线偏振光→圆偏振光.ppt

一一、自然光、自然光和和偏振光偏振光一一束束自自然然光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、等幅的、等幅的、不相干不相干的光振的光振动动。自然光的表示法：自然光的表示法：光光振振动动的的振振幅幅在在垂垂直直于于光光波波的的传传播播方方向向上上，既既有有时间分布的均匀性，又有空间分布的均匀性。时间分布的均匀性，又有空间分布的均匀性。1.1.自然光自然光振动面：振动面：光的振动方向与光的传播方向构成的平面。光的振动方向与光的传播方向构成的平面。光的偏振光的偏振:光光波波的振动方向相对传播方向的不对称性。的振动方向相对传播方向的不对称性。光矢量光矢量振动面振动面v0HE光的偏振态光的偏振态:光矢量在与光传播方向垂直的光矢量在与光传播方向垂直的 平面内的振动状态。平面内的振动状态。2.线偏振光和线偏振光和部分偏振光部分偏振光偏振方向偏振方向:光矢量光矢量 的方向的方向光波的光矢量方向始终不变，光波的光矢量方向始终不变，只沿一个固定方向振动。只沿一个固定方向振动。一一束束线线偏偏振振光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、不不等幅的等幅的、相干相干的线偏振光的线偏振光。EEyEx yx 线偏振光线偏振光(完全偏振光完全偏振光)E播播传传方方向向振振动动面面线偏振光的表示法：线偏振光的表示法：光振动平行板面光振动平行板面光振动垂直板面光振动垂直板面部分偏振光部分偏振光是是自然光自然光与与线偏振光线偏振光的混合的混合 部部分分偏偏振振光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、不等幅的不等幅的、不相干不相干的线偏振光的线偏振光。部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法：平行板面的平行板面的光振动较强光振动较强垂直板面的垂直板面的光振动较强光振动较强部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光 偏振度：偏振度：讨论：讨论：部分偏振光部分偏振光自然光自然光完全偏振光完全偏振光自然光强度自然光强度完全偏振光强度完全偏振光强度椭圆偏振光：椭圆偏振光：光矢量末点的运动轨迹是正椭圆或斜椭圆。光矢量末点的运动轨迹是正椭圆或斜椭圆。在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为右旋偏振光。左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为右旋偏振光。3.椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光圆偏振光圆偏振光线偏光线偏光椭圆偏振光椭圆偏振光圆偏振光：圆偏振光：光矢量大小保持不变光矢量大小保持不变椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光，椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光，均可等效均可等效为两个具有恒定相位差、相同振动频率、振动方向为两个具有恒定相位差、相同振动频率、振动方向相互垂直的线偏振光。相互垂直的线偏振光。二二、起偏和检偏起偏和检偏起偏：起偏：使自然光（或非偏振光）变成线偏振光的过程。使自然光（或非偏振光）变成线偏振光的过程。检偏：检偏：检查入射光的偏振性。检查入射光的偏振性。透透光光轴轴方方向向自然光自然光偏振片偏振片线偏振光线偏振光1 1、偏振片的起偏和检偏、偏振片的起偏和检偏将待检查的入射光垂直入将待检查的入射光垂直入射偏振片，缓慢转动偏振射偏振片，缓慢转动偏振片，观察光强的变化，确片，观察光强的变化，确定光的偏振性。定光的偏振性。线偏振光通过旋转的检偏器，线偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化，有消光现象光强发生变化，有消光现象自然光通过旋转的检偏器，光强不变。自然光通过旋转的检偏器，光强不变。部分偏振光通过旋转的检偏器，部分偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化。光强发生变化。自然光通过起偏器，成为线偏光自然光通过起偏器，成为线偏光注意自然光通过偏振片后光强的变化注意自然光通过偏振片后光强的变化I?P待检光待检光I不变不变？是什么光？是什么光I变，有消光变，有消光？是什么光？是什么光I变，无消光变，无消光？是什么光？是什么光如果入射线偏振光的光强为如果入射线偏振光的光强为I1，透过检偏器后，透过检偏器后，透射光的光强透射光的光强I为为三、三、马吕斯马吕斯定律定律-线偏振光的振动方向与检偏器的透射轴方线偏振光的振动方向与检偏器的透射轴方向向 之间的夹角。之间的夹角。E1 E1cos 检偏器检偏器透射轴透射轴线偏振光线偏振光振动方向振动方向消光消光 光强的调制光强的调制:在透振方向正交的起偏器在透振方向正交的起偏器M和检偏器和检偏器 N 之间，插入一片以角速度之间，插入一片以角速度 旋转的理想偏振片旋转的理想偏振片 P，入射自然入射自然光强为光强为 ,试求由系统出射的光强是多少？试求由系统出射的光强是多少？每旋转偏振片每旋转偏振片P一周，一周，输出光强有怎样的变化？输出光强有怎样的变化？每旋转偏振片每旋转偏振片P一周，输出光强有一周，输出光强有“四明四零四明四零”。所以：所以：t=00,900,1800,2700时，时，输出光强为零。输出光强为零。t=450,1350,2250,3150时，时，输出光强为输出光强为 。四、四、布儒斯特定律布儒斯特定律-反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振自然光自然光部分部分偏振光偏振光反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化部分部分偏振光偏振光这时反射光成为其振动方向垂直于入射面的线偏振光。这时反射光成为其振动方向垂直于入射面的线偏振光。布儒斯布儒斯特定律特定律反射光的偏振化程度和入射角有关，当入射角等反射光的偏振化程度和入射角有关，当入射角等于某一于某一特定值特定值i0且满足且满足自然光自然光线偏振光线偏振光（光强弱）光强弱）部分偏振光部分偏振光光强很光强很强强起偏振起偏振角角布儒斯特角布儒斯特角利用利用利用利用玻璃片堆玻璃片堆玻璃片堆玻璃片堆产生线偏振光产生线偏振光产生线偏振光产生线偏振光ib(接近线偏振光接近线偏振光)玻璃片堆玻璃片堆最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光方解石晶体实验一在在各向同性的介质中各向同性的介质中S是点物是点物S 的象的象天然的方解石晶体是双折射晶体天然的方解石晶体是双折射晶体实验二ABSS1 1、双折射双折射现象现象五五、晶体晶体的双折射的双折射光光光光当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光双双折折射射当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体 对于各向异性晶体，一束光射入晶体后，可以对于各向异性晶体，一束光射入晶体后，可以观察到有两束折射光的现象。观察到有两束折射光的现象。n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光寻常光寻常光：对于晶体一切方向：对于晶体一切方向都具有相同的折射率都具有相同的折射率(即波即波 速相同），且在入射面内传速相同），且在入射面内传播，简称它为播，简称它为O光。光。寻常光线寻常光线(o光光)-遵守折射定律遵守折射定律非常光非常光：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且 不一定在入射面内传播，简称为不一定在入射面内传播，简称为 e 光。光。非常光线非常光线(e光光)-不遵守折射定律不遵守折射定律o光和光和e光都是线偏振光光都是线偏振光,二者振动方向相互垂直。二者振动方向相互垂直。2 2、光轴光轴与主平面与主平面 当当光光在在晶晶体体内内沿沿某某个个特特殊殊方方向向传传播播时时不不发发生生双双折射折射，该方向称为，该方向称为晶体的光轴晶体的光轴。“光轴光轴”是一是一特殊的特殊的“方向方向”,不是指一条直线。不是指一条直线。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。单单轴轴晶晶体体：只只有有一一个个光光轴轴的的晶晶体体，如方解石、红宝石。如方解石、红宝石。双双轴轴晶晶体体：有有两两个个光光轴轴的的晶晶体体，如如云母、蓝宝石。云母、蓝宝石。AB光轴光轴102主平面主平面：晶体中晶体中某条光线某条光线与与晶体光轴晶体光轴构成的平面。构成的平面。e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面o光光光轴光轴o光的光的主平面主平面o光的振动面光的振动面垂直垂直于于o光的主平面光的主平面e光的振动面在光的振动面在e光的主平面内光的主平面内主主折折射率射率:o光的传播速率用光的传播速率用 表示表示,其其折射率折射率用用 表示表示.e光沿垂直于光光沿垂直于光轴轴方向上的方向上的传播速率用传播速率用 表示表示,折射率用折射率用 表示表示,当光轴位于当光轴位于入射面内，入射面内，2个主平面才个主平面才严格重合严格重合双折射现象的应用双折射现象的应用3.尼科耳棱镜尼科耳棱镜光轴在光轴在ABCD平面内方向与平面内方向与AB成成480，入射面取，入射面取ABCD面面两块特殊要求加工的直角方解石，如图：两块特殊要求加工的直角方解石，如图：加拿大树胶的折射率加拿大树胶的折射率n=1.55，O光入射角大于其临界角光入射角大于其临界角arc sin(1.55/1.658)=69012，被全反射，在被全反射，在BD处为涂黑层所吸收。处为涂黑层所吸收。出射偏振方向在出射偏振方向在ABCD平面平面内的偏振光内的偏振光。方解石的折射率方解石的折射率n0=1.658,ABDCe760O220680480光的调制课堂练习：光的调制课堂练习：最小转最小转45度度波动光学补充思考题（B）P（B）（D）解：解：（D）平行平行后续内容自由了解六六.晶体相移器件晶体相移器件 圆和椭圆偏振光的起偏圆和椭圆偏振光的起偏波波片片(波波晶片晶片)相位延迟片相位延迟片波波片片是光轴平行表面的晶体薄片。是光轴平行表面的晶体薄片。.晶晶面面光轴光轴doeAo Ae 光轴光轴Pdyx线偏振光线偏振光光轴光轴 通过厚为通过厚为d的晶片，的晶片，o、e光产生光产生光程光程差差和和相位差：相位差：振幅关系振幅关系从晶片出射的是两束从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向相互垂传播方相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差直、频率相等、相位差 的线偏振光，它们合成为的线偏振光，它们合成为一束一束椭圆偏振光椭圆偏振光。(1)(1)四分之一波片四分之一波片 线偏振光线偏振光圆偏振光圆偏振光 线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）（或相反）线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光(2)(2)二分之一波片二分之一波片使线偏振光振动面转使线偏振光振动面转过过2 2 角度角度A0入入A0出出A入入A出出Ae入入=Ae出入出入 光轴光轴.透光轴相互垂直透光轴相互垂直8-10 偏振光的干涉偏振光的干涉一一.偏振光干涉装置偏振光干涉装置二二.偏振光干涉的分析偏振光干涉的分析1.1.振幅关系振幅关系P2P1CA1AeAoA2oA2e 在在P P2 2 后，两束光振动方向平行，振幅为：后，两束光振动方向平行，振幅为：P2P1CA1AeAoA2oA2e 是一对振幅相等的相干光是一对振幅相等的相干光通过晶体通过晶体C C后后此两束光合成为一束椭圆偏振光此两束光合成为一束椭圆偏振光通过通过P P2 2 后后（若（若P P1 1、P P2 2夹角小于夹角小于，则无附加相差，则无附加相差）2.2.相位关系相位关系相长干涉相长干涉相消干涉相消干涉若单色光入射若单色光入射,且且d不均匀不均匀,则屏上出现等厚干涉条纹则屏上出现等厚干涉条纹.三三.色偏振色偏振白光入射，晶片白光入射，晶片d均匀均匀屏上屏上由于某种颜色干涉相消，而呈现它的由于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补互补色色这叫（显）这叫（显）色偏振色偏振。若若d不均匀，则屏上出现彩色条纹。不均匀，则屏上出现彩色条纹。如 红色红色相消绿色绿色；蓝色蓝色相消黄色黄色，一、电光一、电光效应效应(克尔效应克尔效应)某些非晶体和液体在与入射光方向垂直的强电场某些非晶体和液体在与入射光方向垂直的强电场作用下，呈现双折射现象作用下，呈现双折射现象.8-11 8-11 电磁场的光效应和电磁场的光效应和旋光现象旋光现象在强电场作用下，使分子定向排列，获得各向异性在强电场作用下，使分子定向排列，获得各向异性.透光轴相互垂直透光轴相互垂直液体液体 通过厚为通过厚为l 的的液体后液体后，o、e光产生相位差：光产生相位差：如如平行板所加电压为平行板所加电压为U当外电场撤消时，这种性质立即消失当外电场撤消时，这种性质立即消失.若去掉盒内电场，则没有光从若去掉盒内电场，则没有光从 透出。透出。整个系统起整个系统起“光开关光开关”的作用。的作用。通过控制外加电压，可调节输出的光脉冲的通过控制外加电压，可调节输出的光脉冲的长短和频率，把电讯号转变成光讯号。长短和频率，把电讯号转变成光讯号。由于电光效由于电光效应几乎没有惯性，电讯号的控制速度可达应几乎没有惯性，电讯号的控制速度可达10-9 m/s。“光开关光开关”,“光调制器光调制器”“光断续器光断续器”有极快的有极快的速度启闭光路或调制光强，目前广泛应用于高速摄速度启闭光路或调制光强，目前广泛应用于高速摄影、电影、电视和激光通讯等许多领域。影、电影、电视和激光通讯等许多领域。.透光轴相互垂直透光轴相互垂直电光晶体电光晶体+_泡泡克尔克尔斯斯效应效应某些单轴晶体放在正交某些单轴晶体放在正交偏振偏振片之间片之间,在加电场后在加电场后,使它引起使它引起感生双折射感生双折射.二、二、旋光现象旋光现象 对对某某些些晶晶体体,当当线线偏偏振振光光沿沿其其光光轴轴方方向向传传播播时时,虽虽然然不不发发生生双双折折射射，但但出出射射偏偏振振光光的的振振动动面面相相对对于于原原入入射射光光的的振振动动面面旋旋转转了了一一定定的的角角度度，这这种种现现象象称称为为振振动动面的旋转面的旋转，也称，也称旋光现象旋光现象。未放置未放置C，P2后视场黑暗后视场黑暗放置放置C后，旋转后，旋转P2一定角度，视场又变黑暗一定角度，视场又变黑暗.1、不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面 向不同方向旋转。向不同方向旋转。2、振动面的旋转角振动面的旋转角 与波长有关，与波长有关，波长给定则与旋光物质的厚度波长给定则与旋光物质的厚度d 有关。有关。3、偏偏振振光光通通过过旋旋光光性性液液体体(如如糖糖溶溶液液、松松节节油油)时时，振动面的旋转角振动面的旋转角线偏光电振动方绕着光的传播方向旋转过某一角度线偏光电振动方绕着光的传播方向旋转过某一角度.在迎光矢量图上，电矢量振动方向逆时针方向旋转在迎光矢量图上，电矢量振动方向逆时针方向旋转的物质，称为左旋偏振光；反之为右旋偏振光。的物质，称为左旋偏振光；反之为右旋偏振光。三、磁光三、磁光效应效应透明透明介介质质在磁场作用下会产生在磁场作用下会产生旋光旋光性性,这种由磁场引这种由磁场引起的起的振动面旋转振动面旋转的的现象，称现象，称为为磁磁致致旋光旋光,也称也称法拉第法拉第旋旋转效应转效应。.磁磁致致旋光旋光效应中效应中振动面振动面的的旋转角旋转角度度 与光在介质中与光在介质中通过的距离通过的距离 ,以及介质内的磁感应强度以及介质内的磁感应强度B B成正比成正比.当线偏光沿磁场方向通过磁光物质时，在迎光矢量图当线偏光沿磁场方向通过磁光物质时，在迎光矢量图上电振动方向右旋，当反射光逆磁场通过时，电振动上电振动方向右旋，当反射光逆磁场通过时，电振动方向左旋。所以，如果线偏光往返两次通过磁光物质，方向左旋。所以，如果线偏光往返两次通过磁光物质，振动面旋转过振动面旋转过2 2，利用这一特性在激光技术中，制，利用这一特性在激光技术中，制成光隔离器。使得反射光的振动方向改变，避免了对成光隔离器。使得反射光的振动方向改变，避免了对前级的影响。前级的影响。