工程光学-13光的偏振1217.ppt

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1、第一节第一节 偏振光概述偏振光概述光的干涉和衍射现象：光的干涉和衍射现象：光的波动性光的波动性光光的的偏偏振振和和在在光光学学各各向向异异性性晶晶体体中中的的双双折折射射现现象象：光光的横波性的横波性一、偏振光和自然光一、偏振光和自然光 对对于于平平面面电电磁磁波波，电电场场强强度度矢矢量量光光矢矢量量的的振振动动方方向向与传播方向垂直。与传播方向垂直。光光矢矢量量的的振振动动方方向向总总是是与与光光的的传传播播方方向向垂垂直直的的，即即光光矢矢量量的的横横向向振振动动状状态态，相相对对于于传传播播方方向向不不具具有有对对称称性性，这这种种光光矢量的振动相对于传播方向的不对称性，称为光的偏振性

2、矢量的振动相对于传播方向的不对称性，称为光的偏振性。2022/12/271第十三章光的偏振横波和纵波的区别横波和纵波的区别偏振偏振 纵波：振动方向与传播方向一致，不存在偏振问题；纵波：振动方向与传播方向一致，不存在偏振问题；横波：振动方向与传播方向垂直，存在偏振问题。横波：振动方向与传播方向垂直，存在偏振问题。最常见的偏振光有五种最常见的偏振光有五种:自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。偏振光。2022/12/272第十三章光的偏振（1 1）自然光：）自然光：普普通通光光源源发发出出的的光光、阳阳光光都都是是自自然然光光。由由于于原原

3、子子发发光光的的间间歇歇性性和和无无规规则则性性，使使得得普普通通光光源源发发出出的的光光的的光光矢矢量量在在垂垂直直于于传传播播方方向向的的平平面面内内以以极极快快的的速速度度取取0 0360360内内的的一一切切可可能能的的方方向向，且且没没有有哪哪一一个个方方向向占占有有优优势势。具具有有上上述述特特性性的的光光，称称为为自自然然光光。各各个个方方向向上上光光振振动动振振幅幅相相同同的的光光，称为自然光称为自然光。Y 自自然然光光的的表表示示法法：用用两两个个独独立立的的(无无确确定定相相位位关关系系)、相相互互垂垂直直的的等等幅幅振振动动来来表表示示。图图中中，圆圆点点表表示示垂垂直直

4、于于纸纸面面的的振振动动，短短线线表表示示平平行行于于纸纸面面的的振动。振动。X2022/12/273第十三章光的偏振特点：特点：在所有可能的方向上，光矢量的振幅都相等；在所有可能的方向上，光矢量的振幅都相等；.xy自自然然光光可可分分解解为为振振动动方方向向相相互互垂垂直直但但取取向向任任意意的的两两个个线线偏偏振振光光，它它们们振振幅幅相相等等，没没有有确确定定的的相相位位关关系系，各各占占总总光光强强的的一半。一半。自然光的表示方法：圆点与短线等距离地交错、均匀地画出。自然光的表示方法：圆点与短线等距离地交错、均匀地画出。2022/12/274第十三章光的偏振没有优势方向没有优势方向自然

5、光的分解自然光的分解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、等等幅幅的、不相干的线偏振光的、不相干的线偏振光。Ex 和和 Ey无固定关系无固定关系:它们是彼此独立的振动它们是彼此独立的振动总光强总光强非相干叠加非相干叠加2022/12/275第十三章光的偏振（2 2）线偏振光）线偏振光将自然光中两个相互垂直的等幅振动之一完全移去得到的光，将自然光中两个相互垂直的等幅振动之一完全移去得到的光，称为完全偏振光。称为完全偏振光。EEyEx yx 光振动垂直纸面光振动垂直纸面光振动平行纸面光振动平行纸面定定义义：在在垂垂直直于于传传播播方方向向的的平平面面内内

6、，光光矢矢量量只只沿沿某某一一个个固固定定方方向振动，则称为线偏振光，又称为平面偏振光或完全偏振光。向振动，则称为线偏振光，又称为平面偏振光或完全偏振光。线线偏偏振振光光也也可可以以用用传传播播方方向向相相同同、相相位位相相同同或或相相差差、振振动动相相互垂直的两列光波的叠加互垂直的两列光波的叠加描述。描述。2022/12/276第十三章光的偏振2022/12/277第十三章光的偏振（3 3）部分偏振光）部分偏振光 彼此无固定相位关系、振动方向任意、不同方向上振幅彼此无固定相位关系、振动方向任意、不同方向上振幅不同的大量光振动的组合不同的大量光振动的组合,称部分偏振光，它介于自然光与线称部分偏

7、振光，它介于自然光与线偏振光之间。偏振光之间。部分偏振光两垂直方向光振动之间无固定的相位差。部分偏振光两垂直方向光振动之间无固定的相位差。部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动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。它垂直的方向上振动较弱。2022/12/278第十三章光的偏振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部分偏振光可分解为部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光的、不等幅的、不相

8、干的线偏振光平行于纸面的光振动的平平行于纸面的光振动的平均值大于垂直于纸面的光均值大于垂直于纸面的光振动的平均值。振动的平均值。垂直于纸面的光振动的平垂直于纸面的光振动的平均值大于平行于纸面的光均值大于平行于纸面的光振动的平均值。振动的平均值。2022/12/279第十三章光的偏振（4 4）椭圆偏振光和圆偏振光）椭圆偏振光和圆偏振光 光矢量在垂直于光的传播方向的平面内，按一定频率旋光矢量在垂直于光的传播方向的平面内，按一定频率旋转转(左旋或右旋左旋或右旋)。如果光矢量的端点轨迹是一个椭圆，这种。如果光矢量的端点轨迹是一个椭圆，这种光叫做椭圆偏振光。如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光光叫做椭圆偏

9、振光。如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光叫做圆偏振光，如图所示。这相当于两个相互垂直的有确定叫做圆偏振光，如图所示。这相当于两个相互垂直的有确定相位关系的振动的合成。相位关系的振动的合成。xyxy2022/12/2710第十三章光的偏振右旋圆右旋圆偏振光偏振光右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光规定规定：迎着光线看（对着光的传播方向），：迎着光线看（对着光的传播方向），光矢量顺时针转的称光矢量顺时针转的称右旋右旋圆偏振光圆偏振光 （或椭圆偏振光）；（或椭圆偏振光）；光矢量逆时针转的光矢量逆时针转的称称左旋左旋圆偏振光圆偏振光（或椭圆偏振光）。（或椭圆偏振光）。0 y yx z传播方向传播方向 /2x某

10、时刻左旋圆偏振光某时刻左旋圆偏振光 E 随随 z 的变化的变化E2022/12/2711第十三章光的偏振 偏振度偏振度 I It t 部分偏振光的总强度部分偏振光的总强度I In n 部分偏振光中包含的自然光的强度部分偏振光中包含的自然光的强度I Ip p 部分偏振光中包含的完全偏振光的强度部分偏振光中包含的完全偏振光的强度完全偏振光完全偏振光(线、圆、椭圆线、圆、椭圆)P P=1=1自然光自然光(非偏振光非偏振光)P P=0=0部分偏振光部分偏振光 0 0 P P 1 nn2 2或或n n1 1nnn2 2才会发生全反射。才会发生全反射。n1n2rio2022/12/2718第十三章光的偏振

11、有反射光干扰的橱窗有反射光干扰的橱窗在照相机镜头前加偏振片消在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰除了反射光的干扰2022/12/2719第十三章光的偏振例题：已知某材料在空气中的布儒斯特角例题：已知某材料在空气中的布儒斯特角 i ip p=58=580 0，求它的求它的折射率？若将它放在水中（水的折射率为折射率？若将它放在水中（水的折射率为 1.33 1.33），求布儒斯），求布儒斯特角？该材料对水的相对折射率是多少？特角？该材料对水的相对折射率是多少？解：设该材料的折射率为解：设该材料的折射率为n ，空气的折射率为空气的折射率为1 1放在水中，则对应有放在水中，则对应有所以：所以：该材料

12、对水的相对折射率为该材料对水的相对折射率为1.21.2。2022/12/2720第十三章光的偏振(1)平平行行光光以以60o的的入入射射角角由由空空气气射射向向一一平平板板玻玻璃璃，此此时时发发现现反射光是完全偏振光反射光是完全偏振光,则折射光的折射角为则折射光的折射角为 。玻璃的折射率为玻璃的折射率为 。30o 因因 io+r=90o，所以折射角所以折射角r=30o。又又(2)某某透透明明媒媒质质对对空空气气全全反反射射的的临临界界角角为为45o,则则光光从从空空气气射射向该媒质时的向该媒质时的布儒斯特角布儒斯特角为为 。54.7o所以所以 io=arctan2022/12/2721第十三章

13、光的偏振 理理论论实实验验表表明明：反反射射所所获获得得的的线线偏偏光光仅仅占占入入射射自自然然光光总总能能量量的的7.4%7.4%，而而约约占占85%85%的的垂垂直直分分量量和和全全部部平平行行分分量量都都折折射射到到玻璃中。玻璃中。可以利用玻璃片来获得线偏振光，只用一片玻璃的缺点：可以利用玻璃片来获得线偏振光，只用一片玻璃的缺点：以布儒斯特角入射时，反射光虽为线偏振光，但强度太小以布儒斯特角入射时，反射光虽为线偏振光，但强度太小 透射光的强度虽大，但偏振度太小透射光的强度虽大，但偏振度太小 为为解解决决这这个个矛矛盾盾，让让光光通通过过由由多多片片玻玻璃璃叠叠合合而而成成的的倾倾斜斜的的

14、片片堆堆，并并使使入入射射角角等等于于布布儒儒斯斯特特角角，经经过过多多次次的的反反射射和和折折射，既能获得较高的偏振度，光的强度也比较大射，既能获得较高的偏振度，光的强度也比较大。2022/12/2722第十三章光的偏振玻璃片堆的起偏和检偏玻璃片堆的起偏和检偏用用玻玻璃璃片片堆堆能能增增强强反反射射偏偏振振光光的的强强度度，提提高高折折射射光光的的偏偏振振度度 i0接近线偏振光接近线偏振光玻璃玻璃片堆片堆线偏振光线偏振光自然光从自然光从 空气到玻璃空气到玻璃2022/12/2723第十三章光的偏振（2 2）由二向色性产生偏振光）由二向色性产生偏振光二二向向色色性性是是指指有有些些各各向向异异

15、性性的的晶晶体体对对于于光光的的吸吸收收本本领领除除了了随波长改变外，还随光矢量相对于晶体的方位而改变。随波长改变外，还随光矢量相对于晶体的方位而改变。非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光光轴光轴电气石晶片电气石晶片例：当振动方向互相垂直的两束线偏振白光通过晶体后呈现例：当振动方向互相垂直的两束线偏振白光通过晶体后呈现出不同的颜色。天然晶体中，电气石具有很强的二向色性。出不同的颜色。天然晶体中，电气石具有很强的二向色性。2022/12/2724第十三章光的偏振（3 3）双折射晶体产生线偏振光）双折射晶体产生线偏振光在在双双折折射射晶晶体体中中内内，自自然然光光波波被被分分解解成成光光矢矢量量互互相

16、相正正交交的的线线偏偏振振光光传传播播，把把其其中中的的一一束束光光拦拦掉掉，便便得得到到线线偏振光。偏振光。2022/12/2725第十三章光的偏振1 1、基本概念、基本概念普通光源发出的是自然光，用于从自然光中获得偏振光的普通光源发出的是自然光，用于从自然光中获得偏振光的器件称为器件称为起偏器起偏器人的眼睛不能区分自然光与偏振光，用于鉴别光的偏振状人的眼睛不能区分自然光与偏振光，用于鉴别光的偏振状态的器件称为态的器件称为检偏器检偏器2 2、偏振片、偏振片 是是一一种种人人工工膜膜片片，对对不不同同方方向向的的光光振振动动有有选选择择吸吸收收的的性性能能，从从而而使使膜膜片片中中有有一一个个

17、特特殊殊的的方方向向，当当一一束束自自然然光光射射到到膜膜片片上上时时，与与此此方方向向垂垂直直的的光光振振动动分分量量完完全全被被吸吸收收，只只让让平平行行于于该该方方向向的的光光振振动动分分量量通通过过，即即只只允允许许沿沿某某一一特特定定方方向向的的光光通通过过的的光光学学器器件件，叫叫做做偏偏振振片片。这这个个特特定定的的方方向向叫叫做做偏偏振振片片的偏振化方向的偏振化方向，用，用“”表示。表示。三、马吕斯定律和消光比三、马吕斯定律和消光比2022/12/2726第十三章光的偏振偏振片既可用作起偏器，又可用作检偏器。偏振片既可用作起偏器，又可用作检偏器。偏振片偏振片自然光自然光Io线偏

18、振光线偏振光从自然光获得偏振光的过程从自然光获得偏振光的过程起偏起偏偏振片（利用晶体的二向色性）是一种常用的起偏器偏振片（利用晶体的二向色性）是一种常用的起偏器2022/12/2727第十三章光的偏振 3、起偏器起偏器 自然光通过偏振片后成自然光通过偏振片后成为线偏振光，线偏振光的振为线偏振光，线偏振光的振动方向与偏振片的偏振化方动方向与偏振片的偏振化方向一致。向一致。4 4、检偏器、检偏器用来检验某一束光是否偏振用来检验某一束光是否偏振光。光。方法：转动偏振片，观察透方法：转动偏振片，观察透射光强度的变化。射光强度的变化。自然光：自然光：透射光强度不发生透射光强度不发生变化变化2022/12

19、/2728第十三章光的偏振偏振光：偏振光：透射光强度发生变化透射光强度发生变化 部分偏振光部分偏振光：偏振光偏振光通过偏振片后，在转通过偏振片后，在转动偏振片的过程中，动偏振片的过程中，透射光强度发生变化。透射光强度发生变化。2022/12/2729第十三章光的偏振光强无变化的是自然光光强无变化的是自然光 若以光传播方向为轴，慢慢旋转检偏片，观察透过偏振片若以光传播方向为轴，慢慢旋转检偏片，观察透过偏振片的光的光 光强有变化，但最小值不为零的是部分偏振光光强有变化，但最小值不为零的是部分偏振光光强有变化，但最小值为零光强有变化，但最小值为零(消光消光)的是线偏振光的是线偏振光2022/12/2

20、730第十三章光的偏振马吕斯马吕斯(Etienne Louis Malus 1775-1812)法国物理学家及军事工程师。出生于法国物理学家及军事工程师。出生于巴黎巴黎 1808 1808年发现反射光的偏振，确定了偏年发现反射光的偏振，确定了偏振光强度变化的规律振光强度变化的规律 1810 1810年被选为巴黎科学院院士，曾获年被选为巴黎科学院院士，曾获得过伦敦皇家学会奖章得过伦敦皇家学会奖章 1811 1811年，他发现折射光的偏振年，他发现折射光的偏振5 5、马吕斯定律、马吕斯定律2022/12/2731第十三章光的偏振马吕斯定律的内容马吕斯定律的内容强度为强度为I I0 0的偏振光，通过

21、检偏的偏振光，通过检偏器后，透射光的强度为：器后，透射光的强度为：I=II=I0 0 coscos2 2其中其中为检偏器的偏振化方向为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方向之与入射偏振光的偏振化方向之间的夹角。间的夹角。AII0自然光自然光I0I0/2光电光电接收接收器器2022/12/2732第十三章光的偏振相对转动时，透射光强随两偏振片的透光轴的夹角相对转动时，透射光强随两偏振片的透光轴的夹角 而变化而变化透光轴：允许透过的电矢量的方向称为偏振片的透光轴透光轴：允许透过的电矢量的方向称为偏振片的透光轴I Io o 为两透光轴平行时的透射光强为两透光轴平行时的透射光强 I=Iocos2

22、当它们的透光轴互相垂直时，透射光强应为零。当夹角为其当它们的透光轴互相垂直时，透射光强应为零。当夹角为其它值时，透射光强由下式决定：它值时，透射光强由下式决定：2022/12/2733第十三章光的偏振检偏器相对被测偏振器转动时的最小透射光强与最大透射光检偏器相对被测偏振器转动时的最小透射光强与最大透射光强之比，称为被测偏振器的消光比，消光比越小，偏振器件强之比，称为被测偏振器的消光比，消光比越小，偏振器件的质量就越高。（人造偏振片的消光比约为的质量就越高。（人造偏振片的消光比约为0.0010.001）2022/12/2734第十三章光的偏振为线偏振光的光振动方向为线偏振光的光振动方向ON与检偏

23、器透光方向与检偏器透光方向OM间的夹角。间的夹角。一束光强为一束光强为I0的自然光透过检偏器，透射光强为的自然光透过检偏器，透射光强为I0/2解释解释I=I0 cos22022/12/2735第十三章光的偏振讨论讨论 当检偏器以入射光为轴转动时，透射光强度将有变化当检偏器以入射光为轴转动时，透射光强度将有变化 起起偏偏器器与与检检偏偏器器偏偏振振化化方方向向平平行行时时：=0 0 或或=，I I=I I0 0，透射光强度最大透射光强度最大 起起偏偏器器与与检检偏偏器器偏偏振振化化方方向向垂垂直直时时：=/2 2 或或=3 3/2/2，I I=0=0，透射光强度最小透射光强度最小 为其它角度时，

24、透射光的强度介于为其它角度时，透射光的强度介于0 0I I0 0之间。之间。马马吕吕斯斯定定律律是是对对偏偏振振光光的的无无吸吸收收而而言言的的，对对于于自自然然光光并并不不成成立立。若若是是自自然然光光I I0 0，通通过过偏偏振振片片后后，I II I0 0/2/2，偏偏振振片片在在这这里实际上起着起偏器的作用里实际上起着起偏器的作用 当当两两个个偏偏振振片片互互相相垂垂直直时时，光光振振动动沿沿第第一一个个偏偏振振片片偏偏振振化化方方向向的的线线偏偏振振光光被被第第二二个个偏偏振振片片完完全全吸吸收收，出出现现所所谓谓的的消消光光现象。现象。2022/12/2736第十三章光的偏振 解解

25、：由马吕斯定律由马吕斯定律（1）（2 2）三个偏振片时，中间偏振片与前后两偏振片夹角均为）三个偏振片时，中间偏振片与前后两偏振片夹角均为3030例例 两两个个偏偏振振片片叠叠放放在在一一起起，强强度度为为I I0 0的的入入射射自自然然光光垂垂直直照照射射其其上上，透透射射光光强强为为I I0 0/8/8，求求：1 1）.这这两两个个偏偏振振片片的的偏偏振振化化方方向向的的夹夹角角？2)2).若若在在两两偏偏振振片片中中间间再再插插入入另另一一偏偏振振片片，其其偏偏振振化化方方向向与与前前后后两两片片偏偏振振片片的的偏偏振振化化方方向向夹夹角角相相等等，那那么通过三个偏振片后的透射光强又是多少

26、么通过三个偏振片后的透射光强又是多少？2022/12/2737第十三章光的偏振例题：例题：在透振方向正交的起偏器在透振方向正交的起偏器M M和检偏器和检偏器 N N 之间，插入一之间，插入一片以角速度片以角速度 旋转的理想偏振片旋转的理想偏振片P P，入射自然光强为入射自然光强为I I0 0，试求试求由系统出射的光强是多少？由系统出射的光强是多少？每旋转偏振片每旋转偏振片P P一周，输出光强有一周，输出光强有“四明四零四明四零”。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 。2022/12/273

27、8第十三章光的偏振 检偏检偏用偏振器件分析、检验光的偏振态用偏振器件分析、检验光的偏振态I?P待检光待检光思考：思考：I I不变不变？是什么光？是什么光 I I变，有消光变，有消光？是什么光？是什么光 I I变，无消光变，无消光？是什么光？是什么光2022/12/2739第十三章光的偏振例例 自自然然光光连连续续通通过过两两个个叠叠在在一一起起的的偏偏振振片片后后，透透射射光光强强为为入入射光强的四分之一，求两个偏振片偏振化方向之间的夹角。射光强的四分之一，求两个偏振片偏振化方向之间的夹角。解解 设两偏振片偏振化方向间的夹角为设两偏振片偏振化方向间的夹角为，于是，于是 自然光自然光Io由由解得

28、：解得：=45(or 135)。2022/12/2740第十三章光的偏振例例 一束光是自然光和线偏振光的混合。当它通过一偏振片后，一束光是自然光和线偏振光的混合。当它通过一偏振片后，测得最大透射光强是最小透射光强的测得最大透射光强是最小透射光强的5倍，求入射光中自然光倍，求入射光中自然光和线偏振光的光强之比。和线偏振光的光强之比。解解 设入射光中自然光的光强为设入射光中自然光的光强为I1，线偏振光的光强为线偏振光的光强为I2，则则透射光强透射光强即入射光中自然光和线偏振光的光强之比为即入射光中自然光和线偏振光的光强之比为1:2。2022/12/2741第十三章光的偏振第二节第二节 晶体的双折射

29、晶体的双折射 有些透明媒质，如玻璃、水、肥皂液等，不论光沿哪个有些透明媒质，如玻璃、水、肥皂液等，不论光沿哪个方向，传播速度都是相同的，媒质只有一个折射率，这样的方向，传播速度都是相同的，媒质只有一个折射率，这样的媒质称为媒质称为光学各向同性媒质光学各向同性媒质光学各向同性媒质光学各向同性媒质。同时还存在另一类媒质，主要是透明晶体物质，如方解同时还存在另一类媒质，主要是透明晶体物质，如方解石石(化学成分是化学成分是CaCOCaCO3 3)、石英、云母、硫磺等，光在其中传播石英、云母、硫磺等，光在其中传播时，沿着不同方向有不同的传播速率，这样的媒质称为时，沿着不同方向有不同的传播速率，这样的媒质

30、称为光学光学光学光学各向异性媒质各向异性媒质各向异性媒质各向异性媒质。光在晶体中的双折射现象就是光在晶体中的双折射现象就是光学各向异性的表现光学各向异性的表现光学各向异性的表现光学各向异性的表现。2022/12/2742第十三章光的偏振一一.双折射现象双折射现象 光线进入光学各向异性媒质光线进入光学各向异性媒质(如方解石如方解石)后产生两条折射后产生两条折射光线的现象，称为光线的现象，称为双折射现象双折射现象双折射现象双折射现象。天然的方解石晶体天然的方解石晶体是双折射晶体是双折射晶体AB2022/12/2743第十三章光的偏振一条遵守通常的折射定律一条遵守通常的折射定律(n n1 1sins

31、ini i=n=n2 2sinsinr)r)，折射光线在入折射光线在入射面内射面内，这条光线称为寻常光线，这条光线称为寻常光线(ordinary rays)ordinary rays)，简称简称o o光光。n n1 1n n2 2i ii io oi ie e(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o o光光e e光光二、二、o o光和光和e e光光另一条光线不遵守通常的折射定律，它不一定在入射面另一条光线不遵守通常的折射定律，它不一定在入射面内，这条光线称为非常光线内，这条光线称为非常光线(extraordinary rays)extraordinary rays)，简简称称e e光光。20

32、22/12/2744第十三章光的偏振 产生双折射的原因产生双折射的原因:o o光和光和e e光的传播速度不同。光的传播速度不同。o o光在光在晶体中晶体中各个方向的传播速度相同，因而折射率各个方向的传播速度相同，因而折射率n no o=c/=c/o o=恒量。恒量。e e光在光在晶体中的晶体中的传播速度传播速度 e e随方向变化，随方向变化，因而折射率因而折射率n ne e=c/=c/e e是变量，随方向变化。是变量，随方向变化。由于由于o o光和光和e e光的光的折射率不同，故产生双折射。折射率不同，故产生双折射。2022/12/2745第十三章光的偏振三、光轴三、光轴 主截面主截面 主平面

33、主平面 （1 1）光轴光轴实验发现，在晶体内部存在着某些特殊的方向，光沿着这些特实验发现，在晶体内部存在着某些特殊的方向，光沿着这些特殊方向传播时，不发生双折射现象，这个特殊方向称为殊方向传播时，不发生双折射现象，这个特殊方向称为光轴光轴。应该注意，应该注意，光轴仅标志一定的方向，并不限于某一特殊的直线光轴仅标志一定的方向，并不限于某一特殊的直线。102o方解石方解石2022/12/2746第十三章光的偏振只有一个光轴的晶体，称为单轴晶体只有一个光轴的晶体，称为单轴晶体，如方解石、石英、红，如方解石、石英、红宝石等。宝石等。有两个光轴的晶体称为双轴晶体有两个光轴的晶体称为双轴晶体，如云母、硫磺

34、、，如云母、硫磺、蓝宝石等。蓝宝石等。在在光轴光轴方向上，方向上，o o光和光和e e光的传播速度相同。光的传播速度相同。若若沿光轴方向入射，沿光轴方向入射，o o光和光和e e光具有相同的折射率和相同光具有相同的折射率和相同的波速，因而无双折射现象。的波速，因而无双折射现象。若光轴在入射面内，实验发现：若光轴在入射面内，实验发现：o o光、光、e e光光均在入射面均在入射面内传播，且振动方向相互垂直。内传播，且振动方向相互垂直。2022/12/2747第十三章光的偏振某光线的传播方向和光轴方向所组成的平面叫做该光线的某光线的传播方向和光轴方向所组成的平面叫做该光线的主平面。主平面。e e光光

35、光轴光轴e e光的光的主平面主平面o o光光光轴光轴o o光的光的主平面主平面o o光和光和e e光都是线偏振光，光都是线偏振光，o o光的振动方向垂直于自己的主光的振动方向垂直于自己的主平面，平面，e e光的振动方向平行于自己的主平面光的振动方向平行于自己的主平面o o光有光有o o光的主平面，光的主平面，e e光有光有e e光的主平面光的主平面o o光、光、e e光的主平面可能重合，光的主平面可能重合，也可能不重合也可能不重合（2 2）主平面）主平面2022/12/2748第十三章光的偏振（3 3）主截面）主截面由光轴和晶体表面的法线所组成的平面，称为晶体主截面。例由光轴和晶体表面的法线所

36、组成的平面，称为晶体主截面。例如，方解石的主截面是一平行四边形。如，方解石的主截面是一平行四边形。2022/12/2749第十三章光的偏振当光线在晶体的主截面内入射时当光线在晶体的主截面内入射时,主截面、主截面、o o光和光和e e光的光的主平面均重合。主平面均重合。no=1.658,ne=1.486方方解解石石的的主主截截面面oe2022/12/2750第十三章光的偏振四、四、晶体的主折射率晶体的主折射率 正晶体正晶体 负晶体负晶体光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同,光的传播速度也不同。光的传播速度也不同。惠更斯研究双折射现象提出惠更斯研究双折射现象提出:在

37、各向异性的晶体中，子波源会在各向异性的晶体中，子波源会同时发出同时发出o o光、光、e e光两种子波。光两种子波。o o光的子波，各方向传播的速度相同为光的子波，各方向传播的速度相同为v v0 0，点波源波面为球面点波源波面为球面,振动方向始终垂振动方向始终垂直其主平面。直其主平面。(如图如图)o o光只有一个光速光只有一个光速v vo o 一个折射率一个折射率n no ovo t光轴光轴2022/12/2751第十三章光的偏振e e光的子波光的子波,各方向传播的速度不同。各方向传播的速度不同。e e光在平行光轴方向上的速光在平行光轴方向上的速度与度与o o光的速度相同为光的速度相同为v v0

38、 0点波源波面为旋转椭球点波源波面为旋转椭球面面,振动方向始终在其振动方向始终在其主平面内主平面内.（如图）（如图）光轴光轴ve tvo t e e光在垂直光轴方向上的速光在垂直光轴方向上的速度与度与o o光的速度相差最大，记光的速度相差最大，记为为v ve e，其相应的折射率为其相应的折射率为n ne e.n n0 0，n ne e称为晶体的主折射率称为晶体的主折射率2022/12/2752第十三章光的偏振 正晶体正晶体:ne no (e o)负晶体负晶体:ne o)子波源子波源vo tve t光轴光轴vo tve t光轴光轴 正晶体正晶体(vo ve)负负晶晶体体(vo v vo o）为例

39、：为例：1.1.光轴平行晶体表面，自然光垂直入射光轴平行晶体表面，自然光垂直入射o o、e e光光在在方方向向上上虽虽然然没没有有分分开开，但但速速度度是是不不同的，这仍称作双折射。同的，这仍称作双折射。ee光轴光轴晶体晶体oo2022/12/2755第十三章光的偏振2 2 光光轴轴平平行行晶晶体体表表面面，且且垂垂直直入入射射面面，自自然然光光斜斜入入射射，在在入入射面内射面内o o光与光与e e光都是各向同性的，它们都遵守折射定律光都是各向同性的，它们都遵守折射定律r0o e晶体晶体 光轴光轴irevotve eto ect2022/12/2756第十三章光的偏振第三节第三节 晶体偏振器件

40、晶体偏振器件一、偏振棱镜一、偏振棱镜（一）（一）偏振起偏棱镜偏振起偏棱镜使自然光入射晶体时，其中的一束线偏振光在偏振棱镜内使自然光入射晶体时，其中的一束线偏振光在偏振棱镜内发生全反射，而只出射一束线偏振光。发生全反射，而只出射一束线偏振光。q 格兰格兰-汤姆逊汤姆逊棱镜棱镜q 格兰格兰-付科付科棱镜棱镜2022/12/2757第十三章光的偏振1 1、格兰、格兰-汤姆逊汤姆逊棱镜棱镜当光垂直于棱镜端面入射时，当光垂直于棱镜端面入射时，o o光和光和e e光均不发生偏折，光均不发生偏折，在斜在斜面上的入射角等于棱镜斜面与直角面的夹角。面上的入射角等于棱镜斜面与直角面的夹角。制作时使胶合剂的折射率大

41、于并接近制作时使胶合剂的折射率大于并接近e e光的折射率，光的折射率，但小于但小于o o光折射率，光折射率，并选取棱镜斜面与直角面的夹角大于并选取棱镜斜面与直角面的夹角大于o o光在胶合面光在胶合面上的临界角，上的临界角，这样这样o o光在胶合面上将发生全反射，并被棱镜直光在胶合面上将发生全反射，并被棱镜直角面上的涂层吸收，而角面上的涂层吸收，而e e光由于折射率几乎不变而无偏折地从光由于折射率几乎不变而无偏折地从棱镜出射。棱镜出射。光轴光轴光轴光轴方解石方解石方解石方解石加拿大树胶加拿大树胶o oe e吸收涂层吸收涂层i i2022/12/2758第十三章光的偏振当当上偏角大于某一值上偏角大

42、于某一值时，时，o o光在胶层上的入射角小于临界角，不光在胶层上的入射角小于临界角，不发生全反射而部分地透过棱镜；发生全反射而部分地透过棱镜；当下偏角大于某一值当下偏角大于某一值时，时，e e光折射率增大与光折射率增大与o o光同时发生全反射，光同时发生全反射，没有光从棱镜射出。没有光从棱镜射出。优点：对可见光透明度高，能产生完善的线偏振光优点：对可见光透明度高，能产生完善的线偏振光缺点：不适于用于高度会聚或发散的光束，有效使用截面小，缺点：不适于用于高度会聚或发散的光束，有效使用截面小，价格昂贵价格昂贵当入射光束不是平行光或平行光非正入射偏振棱镜时，棱镜的当入射光束不是平行光或平行光非正入射

43、偏振棱镜时，棱镜的全偏振角或孔径角受到限制。全偏振角或孔径角受到限制。孔径角约为孔径角约为14142022/12/2759第十三章光的偏振2 2、格兰、格兰-付科付科棱镜棱镜将加拿大树胶用空气薄层代替将加拿大树胶用空气薄层代替适用于紫外波段，能承受强光的照射，避免树胶强适用于紫外波段，能承受强光的照射，避免树胶强烈吸收紫光的缺点。孔径角不大，透射比不高。烈吸收紫光的缺点。孔径角不大，透射比不高。2022/12/2760第十三章光的偏振（二）（二）偏振分束棱镜偏振分束棱镜 利利用用晶晶体体的的双双折折射射，且且光光的的折折射射角角与与光光振振动动方方向向有有关关的的原原理理，改改变变振振动动方方

44、向向互互相相垂垂直直的的两两束束线线偏偏振振光光的的传传播播方方向向，从而获得两束分开的线偏振光。从而获得两束分开的线偏振光。q 渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜q 洛匈棱镜洛匈棱镜偏振分束棱镜也称为双像棱镜，常用于偏振光干涉系统。一偏振分束棱镜也称为双像棱镜，常用于偏振光干涉系统。一般采用方解石或石英为材料，两半棱镜光轴取向互相垂直。般采用方解石或石英为材料，两半棱镜光轴取向互相垂直。2022/12/2761第十三章光的偏振1 1、渥拉斯顿棱镜、渥拉斯顿棱镜光从棱镜光从棱镜1 1进入棱镜进入棱镜2 2时，光轴转了时，光轴转了9090度度 o o光光(点点)变变e e光光 光密光密光疏，偏离法线传播光

45、疏，偏离法线传播 折射角入射角折射角入射角 e e光光(道道)变变o o光光 靠近法线传播靠近法线传播进入空气后进入空气后,均是由光密均是由光密光疏，光疏，可得到进一步分开的二束线偏振光。可得到进一步分开的二束线偏振光。no(1.6584)ne(1.4864)平行自然光垂直入射到棱镜端面，在平行自然光垂直入射到棱镜端面，在棱镜棱镜1 1内，内，o o光、光、e e光光以不同速度沿同以不同速度沿同一方向行进。一方向行进。e12方解石方解石方解石方解石 o2022/12/2762第十三章光的偏振例题例题 图示为一渥拉斯顿棱镜的截面，它是由二块锐角均为图示为一渥拉斯顿棱镜的截面，它是由二块锐角均为4

46、545o o的直角方解石棱镜粘合其斜面而构成的。棱镜的直角方解石棱镜粘合其斜面而构成的。棱镜ABCABC的光轴平行于的光轴平行于ABAB，而棱镜而棱镜ADCADC的光轴垂直于图截面。方解石对的光轴垂直于图截面。方解石对o o光和光和e e光的折射光的折射率分别为率分别为n no o=1.658,n=1.658,ne e=1.486=1.486。当自然光垂直当自然光垂直ABAB入射时，问：入射时，问：(1)(1)图中哪一条是图中哪一条是o o光光,哪一条是哪一条是e e光光?(2)?(2)=？解解 (1)(1)如图所示。如图所示。(2)(2)n no osin45sin45o o=n ne es

47、inrsinre e n ne esin45sin45o o=n no osinrsinro o 解得：解得：r re e=52=52o o,r ro o=39=39o o 于是于是 =52=52o o-39-39o o=13=13o o eooe 45o2022/12/2763第十三章光的偏振2 2、洛匈棱镜、洛匈棱镜平行自然光垂直入射棱镜，光在平行自然光垂直入射棱镜，光在第一棱镜中沿着光轴方向传播，第一棱镜中沿着光轴方向传播，不产生双折射，不产生双折射，o o光、光、e e光都以光都以o o光速度沿同一方向行进。光速度沿同一方向行进。进入第二棱镜后，光轴转过进入第二棱镜后，光轴转过9090

48、度，平行于图面振动的度，平行于图面振动的e e光在第二棱镜中变为光在第二棱镜中变为o o光，这支光在两块棱镜中速度不变，光，这支光在两块棱镜中速度不变，无偏折的射出棱镜。无偏折的射出棱镜。垂直于图面振动的垂直于图面振动的 o o光在第二棱镜中变为光在第二棱镜中变为e e光，石英的光，石英的n ne enn0 0，在斜面上折射光线在斜面上折射光线偏向法线偏向法线，得到两束分开的振动方，得到两束分开的振动方向互相垂直的线偏振光。向互相垂直的线偏振光。只允许光从左方射入棱镜。只允许光从左方射入棱镜。2022/12/2764第十三章光的偏振二、波片二、波片也称也称相位延迟相位延迟器，能使偏振光的两个互

49、器，能使偏振光的两个互相垂直的线偏振光之间产生一个相对的相位延迟，相垂直的线偏振光之间产生一个相对的相位延迟，从而改变光的偏振态。从而改变光的偏振态。波片是透明晶体制成的平行平面薄片，其光轴波片是透明晶体制成的平行平面薄片，其光轴与表面平行。与表面平行。对某个波长对某个波长 而言，当而言，当o o、e e光在晶片中的光程差为光在晶片中的光程差为 的某的某个特定倍数时，这样的晶片叫波晶片，简称波片。个特定倍数时，这样的晶片叫波晶片，简称波片。2022/12/2765第十三章光的偏振ydxAAoAe 线偏振光线偏振光光轴光轴当一束线偏振光垂直入射到由当一束线偏振光垂直入射到由单轴晶体制成的波片时，

50、在波单轴晶体制成的波片时，在波片中分解成沿原方向传播但振片中分解成沿原方向传播但振动方向互相垂直的动方向互相垂直的o o光和光和e e光，光，相应的折射率相应的折射率n n0 0 、n ne e。两光在晶片中的速度不同，当通过厚度两光在晶片中的速度不同，当通过厚度d d的晶片后产生相应的晶片后产生相应的相位差为的相位差为2022/12/2766第十三章光的偏振时为圆偏振光时为圆偏振光振幅关系振幅关系两束振动方向两束振动方向互相互相垂直垂直且有一定且有一定相位差的线偏振光相位差的线偏振光叠加叠加，一般得到一般得到椭圆偏振光椭圆偏振光。ydxAAoAe 线偏振光线偏振光光轴光轴2022/12/27