光的偏振与波片.ppt

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1、关于光的偏振与波片现在学习的是第1页，共36页背景知识 D0 Bt BE)(0rkEtjeEt DjHEj0 D0 BEDHBt BEt DH0Dk0BkBEkDHk现在学习的是第2页，共36页kDESB(H)现在学习的是第3页，共36页在于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量呈分布任何取向的一个光矢量都可自然光可分解为表示方法表示方法 面对光的传播方向yxEE 现在学习的是第4页，共36页一、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 光振动垂直纸面现在学习的是第

2、5页，共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 垂直纸面的光振动较强平行纸面的光振动较强现在学习的是第6页，共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(1)(1)利用偏振片获得偏振光利用偏振片获得偏振光某些晶体对相互垂直的两个光振动分量具有选择吸收的性能，称为某些晶体对相互垂直的两个光振动分量具有选择吸收的性能，称为二向色性二向色性。将二向色性的晶体涂敷于透明将二向色性的晶体

3、涂敷于透明薄片上，就成为薄片上，就成为偏振片偏振片。制成。制成偏振片后，其上有一特殊的偏振片后，其上有一特殊的方向，沿着该方向的光振动方向，沿着该方向的光振动不被吸收不被吸收偏振化方向。偏振化方向。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(a)(a)二向色型偏振片二向色型偏振片 优点优点缺点缺点现在学习的是第7页，共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021II 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强度为入射自然光强度的强度为入射自然光强度的1/2现在学习的是第8页，共36页(b)(b)散射型偏振片散射型偏振片利用

4、双折射晶体的散射利用双折射晶体的散射起偏起偏NaNO3Zk2优点优点现在学习的是第9页，共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，屏上亮暗检偏器旋转，屏上亮暗无变化。无变化。现在学习的是第10页，共36页现在学习的是第11页，共36页现在学习的是第12页，共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0max0III ，02I，( (马吕斯定律马吕斯定律) ) 消光消光EEcos cosEE E cos 2II 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

5、偏振化方向成6060 夹角。求透射光的光强与夹角。求透射光的光强与入射光的光强之比是多大？入射光的光强之比是多大？0121II 60cos2160cos20212III125. 08160cos21202II解解经经P P1 1后后: :经经P P2 2后后: :现在学习的是第13页，共36页一束自然光和线偏振光的混合光，垂直通过一偏振片。当偏振片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以光线为轴旋转一周时, ,发现其最大光强为最小光强的发现其最大光强为最小光强的5 5倍，求倍，求入入射光中两种光线光强的比值。射光中两种光线光强的比值。设自然光的光强为设自然

6、光的光强为I I0 0 , ,偏振光的光强为偏振光的光强为I IIII0max210min21IIminmax5II解解02II 210II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现在学习的是第14页，共36页有两个偏振片，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振化方向之间的夹角为30o时，一束单色自然光穿过它们，出射光时，一束单色自然光穿过它们，出射光强为强为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，另一束单色自时，另

7、一束单色自然光穿过它们，出射光强为然光穿过它们，出射光强为I I2 2 ，且，且 I I1 1 = = I I2 2 ，求，求两束单色自然两束单色自然光的强度之比。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 0210130cos2II 0220260cos2II21II 312010II现在学习的是第15页，共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

8、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bbinnincossinsin2212112tannnnib 2n1ni i 线偏振光线偏振光bi 2n1nbi 布儒斯特定律布儒斯特定律815600. 150. 1arctan bi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243350. 100. 1arctan bi现在学习的是第16页，共36页玻璃片堆玻璃片堆线偏振光线偏振光 bi I0I利用玻璃片堆可使反射光和透射利用玻璃片堆可使反射光和透射光成为线偏振光光成为线偏振光入射

9、自然光入射自然光bibibi现在学习的是第17页，共36页偏振分光镜现在学习的是第18页，共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s1R2R一束光入射到各向异性的介质后出现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。两束折射光线的现象。（a） 双折射现象双折射现象各向同性介质中，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 个特许的偏振方向个特许的偏振方向xyDoEoEeDekSez现在学习的是第19页，共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

10、, ,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它方向，对某些晶体，其它方向，对某些晶体， ( (正晶体正晶体, ,石英石英),),对另一些晶体对另一些晶体 ( (负晶体负晶体, ,方方解石解石).).eovv eovv 光在晶体内某个特殊方向传播时，无双折射现象。光在晶体内某个特殊方向传播时，无双折射现象。（该方向称为晶体的（该方向称为晶体的光轴光轴。）。） 光轴光轴 光轴光轴 负晶体负晶体正晶体正晶体现在学习的是第20页，共36页顿隅方解石晶体方解石晶体( (

11、冰洲石冰洲石) )光轴光轴78o102o78o102o现在学习的是第21页，共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 光光在入射面内，遵从折射定律。在入射面内，遵从折射定律。 e e 光光一般不在入射面内，且不遵从折射定律。一般不在入射面内，且不遵从折射定律。ioe1n2n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

12、e光光折射率随方向变化。折射率随方向变化。现在学习的是第22页，共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 主的 主平面平面e光光光轴光轴e e 光光的 主的 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光光现在学习的是第23页，共36页 如果能够将如

13、果能够将 o 光和光和 e 光分开，就能获得偏振光。由此人们制造出光分开，就能获得偏振光。由此人们制造出了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。过光轴与晶面。过光轴与晶面垂直的平面为方解石晶体的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，对两端晶面进行打磨。取长度为宽度三倍的优质方解石，对两端晶面进行打磨。 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）

14、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现在学习的是第24页，共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；沿折射方向；沿折射方向对对 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

15、 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壁射出），最后从尼科尔棱镜侧壁射出被金属筒吸收；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射出，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。为线偏振光。现在学习的是第25页，共36页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连续激光10W/cm2，脉冲激光104W/cm2稀缺贵重金属，通光面积520mm对于钠黄光，

16、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，提高成本现在学习的是第26页，共36页胶合层空气层提高抗损伤能力oenn1arcsin1arcsin连续激光100W/cm2，脉冲激光2104W/cm2适用紫外波段，能承受强光孔径角不大，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，透过率不高现在学习的是第27页，共36页b. 偏振分束棱镜偏振分束棱镜特点特点第一块棱镜 第二块棱镜 o光e光偏离棱镜法线e光o光靠近棱镜

17、法线两束光夹角 tan)(arcsin22eonn 光线分束角随波长缓慢变化现在学习的是第28页，共36页优点优点第一块棱镜 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白光入射，能得到无色散的线偏振光缺点缺点现在学习的是第29页，共36页（1 1）偏振玻璃：）偏振玻璃： 按布儒斯特角方向拍照，可解决物体表面的反光问题按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 在汽车前窗玻璃及灯上镀上具有偏振化的光学晶体，使其偏在

18、汽车前窗玻璃及灯上镀上具有偏振化的光学晶体，使其偏振方向与水平方向成振方向与水平方向成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现在学习的是第30页，共36页椭圆偏振光：椭圆偏振光：定义定义圆偏振光圆偏振光 : :现在学习的是第31页，共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，椭圆偏振光现在学习的是

19、第32页，共36页光轴和晶面平行的单轴晶片为定义定义dnneo)(222/20IOAeAMdCco0I 现在学习的是第33页，共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现在学习的是第34页，共36页四分之一波片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。现在学习的是第35页，共36页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 现在学习的是第36页，共36页