第十七章 波动光学2008(偏振)2.ppt

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1、17-12 双折射现象双折射现象 某些透明晶体（如方解石、石英等）沿不某些透明晶体（如方解石、石英等）沿不同方向其光学特性有所不同同方向其光学特性有所不同（各向异性）（各向异性）。光线进入光学各向异性晶体光线进入光学各向异性晶体(如方解石如方解石)后后产生两条折射光线产生两条折射光线的现象，称为的现象，称为双折射现象双折射现象双折射现象双折射现象。产生线偏振光的方法之三产生线偏振光的方法之三 1演示22(ordinary rays)(extraordinray rays)当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o o o光不动，光不动，光不动，光不动

2、，e e e e光围绕光围绕光围绕光围绕o o o o光旋转光旋转光旋转光旋转3若用偏振器检验若用偏振器检验：o o光和光和e e光都是线偏振光光都是线偏振光,且振动方向相互垂直且振动方向相互垂直二二.晶体的光轴、主平面晶体的光轴、主平面1.1.光轴光轴光轴光轴-晶体内的一个特殊方向，光沿此方向传播时不发生双折晶体内的一个特殊方向，光沿此方向传播时不发生双折晶体内的一个特殊方向，光沿此方向传播时不发生双折晶体内的一个特殊方向，光沿此方向传播时不发生双折射现象。射现象。射现象。射现象。AB方方方方 解解解解 石石石石 晶晶晶晶 体体体体光轴光轴4凡平行于此方向的直线凡平行于此方向的直线均为光轴。

3、均为光轴。注意注意：光轴是一个特殊的方向。光轴是一个特殊的方向。有两个光轴的晶体称有两个光轴的晶体称（云母、硫磺等）（云母、硫磺等）仅有一个光轴的晶体仅有一个光轴的晶体（如方解石、石英、冰）（如方解石、石英、冰）仅讨论单轴晶体仅讨论单轴晶体单轴晶体单轴晶体双轴晶体双轴晶体5 晶体中任意折射光线和光轴方向所决定的平面，叫做晶体中任意折射光线和光轴方向所决定的平面，叫做该光该光线的主平面。线的主平面。2.主平面主平面注意：注意：o o光与光与e e光都有各自的主平面光都有各自的主平面o o光光 光振动垂直光振动垂直其其主平面；（记）主平面；（记）实验表明实验表明:e e光光 光振动在其主平面内。（

4、记）光振动在其主平面内。（记）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 e光传播方向改变，其振动方向和光轴方向夹角也随之变化。光传播方向改变，其振动方向和光轴方向夹角也随之变化。o光光的光振动方向始终的光振动方向始终与光轴垂直与光轴垂直。e 光光的光振动方向的光振动方向与光轴共面与光轴共面。6 一般情况下一般情况下o o光和光和e e光这两个主平面并不重合光这两个主平面并不重合当光轴在入射面内时当光轴在入射面内时,o 光与光与 e 光的主平面及入射光的主平面及入射面重合面重合,o光和光和e光的光振动即互相垂直光的光振动即互相垂直co光主平面e光主平面 入射面三者

5、共面三者共面7当光轴在入射面内时当光轴在入射面内时,o 光与光与 e 光的主平面及入射光的主平面及入射面重合面重合,o光和光和e光的光振动即互相垂直光的光振动即互相垂直主要讨论此种特殊情况主要讨论此种特殊情况ACBoeDeoCCCCOO光光光光 垂直于主平面ee光光光光 在主平面内光线ee光光光光OO光光光光、都在主平面内8三三.惠更斯原理双折射现象中的应用惠更斯原理双折射现象中的应用 用作图法确定单轴晶体中用作图法确定单轴晶体中 o光和光和e光的传播方向光的传播方向注意注意:双折射的本质是双折射的本质是1.给出两个实验结果给出两个实验结果：沿光轴方向沿光轴方向 e光速度等于光速度等于o光速度

6、光速度 即等于即等于 Vo 在垂直光轴方向在垂直光轴方向 o光光 e光两个速度差别最大光两个速度差别最大 与与 o光速度差别最大的光速度差别最大的e光速度光速度 记做记做 Ve e e 光传播速度与方向有关光传播速度与方向有关(各向异性各向异性)o o 光传播的速度在各方向相等光传播的速度在各方向相等(各向同性各向同性)传播速度的各向异性传播速度的各向异性9定义定义 :称称 no ，ne 为晶体的主折射率。为晶体的主折射率。正晶体正晶体-负晶体负晶体-正晶体正晶体如石英、碳、冰如石英、碳、冰.负晶体负晶体如方解石、红宝石如方解石、红宝石2.晶体的主折射率晶体的主折射率 正晶体与负晶体正晶体与负

7、晶体1.给出两个实验结果给出两个实验结果：在光轴方向在光轴方向 e光速度等于光速度等于o光速度光速度 即等于即等于 Vo 在垂直光轴方向在垂直光轴方向 o光光 e光两个速度差别最大光两个速度差别最大 与与 o光速度差别最大的光速度差别最大的e光速度光速度 记做记做 Ve 10光轴光轴正晶体正晶体负晶体负晶体o光光e e光光光轴光轴晶体中的子波波面晶体中的子波波面:3.用惠更斯作图法说明双折射现象用惠更斯作图法说明双折射现象（负晶体）（负晶体）u光轴在入射面内的情况光轴在入射面内的情况A）光轴与晶体表面有一夹角光轴与晶体表面有一夹角 （斜入射）（斜入射）113.用惠更斯作图法说明双折射现象用惠更

8、斯作图法说明双折射现象o o光光晶体晶体光轴光轴光轴光轴（负晶体）（负晶体）u光轴在入射面内的情况光轴在入射面内的情况A）光轴与晶体表面有一夹角（斜入射）光轴与晶体表面有一夹角（斜入射）自然光自然光光轴光轴e e光光1 12 23 312B）光轴与晶体表面有一夹角（正入射）光轴与晶体表面有一夹角（正入射）自然光自然光光轴光轴光轴光轴1 12 23 313自自然然光光o o光光e e光光光轴光轴（负晶体）（负晶体）C）光轴与晶体表面垂直（正入射）光轴与晶体表面垂直（正入射）结论：结论：无双折射无双折射沿光轴方向入射沿光轴方向入射1 12 23 3光轴光轴14（负晶体）（负晶体）D）光轴与晶体表面

9、平行（正入射）光轴与晶体表面平行（正入射）自自然然光光o o光光e e光光光轴光轴结论：结论：有双折射。有双折射。15o o光光光轴光轴自然光自然光负晶体负晶体o o光光e e光光光轴光轴朝左看朝左看看到的是看到的是光轴光轴（斜入射）（斜入射）（负晶体）（负晶体）u 光轴垂直入射面并平行于晶面的情况光轴垂直入射面并平行于晶面的情况1 12 23 3e e光光16o e晶体晶体 光轴光轴eivotve eto ect上述自然光斜入射，上述自然光斜入射，光轴垂直入射面并平行光轴垂直入射面并平行于晶面的情况于晶面的情况在这种特殊的情况下，对在这种特殊的情况下，对e 光也可以用光也可以用折射定律。折射

10、定律。01 12 217AABCC四四.偏振棱镜偏振棱镜自然光自然光光轴光轴68711）尼科尔棱镜（）尼科尔棱镜（WNicol 1928年）年）no=1.658ne=1.486o o光光e e光光n加拿大加拿大=1.550O光以光以76入射到入射到加拿大加拿大树胶，产生全反射后被树胶，产生全反射后被吸收。吸收。76e e光出射成为偏振光光出射成为偏振光AC方解石方解石ADCBn加加ne ee 光不会发生全反射光不会发生全反射因为因为，所以，所以18光轴光轴光轴光轴光轴光轴o o光光e光光光进入到第光进入到第1块方解石后，块方解石后，o光和光和 e光光在方向上没有分开，在方向上没有分开，2）沃拉

11、斯顿棱镜（）沃拉斯顿棱镜（Wollaston）由于两块方解石光轴垂直，当光进入到方解石由于两块方解石光轴垂直，当光进入到方解石2时，时，o 光变成光变成e光，光，e光变成光变成o 光，光，于是两光束在界面处发生折射而分开。于是两光束在界面处发生折射而分开。近法线近法线远法线远法线eooe方解石方解石方解石方解石19图图(b):光沿光轴传播时光沿光轴传播时,不发生双折射不发生双折射.e 光光,o 光传播方向与传播速度相同光传播方向与传播速度相同.图图(c)c)光轴平行于晶体表面时光轴平行于晶体表面时:e e光光,o o光传播方向相同光传播方向相同,但速度不同但速度不同;发生双折射发生双折射.e.

12、e光振动方向平行于光轴光振动方向平行于光轴,o o 光振动方向垂直于光轴光振动方向垂直于光轴.20u 对晶体对晶体:振动面旋转角度振动面旋转角度.u 对液体对液体:晶体厚度晶体厚度.晶体的旋光率晶体的旋光率.溶液浓度溶液浓度.旋光率旋光率.*17-13 旋光现象旋光现象 线偏振光线偏振光通过某些透明物质时，其通过某些透明物质时，其振动面振动面将以光的传播方将以光的传播方向为轴线向为轴线转过一定的角度转过一定的角度，这种现象叫旋光现象。，这种现象叫旋光现象。1.晶体和溶液的旋光性晶体和溶液的旋光性应用：应用：量糖术量糖术 测量糖溶液的浓度测量糖溶液的浓度212.磁致旋光磁致旋光l:样品长度样品长

13、度B:磁场磁场 V:费尔德常数费尔德常数应用：光隔离器应用：光隔离器这样可以消除反射光的这样可以消除反射光的干扰。干扰。令令 =45，则则 2 =90，反射光通不过反射光通不过P BPM 磁致旋光物质磁致旋光物质对玻璃，二氧化碳，汽油等对玻璃，二氧化碳，汽油等22质点沿顺时针方向运动（右旋）质点沿顺时针方向运动（右旋）质点沿逆时针方向运动（左旋）质点沿逆时针方向运动（左旋）*17-14 偏振光的干涉偏振光的干涉复习：两相互垂直的简谐运动的合成复习：两相互垂直的简谐运动的合成 -一般结果是椭圆一般结果是椭圆一一.圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光xy23讨论讨论:直线运动直线运动正椭圆正椭

14、圆变成圆变成圆当当则则(2)(1)2A12A22A（两个同频率且相互垂直的线偏振光的合成）（两个同频率且相互垂直的线偏振光的合成）（线偏振光）（线偏振光）（椭圆偏振光）（椭圆偏振光）（圆偏振光）（圆偏振光）24二二.晶片（波片）晶片（波片）线偏振光垂直入射到晶片上，晶体中的线偏振光垂直入射到晶片上，晶体中的 o o光和光和 e e光虽然传播方向相同，但经过光虽然传播方向相同，但经过波片后，波片后，o o光和光和e e光产生光程差光产生光程差.相位差相位差:1.四分之一四分之一 波片波片 晶片厚度满足晶片厚度满足 从单轴晶体切下来的厚度均匀的薄片，其从单轴晶体切下来的厚度均匀的薄片，其表面与晶体

15、表面与晶体 的光轴平行的光轴平行。波片波片:d d 为晶片厚度为晶片厚度光程差光程差:相位差相位差:(负晶体）负晶体）或或或或252.二分之一二分之一 波片波片 晶片厚度满足晶片厚度满足三三.椭圆偏振光和圆偏振光的产生椭圆偏振光和圆偏振光的产生1/4波片波片正正椭圆偏振光椭圆偏振光圆圆偏振光偏振光注意注意:/2波片波片 /4 波片波片 必须指明波长必须指明波长(假设为负晶体）假设为负晶体）相位差相位差:o,e 两光光程差两光光程差:振幅关系：振幅关系：AAoAe 光轴光轴P或或或或光轴光轴26四四.偏振光的干涉偏振光的干涉(一一).).干涉装置干涉装置两偏振片中间再放一波片就构成偏振光干涉装置

16、两偏振片中间再放一波片就构成偏振光干涉装置1.偏振片偏振片 p1：产生线偏振光。产生线偏振光。2.晶片晶片:分振动面分振动面:把入射的线偏振光分解为把入射的线偏振光分解为 o o光和光和e e光；光；相位延迟相位延迟:o o光和光和 e e光出射光出射 晶片时，产生位相差晶片时，产生位相差 3.偏振片偏振片 p2：把从晶片中出射的把从晶片中出射的 o光和光和 e光再引到同一方向上来。光再引到同一方向上来。27p1p2C(二二).).偏振光的干涉原理偏振光的干涉原理A1AeAoA2eA2op1、p2-两正交偏振片的偏振化方向两正交偏振片的偏振化方向 C-晶片光轴方向晶片光轴方向 故在故在 p1、

17、p2 正交时正交时 两相干光总的位相差两相干光总的位相差第一项是通过晶片产生的，第二项为由几何投影产生的附第一项是通过晶片产生的，第二项为由几何投影产生的附加位相差，由加位相差，由 p p1 1 和和 p p2 2 的夹角具体而定。的夹角具体而定。经波片后经波片后:经偏振片经偏振片P P2 2后后:28当当 加强加强 减弱减弱k=1,2,.或或 加强加强 减弱减弱k=1,2,.用单色光入射时，用单色光入射时，若晶片厚度不均匀，视场出现干涉条纹；若晶片厚度不均匀，视场出现干涉条纹；当白光入射，当白光入射，晶片厚度一定，视场将出现一定的彩色晶片厚度一定，视场将出现一定的彩色-称为色偏振。称为色偏振

18、。在装置确定后在装置确定后相位差与相位差与 晶体晶体主折射率差主折射率差 与与波长波长 与波片与波片厚度厚度有关有关若晶片厚度均匀，干涉加强时最亮若晶片厚度均匀，干涉加强时最亮,反之最暗反之最暗,并无干涉条纹并无干涉条纹若晶片各处厚度不同，则视场中将出现彩色条纹。若晶片各处厚度不同，则视场中将出现彩色条纹。2917-15 人工双折射人工双折射一一.应力双折射（光弹效应）应力双折射（光弹效应）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干涉条纹应力双折射显示的偏振光干涉条纹 在内在内 应力或外机械应力作用下，非晶体应力或外机械应力作用下，非晶体物质产生各向异性而产生的双折射现象。物质产

19、生各向异性而产生的双折射现象。30应力应力各向异性各向异性在一定应力范围内：在一定应力范围内：P1P2 dFSF干涉干涉有机玻璃有机玻璃C v 各向不同各向不同 n各向不同各向不同各处各处 不同不同 各处各处 不同不同 出现干涉条纹出现干涉条纹 变变 变变干涉情况变干涉情况变光测弹性法光测弹性法31模模型型的的光光弹弹图图象象钓钓钩钩的的光光弹弹图图象象32二二.克尔效应（克尔效应（1875）非晶体或液体在强外电场作用下产生的双折射现象。非晶体或液体在强外电场作用下产生的双折射现象。盒内充某种液体盒内充某种液体 如硝基苯（如硝基苯（C C6 6H H5 5NONO2 2）不加电场不加电场液体各

20、向同性液体各向同性P P2 2不透光不透光 加电场加电场液体呈单轴晶体性质液体呈单轴晶体性质光轴平行电场强度方向光轴平行电场强度方向 P P2 2透光透光33k 克克尔尔常常数数 U 电压电压主折射率之差与电场强度的关系是主折射率之差与电场强度的关系是:电压电压 U 变化，光程差变化，光程差 随之变化随之变化 ，从而使透过，从而使透过 p2 的的光强也随之变化。光强也随之变化。克尔效应的响应时间极短，约为克尔效应的响应时间极短，约为 10-9 s 应用应用:制作电控光开关和光调制器制作电控光开关和光调制器,用于高速摄影、光用于高速摄影、光速测距速测距、激光通信和电视等装置中。激光通信和电视等装

21、置中。34小结：小结：偏振光的获得和检验偏振光的获得和检验1.偏振光的获得偏振光的获得1)线偏振光：线偏振光：2)椭圆偏振光：椭圆偏振光：从自然光获得线偏振光，用起偏器、玻片堆、从自然光获得线偏振光，用起偏器、玻片堆、偏振片、尼科耳棱镜等。偏振片、尼科耳棱镜等。自然光通过起偏器和一个波片即可。自然光通过起偏器和一个波片即可。2.检验偏振光检验偏振光设入射光有以下五种：设入射光有以下五种：自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。35 偏振光的检验偏振光的检验偏振光的检验偏振光的检验方法：方法：第一步：第一步：第一步：第一步：让光通过

22、检偏器让光通过检偏器让光通过检偏器让光通过检偏器,并让检偏器旋转一周，则并让检偏器旋转一周，则并让检偏器旋转一周，则并让检偏器旋转一周，则FF线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光:两次光强最大两次光强最大两次光强最大两次光强最大,两次为零两次为零两次为零两次为零FF部分偏振光和椭圆偏振光：部分偏振光和椭圆偏振光：部分偏振光和椭圆偏振光：部分偏振光和椭圆偏振光：两次光强最大两次光强最大两次光强最大两次光强最大,两次最小两次最小两次最小两次最小,但不为零但不为零但不为零但不为零检偏器检偏器检偏器检偏器FF自然光和圆偏振光：自然光和圆偏振光：自然光和圆偏振光：自然光和圆偏振光：光强始终不变光强始终不变光

23、强始终不变光强始终不变 第二步：第二步：第二步：第二步：区别自然光与圆偏振光，区别自然光与圆偏振光，区别自然光与圆偏振光，区别自然光与圆偏振光，部分偏振光与椭圆偏振光部分偏振光与椭圆偏振光部分偏振光与椭圆偏振光部分偏振光与椭圆偏振光FF圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光：由两个有确定位相差的相互垂直的光振由两个有确定位相差的相互垂直的光振由两个有确定位相差的相互垂直的光振由两个有确定位相差的相互垂直的光振动合成而成动合成而成动合成而成动合成而成FF自然光和部分偏振光：自然光和部分偏振光：自然光和部分偏振光：自然光和部分偏振光：不同振动面上的光振动彼

24、此独立，即两个不同振动面上的光振动彼此独立，即两个不同振动面上的光振动彼此独立，即两个不同振动面上的光振动彼此独立，即两个相互垂直的振动之间没有恒定的位相差相互垂直的振动之间没有恒定的位相差相互垂直的振动之间没有恒定的位相差相互垂直的振动之间没有恒定的位相差36 基本方法：基本方法：基本方法：基本方法：基本方法：基本方法：在检偏器前加一块在检偏器前加一块在检偏器前加一块在检偏器前加一块在检偏器前加一块在检偏器前加一块/4 4 4波片波片波片波片波片波片区别自然光和圆偏振光区别自然光和圆偏振光区别自然光和圆偏振光区别自然光和圆偏振光:检偏器检偏器后圆偏振光成为线偏振光，转动检偏器，后圆偏振光成为

25、线偏振光，转动检偏器，后圆偏振光成为线偏振光，转动检偏器，后圆偏振光成为线偏振光，转动检偏器，后圆偏振光成为线偏振光，转动检偏器，后圆偏振光成为线偏振光，转动检偏器，有最大光强和消光的为圆偏振光，没有变化的则为自然光有最大光强和消光的为圆偏振光，没有变化的则为自然光有最大光强和消光的为圆偏振光，没有变化的则为自然光有最大光强和消光的为圆偏振光，没有变化的则为自然光有最大光强和消光的为圆偏振光，没有变化的则为自然光有最大光强和消光的为圆偏振光，没有变化的则为自然光经经经经经经 /4/4/4波片波片波片波片波片波片区别部分偏振光和椭圆偏振光区别部分偏振光和椭圆偏振光区别部分偏振光和椭圆偏振光区别部

26、分偏振光和椭圆偏振光:/4波波片片的的光光轴轴方方向向平平行行于于椭椭圆圆偏偏振振光光的的长长轴轴或或短短轴轴,经经/4波波片片后后椭圆偏振光变为线偏振光，可根据光强的变化进行区别椭圆偏振光变为线偏振光，可根据光强的变化进行区别37第一步第一步令入射光通过偏振片令入射光通过偏振片I，改变改变 I 的透振方向，观察透射光强的透振方向，观察透射光强变化。变化。观察现象观察现象结论结论有消失有消失线偏振光线偏振光强度无变化强度无变化自然光或圆偏振光自然光或圆偏振光强度有变化，但无消光强度有变化，但无消光部分偏振光或椭圆偏振光部分偏振光或椭圆偏振光 四四分分之之一一波波片片圆偏振光圆偏振光自然光自然光自然光自然光线偏振光线偏振光 偏偏振振片片（转转动动）线偏振光线偏振光 I不变不变线偏振光线偏振光I 变，有消光变，有消光以入射光方向为轴以入射光方向为轴 四四分分之之一一波波片片 椭圆偏振光椭圆偏振光 部分偏振光部分偏振光线偏振光线偏振光 偏偏振振片片（转转动动）线偏振光线偏振光I 变，有消光变，有消光 部分部分偏振光偏振光线偏振光线偏振光I变变,无消光无消光 光轴平行最大光强或最小光强方向放置光轴平行最大光强或最小光强方向放置或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置38