的光轴与P P1 1（或（或P P2 2）透光轴夹角改变时光强变化）透光轴夹角改变时光强变化图7 椭圆偏振光检测 2）转动P2，将P1、P2调至正交，光屏上无光斑 第19页，本讲稿共21页5）转动P2一周，先观察探测器反映的光强变化；确定光强的极大值和极小值（即椭圆的长轴和短轴）位置。然后以极大值处为起始点（）。测量 之关系。每 测量1个点。用极坐标作 曲线，并分析实验结果。4 4）将）将/4/4波片波片C C置于正交偏振器置于正交偏振器P P1 1、P P2 2中，使中，使C C 光轴与光轴与P P1 1透光轴平行，光屏上应消光（可略为转动透光轴平行，光屏上应消光（可略为转动C C观察），观察），转动波片转动波片C C，使，使 ，此时椭圆长轴方向就在，此时椭圆长轴方向就在1/41/4波片波片C C的光轴上了（为什么）的光轴上了（为什么）第20页，本讲稿共21页思考题 怎么用实验方法来区分自然光、圆偏振光、椭圆怎么用实验方法来区分自然光、圆偏振光、椭圆偏振光、部分偏振光、线偏振光？偏振光、部分偏振光、线偏振光？求在下列情形下理想的起偏器和检偏器之间的夹求在下列情形下理想的起偏器和检偏器之间的夹角为多少？（角为多少？（1 1）透射光是入射自然光强度的）透射光是入射自然光强度的1/31/3；（2 2）透射光是最大透射光强度的）透射光是最大透射光强度的1/31/3。试分析能不能用一个已知光轴的试分析能不能用一个已知光轴的/2/2波片来确波片来确定另一个定另一个/2/2波片或者波片或者/4/4波片之光轴？波片之光轴？第21页，本讲稿共21页