高中物理竞赛辅导参考资料之21.ppt

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1、光的偏振本章内容Contentschapter 21acquisition of polarized light by reflection由双折射产生偏振光由双折射产生偏振光自然光与偏振光自然光与偏振光natural light and polarized light 起偏与检偏起偏与检偏 马吕斯定律马吕斯定律polarize and analyze Malus law由反射和折射获得偏振光由反射和折射获得偏振光 布儒斯特定律布儒斯特定律acquisition polarized light by birefringence 偏振光的干涉偏振光的干涉interference of polar

2、ized lightand refraction Brewster law 第一节2 1-12 1-1natural light and polarized light 自然光完全偏振光（又称线偏振光 或平面偏振光）部分偏振光圆偏振光椭圆偏振光第二节polarize and analyze Malus law2 1-22 1-2偏振器现象模拟起偏和检偏马吕斯定律续上901802703600简例第三节acquisition of polarized light by reflectionand refraction Brewster law 2 1-32 1-3反射起偏引例布儒斯特定律例题折射起

3、偏布儒斯特窗第四节acquisition polarized light by birefringence 2 1-42 1-4双折射现象 某些透明晶体（如方解石、石英等）沿不同方向其光学特性有所不同（各向异性）。一束单色光入射于这种晶体时会产生两束折射光，称为双折射现象。透过这种晶体去观察物体，则会看到双重象。寻常与非常光续上若用细若用细光束垂光束垂直于晶面入射直于晶面入射不偏折。偏折。若转动晶体，e光亦转动。若用偏振器若用偏振器检查，检查，都是线偏振光。晶体的光轴 方解石、石英、红宝石等晶体，只有一个光轴方向，称为单轴晶体。云母、蓝宝石、橄榄石等晶体，有两个光轴方向，称为双轴晶体。晶体的光

4、轴是晶体中的一个特殊晶体的光轴是晶体中的一个特殊的的方向方向，在该方向上，在该方向上，o o光、光、e e光的传光的传播速度（大小和方向）相同，即折射播速度（大小和方向）相同，即折射率相等，不产生双折射现象。率相等，不产生双折射现象。方解石方解石的光轴 通过A A或B B，并与三个会合钝角的界面成等角的直线方向，就是方解石晶体的光轴方向（对于严格等棱长的方解对于严格等棱长的方解石菱体，即石菱体，即ABAB连线方向）连线方向）与此平行通过晶体的直线都是光轴方向，常用表示续上晶体的主截面方 解 石 o光和e光都是完全偏振光，其光振动方向与晶体结构和光入射条件有关。先定义两种平面：四、四、o o光和

5、光和e e光的振动方向光的振动方向晶体的主截面晶体的主截面含光轴并与某晶面正交的平面。对于某一晶面，主截面是一系列互相平行的平面，它们既包含光轴方向，又与该晶面正交（含该晶面的法线方向）109oo71方解石主截面的晶面交线都是平行四边形，边长随截面位置各异，但内角有共同特点109oo71某晶面法线方向 光轴方向折射光主平面任意方向入射 一般情况下这两个主平面不严格重合主平面主平面折射光线的主平面折射光线的主平面含光轴和晶体内某一折射线的平面。主截面内入射若在晶体的主截面内入射主平面主平面晶体主截面三三者共面者共面即都在主截面和入射面内和主要讨论这种最基本的入射情况折射光线的主平面折射光线的主平

6、面含光轴和晶体内某一折射线的平面。o、e光的振向在晶体主截面内入射iCCOO光光光光 振动振动垂直于主截面e e光光光光振动振动在主截面内方解石晶体主截面OO光光光光e e光光光光e e光光光光OO光光光光光线、都在主截面内并且都是线偏振光o、e光的波面五、五、o o光和光和e e光的传播速度与折射率光的传播速度与折射率假设方解石内有一单色点光源 SO O光波速在方解石内波面是球面各向相等 光波速在光轴方向等于O光波速在其它方向大于O光波速在垂直光轴方向波速最大波面是椭圆回旋面回旋轴向为光轴方向主折射率方解石主截面方解石主截面CC 光在垂直光轴方向的波速（最大波速）为设设 方解石中 OO光波速

7、为光在真空中的波速为c则则 O O光折射率光在垂直光轴方向的折射率 合称合称 晶 体的主折射率主折射率和对于方解石主折射率简表几种双折射晶体几种双折射晶体的主折射率的主折射率晶 体方 解 石白 云 石石 英 冰1.6584 1.4864 -0.17201.681 1.500 -0.1811.5443 1.5534 +0.00891.309 1.313 +0.004 的晶体称为负晶体负晶体的晶体称为正晶体正晶体对钠黄光(l=589.3nm)o、e光的方向方解石主截面方解石主截面光轴光轴图中入射平行光束中两条光线1，2，时刻1到达A，2到达B；时刻1在晶体内的和 波面到达图中的圆和椭圆处，2则刚到

8、达晶面上的D点。试试定性画出晶体内定性画出晶体内 和和 的传播的传播方向。方向。切线切线CC的传播方向垂直于D到圆的切线的传播方向垂直于D到椭圆的切线续上CC若将方解石沿着平行于光轴的方向磨出一个平面用一平行光束垂直于此平面入射。试根据方解石内 和 的波面特点，定性画出 、OO光光光光e e光光光光OO光光光光e e光光光光的传播方向和任一时刻两光束的波阵面。作o、e 光波面图，e e 光最大速度在垂直光轴方向。两圆切线为o光束波阵面。两椭圆切线为e光束波阵面。传播方向相同速度大小不同振动相互垂直OO光光光光OO光光光光e e光光光光e e光光光光尼科耳棱镜晶面晶面法线法线方解石主截面光轴光轴

9、六、尼科耳棱镜六、尼科耳棱镜 晶体双折射产生的o光和e光传播方向夹角一般较小，从晶体出射时两光束互相重叠，难以获得单一的线偏振宽光束。两宽光束重叠能否不让其中的一束光从末端输出能否不让其中的一束光从末端输出？续上取长宽比约 3 1 的方解石：晶面晶面法线法线主主截面截面切割面切割面光轴光轴AB通过A、B对角并垂直主截面将方解石切成两半再用再用加拿大树胶（对钠光折射率为加拿大树胶（对钠光折射率为1.551.55）将其按原位粘合）将其按原位粘合先将两端面的倾角按一定要求略加修磨尼科耳尼科耳棱镜的加工棱镜的加工续上方解石主截面将 71 修磨成 6868光轴光轴胶=1.491.49=1.661.66=

10、1.551.55胶具备全反射条件OO光上述设计可保证 大于全反射临界角 只有只有 从端面输出从端面输出光切割后再用加拿大树胶粘合切割后再用加拿大树胶粘合ABOO光光被涂黑的器壁吸收光71尼科耳尼科耳棱镜工作原理棱镜工作原理二向色晶体七、二向色晶体与人造偏振片七、二向色晶体与人造偏振片结果可输出线偏振光，但带有较深的黄绿色。OO光光光光电气石自然光自然光一种典型的二向色晶体，对在晶体内光振动相互垂直的o、e 两光中的o光有强烈的吸收作用；而对e 光的吸收则相对较少。线线偏振光偏振光e e光光光光CC 二向色晶体（或二向色性晶体）是一种对两相互垂直的光振动中之一具有选择性吸收作用的晶体。人造偏振片

11、偏振片偏振片人工制造的一种具有选择性吸收作用的膜片材料：聚合乙烯醇膜，硫酸碘奎宁晶粒起偏原理：由于在制造过程中是将聚合乙烯醇膜处于拉伸状态下蒸镀一层硫酸碘奎宁晶粒，使晶粒沿膜的拉伸方向定向排列。这种膜片具有很强的二向色性，能选择性地吸收某一方向的光振动，使透射光成为线偏振光。第五节2 1-52 1-5interference of polarized light波片双折射晶体一、波片（或波晶片）一、波片（或波晶片）波片 是从双折射单轴晶体中切割下来的平行平面薄片，其表面与晶体光轴方向平行。光轴方向光轴方向波片的波片的主要参数是：主要参数是：波片的波片的厚度厚度波片的波片的晶体对波长为晶体对波长

12、为 的单色的单色光的主光的主折射率折射率（后面均以方解石波晶片为例）o、e光相位差线线偏振光垂直入射到波片后被分解为偏振光垂直入射到波片后被分解为 和和OO光光光光e e光光光光OO光光光光e e光光光光在波在波片片内内传播传播方向方向振动振动方向方向振振 幅幅波波 速速光光 程程沿沿Z Z轴轴沿沿Z Z轴轴OOe e 两光透出波片时的两光透出波片时的两光透出波片时的两光透出波片时的光程差光程差相位差相位差波片Z Z1/4与1/2波片线线偏振光垂直入射到波片后被分解为偏振光垂直入射到波片后被分解为 和和OO光光光光e e光光光光OO光光光光e e光光光光在波在波片片内内传播传播方向方向振动振动

13、方向方向振振 幅幅波波 速速光光 程程沿沿Z Z轴轴沿沿Z Z轴轴OOe e 两光透出波片时的两光透出波片时的两光透出波片时的两光透出波片时的光程差光程差相位差相位差波片Z ZOe 两光透出波片时的两光透出波片时的光程差光程差波片相位差相位差Z Z四分之一波片四分之一波片（四分之一波长片四分之一波长片 或或 片片）光程差光程差是 的奇数倍相位差相位差是 的奇数倍的波片称为二分之一波片二分之一波片（二分之一波长片二分之一波长片 或或 片片）光程差光程差是 的奇数倍相位差相位差是 的奇数倍的波片称为垂直振动合成二、椭圆偏振光与圆偏振光二、椭圆偏振光与圆偏振光 两个频率相同、相互垂直振动的合成，在一

14、般情况下是一个斜椭圆。正椭圆条件二、椭圆偏振光与圆偏振光二、椭圆偏振光与圆偏振光 两个频率相同、相互垂直振动的合成，在一般情况下是一个斜椭圆。两个相互垂直的振动，若频率相同、振幅不同、相位差为 （或 的奇 数倍），则合成以分振动为长、短轴的正椭圆。椭圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光的获得偏振片MM透振方向波片光轴方向自然光椭圆的扁率取决于 的大小等于零或 45 的偶数倍时为直线等于45 的奇数倍时为圆，得圆偏振光线偏振光Z Z椭圆偏振光由两束振向正交、同频率、相位差恒定的线偏振光合成偏振光的干涉三、偏振光的干涉三、偏振光的干涉参与合成椭圆偏振光的两束线偏振光，频率相同，相位差恒定，但其振动方向相互

15、垂直，不能产生干涉。若将椭圆偏振光垂直入射于一偏振片，则参与合成椭圆偏振光的两束线偏振光，只有平行于偏振片透振方向的光振动分量才能透过偏振片，因此，透射光是两束具备振动方向相同、频率相同、相位差恒定条件的线偏振光，可以产生干涉。相位差的确定线偏振光偏振片2相干线偏振光Z Z透振方向偏振片1M透振方向M自然光椭圆偏振光波 片光轴方向由偏振片由偏振片2 2透出的两相干线偏振光的透出的两相干线偏振光的相位差相位差：为为 向向 投影的附加相位差投影的附加相位差处于处于 异侧异侧 ，否则为零，否则为零MMMM两种典型情况两种典型情况两种典型情况MMMM相位差相位差M M两偏振片透振方向正交满足满足时为相

16、长时为相长干涉，且得最强。干涉，且得最强。满足满足 时时为相为相消干涉，消干涉，且为零且为零M M两偏振片透振方向平行相位差相位差满足满足时为相长时为相长干涉，最强。干涉，最强。最最弱。弱。满足满足 时时为相为相消干涉，消干涉，单色光入射，这两种典型情况所得的光干涉结果明暗相单色光入射，这两种典型情况所得的光干涉结果明暗相反；若用白光入射，两者输出的光色近乎于互补色。反；若用白光入射，两者输出的光色近乎于互补色。的的相位差相位差恰好相差恰好相差对同一波晶片对同一波晶片 ，若用，若用单色光入射偏振片1偏振片2波片输出光分布对同一波片用单色光入射 若两偏振片的透振方向相互垂直时由于某波片的双折射引

17、起的偏振光干涉结果获得最强 将两偏振片的透振方向转到相互平行状态时则光干涉结果为最弱 若若波片波片厚度不均匀，输出光场中将会出现明暗干涉条纹，用上述两厚度不均匀，输出光场中将会出现明暗干涉条纹，用上述两种状态去观察这种干涉条纹，其明暗分布也是相反的。种状态去观察这种干涉条纹，其明暗分布也是相反的。白光的色偏振对同一波片用白光入射1 1白光白光2 2白光白光相位差相位差两偏振片透振方向正交两偏振片透振方向正交两偏振片透振方向平行两偏振片透振方向平行相位差相位差白光白光中的各种波长不可能同时满足同一情况的相长干涉或相消干涉条件中的各种波长不可能同时满足同一情况的相长干涉或相消干涉条件1 1若若 满

18、足满足的相长的相长干涉条干涉条件，对于件，对于 则满足相则满足相 消或消或减弱减弱 条件条件 的相长的相长干涉条件，干涉条件，对于对于 则满则满足相足相 消条件消条件 2 2若若 满足满足此此类现象称为类现象称为色色 偏偏 振振人为双折射四、人为双折射现象及其应用四、人为双折射现象及其应用 某些各向同性媒质本不产生双折射现象，但受外界作用（如受机械力、电场、磁场等）时，变成各向异性媒质，并产生双折射现象。还有些各向异性媒质，受到外界作用时，会改变其双折射性质。这种在人为的条件下，使媒质产生或改变其双折射的现象，称为人为双折射现象。光弹性效应偏振片2有机玻璃模型偏振片1施压应力双折射显示的偏振光

19、干涉条纹应力双折射显示的偏振光干涉条纹施压方向形成光轴施压方向形成光轴双折射与应力成正比双折射与应力成正比用于应力分析研究用于应力分析研究光光 弹弹 性性 效效 应应机械应力作用产生的各向异性应应 力力 双双 折折 射射克尔效应电电 致致 双双 折折 射射1.克尔效应偏振片1偏振片2在装有平行板电容器的透明盒内，在装有平行板电容器的透明盒内，充以某种特定的液体（如硝基苯）充以某种特定的液体（如硝基苯）接入极间电压，使两极板间产生电场，液体变成各向异性媒质，并产生双折射，系统末端有光输出，其响应极快，信号频率可高达 10 Hz,能用作高速“光阀门”。1010泡克耳斯效应偏振片1电电 致致 双双 折折 射射2.泡克耳斯效应透透明明电电极极透透明明电电极极压压电电晶晶体体KDP偏振片2 KDPKDP（磷酸二氢钾）是一种无对称中心磷酸二氢钾）是一种无对称中心的晶体，沿某一特定方向施加电场后，在的晶体，沿某一特定方向施加电场后，在晶体内能对某种方向的入射光产生双折射晶体内能对某种方向的入射光产生双折射 KDP的双折射与外加场强成正比。系统的输出光强，可由加在晶体电极线路上的信号电压调制，其响应极为迅速，信号频率可高达3 10 Hz。除可作高速光阀门外，还可作高速电光调制器。1010作业HOME WORK21-821-921-1 321-176-18