第12章光学精选文档.ppt

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1、第12章光学1本讲稿第一页，共五十页 12.11 光的横波性与偏振现象光的横波性与偏振现象 12.22 光在反射、折射时的偏振光在反射、折射时的偏振 12.13 光在晶体中的双折射光在晶体中的双折射 12.14 偏振光的干涉偏振光的干涉第第1212章章 光的偏振光的偏振2本讲稿第二页，共五十页一、横波与偏振现象一、横波与偏振现象 机械横波机械横波的检验的检验若振动方向平行若振动方向平行AB AB 通通若把若把ABAB旋旋90900 0，则，则 不通不通只有横波有偏振现象只有横波有偏振现象 而纵波无偏振问题而纵波无偏振问题12.11 光的横波性与偏振现象光的横波性与偏振现象3本讲稿第三页，共五十

2、页通通不通不通通光方向或通光方向或偏振化方向偏振化方向用用偏振片偏振片检验检验光的横波性光的横波性通光方向4本讲稿第四页，共五十页1.1.线偏振光线偏振光线偏振光的图示线偏振光的图示也叫也叫面偏振光面偏振光 偏振光偏振光 完全偏振光完全偏振光二、光源的偏振状态二、光源的偏振状态在纸面内振动在纸面内振动垂直纸面的振动垂直纸面的振动5本讲稿第五页，共五十页 一个原子一次发光一定是偏振光一个原子一次发光一定是偏振光 如何得到可实用的线偏振光呢如何得到可实用的线偏振光呢?特殊特殊光源光源如外腔式如外腔式激光器激光器更多的途径是更多的途径是从从普通光源中普通光源中获取获取 普通光源的偏振态普通光源的偏振

3、态 通常是自然光和部分偏振光通常是自然光和部分偏振光6本讲稿第六页，共五十页2 2自然光自然光 普通光源发光：普通光源发光：在人们观察的时间内在人们观察的时间内 有有无穷次无穷次的发光的发光按统计的观点按统计的观点 人们观察到的将是：人们观察到的将是：在在垂直传播方向的平面内垂直传播方向的平面内 各个方向各个方向的光振动全有的光振动全有 各个振动各个振动方向的强度相等方向的强度相等7本讲稿第七页，共五十页在实际应用中将光矢量分解为在实际应用中将光矢量分解为振幅相等的两个垂直分量振幅相等的两个垂直分量视研究的问题决定如何取坐标轴视研究的问题决定如何取坐标轴如在从自然光中获取偏振光时如在从自然光中

4、获取偏振光时偏振片的通光方向就是首选的坐标轴偏振片的通光方向就是首选的坐标轴y或或x图示图示各个方向振动全有各个方向振动全有8本讲稿第八页，共五十页3.3.部分偏振光部分偏振光本质上同自然光本质上同自然光 但显示出某个方向的振动较强些但显示出某个方向的振动较强些 通光方向通光方向用偏振片检验用偏振片检验图示图示分量占优分量占优分量占优分量占优9本讲稿第九页，共五十页第一第一 如何判别光源如何判别光源的偏振态的偏振态偏振光的检验偏振光的检验三个基本途径三个基本途径原理：原理：二向色性二向色性 布儒斯特定律布儒斯特定律双折射双折射第二第二 如何从普通如何从普通光源中取得偏振光光源中取得偏振光从实用

5、的角度从实用的角度 必须解决必须解决两两大问题大问题10本讲稿第十页，共五十页偏偏振振化化方方向向自自然然光光振振线线偏偏光光偏振片偏振片第一种第一种从普通光源中获取偏振光的方法从普通光源中获取偏振光的方法利用偏振片（二向色性）可以获取偏振光利用偏振片（二向色性）可以获取偏振光11本讲稿第十一页，共五十页三、偏振状态的检验三、偏振状态的检验入射光入射光出射光出射光观察出射光观察出射光强的变化强的变化偏振片偏振片(检偏器检偏器)消光消光不变不变入射光入射光入射光入射光入射光入射光线偏振线偏振自然光自然光部分偏振部分偏振光强变化光强变化12本讲稿第十二页，共五十页四、马吕斯定律四、马吕斯定律 线线

6、偏振光偏振光通过偏振片后的光强通过偏振片后的光强反映光矢量对传播方向不对称反映光矢量对传播方向不对称线偏振光线偏振光A0 A13本讲稿第十三页，共五十页PS S光强光强I的自然光通过偏振片后光强变为多少的自然光通过偏振片后光强变为多少?该偏振片可以从自然光中取得偏振光该偏振片可以从自然光中取得偏振光称为起偏器称为起偏器理想偏振片理想偏振片14本讲稿第十四页，共五十页 例题例题.光强为光强为I的一束自然光的一束自然光,依次通过三个偏振片依次通过三个偏振片P1、P2、P3 .已知已知P1 和和 P3 的偏振化方向相互垂直的偏振化方向相互垂直,且偏振片无吸收且偏振片无吸收.设设P1 和和P2 的偏振

7、的偏振化方向的夹角为化方向的夹角为,若以入射光为轴旋转若以入射光为轴旋转P2 则通过这三个偏振片后的则通过这三个偏振片后的光强光强是是_;当当为为_时时 I 有最大值有最大值_.P P1 1P P2 2P P3 3自然光自然光15本讲稿第十五页，共五十页一、现象一、现象自然光入射在两各向同性介质表面自然光入射在两各向同性介质表面观察反射光观察反射光 折射光线的偏振状态折射光线的偏振状态1.1.一般入射角的情况一般入射角的情况反射光反射光 折射光都是折射光都是部分偏振光部分偏振光 反射光中反射光中 垂直入射垂直入射面振动占优面振动占优折射光中折射光中平行入射平行入射面振动占优面振动占优12.12

8、 光在反射、折射时的偏振光在反射、折射时的偏振16本讲稿第十六页，共五十页2.2.特殊入射角的情况特殊入射角的情况（1)1)两光偏振状态两光偏振状态反射光反射光-完全偏振光完全偏振光折射光折射光-部分偏振光部分偏振光（2)2)反射光线与折射光线反射光线与折射光线垂直垂直(起偏角起偏角或或布儒斯特角布儒斯特角)入射角满足入射角满足17本讲稿第十七页，共五十页二、布儒斯特定律二、布儒斯特定律 光在两各向同性介质表面入射时光在两各向同性介质表面入射时如果入射角与两介质折射率存在下述关系如果入射角与两介质折射率存在下述关系平行入射面的光振动全透过平行入射面的光振动全透过这就是布儒斯特定律这就是布儒斯特

9、定律思考：思考：如果入射光中只有垂直入射面的振动分量如果入射光中只有垂直入射面的振动分量则反射光和透射光的偏振状态如何？则反射光和透射光的偏振状态如何？18本讲稿第十八页，共五十页三、玻片堆可获得两束线偏振光三、玻片堆可获得两束线偏振光 作业：作业：12.46 12.5119本讲稿第十九页，共五十页（C C）用偏光镜用偏光镜消除消除了反了反射偏振光射偏振光 使玻璃门使玻璃门内的人物清晰可见内的人物清晰可见（A A）玻璃门玻璃门表面的表面的反光反光很强很强（B B）用偏光镜用偏光镜减弱减弱了了反射偏振光反射偏振光20本讲稿第二十页，共五十页总结总结 从普通光源中获得线偏振光的方法从普通光源中获得

10、线偏振光的方法1.1.利用各向异性物质的利用各向异性物质的二向色性二向色性(偏振片偏振片)物质对振动方向显现出物质对振动方向显现出吸收系数吸收系数的不同的不同2.2.利用自然光在两个各向同性介质表面的利用自然光在两个各向同性介质表面的反射反射 (布儒斯特仪布儒斯特仪)物质对振动方向显现出物质对振动方向显现出反射系数反射系数的不同的不同3.3.利用各向异性晶体的利用各向异性晶体的双折射双折射(晶体偏振器晶体偏振器)物质对振动方向显现出物质对振动方向显现出传播速度传播速度的不同的不同21本讲稿第二十一页，共五十页象象折射现折射现双双折射现折射现方解石晶体方解石晶体CaCO3纸面纸面 双折射现象双折

11、射现象12.13 光在晶体中的双折射光在晶体中的双折射 本讲稿第二十二页，共五十页一、各向异性晶体中的双折射现象一、各向异性晶体中的双折射现象自然光进入各向异性晶体中自然光进入各向异性晶体中 光线？光线？方解石晶体方解石晶体现象：现象：(1)(1)两束折射光两束折射光服从折射定律服从折射定律寻常光线寻常光线o o 光光不服从折射定律不服从折射定律异常光线异常光线e e 光光23本讲稿第二十三页，共五十页光光光光双双折折射射纸面纸面令方解石晶体绕光线旋转令方解石晶体绕光线旋转24本讲稿第二十四页，共五十页光光光光双双折折射射纸面纸面25本讲稿第二十五页，共五十页光光 光光双双折折射射纸面纸面26

12、本讲稿第二十六页，共五十页光光光光双双折折射射纸面纸面27本讲稿第二十七页，共五十页（2)o2)o光光 e e光的光的 偏振状态偏振状态均是偏振光均是偏振光两者振动方向两者振动方向 近乎垂直近乎垂直需要需要进一步进一步解决的问题：解决的问题：（1)e1)e光在晶体内的传播方向？光在晶体内的传播方向？（2)o2)o光光 e e光的振动方向光的振动方向？需要先介绍晶体的基本知识需要先介绍晶体的基本知识28本讲稿第二十八页，共五十页二、晶体的光轴二、晶体的光轴 光线的主平面光线的主平面1.1.光轴光轴(方向方向)在这个方向上在这个方向上 不发生双折射不发生双折射称这个特殊方向为晶体的光轴称这个特殊方

13、向为晶体的光轴注意：注意：光轴在晶体内光轴在晶体内光轴是一个方向光轴是一个方向光轴光轴29本讲稿第二十九页，共五十页 光线在晶体光线在晶体内部内部沿着光轴方向传播沿着光轴方向传播 不发生双折射不发生双折射分类：分类：单轴晶体单轴晶体 双轴晶体双轴晶体 只有一个光轴方向只有一个光轴方向 有两个光轴方向有两个光轴方向方解石方解石(冰洲石冰洲石)石英石英 云母云母 蓝宝石蓝宝石2.2.光线的主平面光线的主平面光线与光轴组成的平面称该光线的主平面光线与光轴组成的平面称该光线的主平面30本讲稿第三十页，共五十页方解石方解石eoe光的主平面O光的主平面一般情况下两个光线主平面不重合一般情况下两个光线主平面

14、不重合特殊特殊情况下情况下光轴在入射面内，光轴在入射面内，两个光线主平面重合，两个光线主平面重合，此时，两个光线的主平面可用入射面代替！此时，两个光线的主平面可用入射面代替！31本讲稿第三十一页，共五十页三、三、o光光 e光的振动方向光的振动方向 o光和光和e光都是线偏振光光都是线偏振光 振动方向怎样说明呢？振动方向怎样说明呢？必须由各光线的主平面来说明必须由各光线的主平面来说明 光轴光轴oo o光的振动垂直光的振动垂直o o光的主平面光的主平面e光的振动在光的振动在e光的主平面内光的主平面内e两光偏振方向垂直两光偏振方向垂直32本讲稿第三十二页，共五十页33本讲稿第三十三页，共五十页四、惠更

15、斯原理确定晶体中光线传播方向四、惠更斯原理确定晶体中光线传播方向 作图法确定单轴晶体中作图法确定单轴晶体中o o光和光和e光的传播方向光的传播方向1.o光光 e光的子波面光的子波面 注意注意:双折射的本质是传播速度的各向异性双折射的本质是传播速度的各向异性 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)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)结论结论:o光的子波面光的子波面 一定是球面一定是球面 e光的子波面光的子波面 肯定不是球面肯定不是球面 34本讲稿第三十四页，共五十页给出两个给出两个实验事实：实验事实：（1 1）在光轴方向在光轴方向 e

16、 e光的速度等于光的速度等于o o光速度光速度 即即等于等于V Vo o（2 2）在垂直光轴方向在垂直光轴方向 o o光光e e光两个速度差别最大光两个速度差别最大 与与o o光速度差别最大的速度光速度差别最大的速度 记做记做V Ve e 按按V Ve e与与V Vo o关系不同将晶体分为正负两种关系不同将晶体分为正负两种正晶体正晶体 负晶体负晶体 35本讲稿第三十五页，共五十页正晶体正晶体 方解石方解石 负晶体负晶体 石英石英称为晶体的主折射率称为晶体的主折射率 与波长有关与波长有关 光轴在入射面内光轴在入射面内o o光的子波面光的子波面e光的子波面光轴垂直入射面光轴垂直入射面负晶体的子波面

17、负晶体的子波面e e光的子波面是以光轴为轴的旋转椭球面光的子波面是以光轴为轴的旋转椭球面36本讲稿第三十六页，共五十页2.2.惠更斯作图惠更斯作图法法(1)(1)光轴平行晶体表面光轴平行晶体表面自然光垂直入射自然光垂直入射 e o e o光轴光轴晶体晶体 o光光和和e光光在在方方向向上上虽虽没没分分开开，但但速速度度上上是是分分开开的的。仍仍产生双折射产生双折射现象。现象。37本讲稿第三十七页，共五十页(2)(2)光轴平行晶体表面，且垂直入射面，光轴平行晶体表面，且垂直入射面，自然光斜入射自然光斜入射晶体晶体 光轴光轴ir0reo ot e eteo ect在此特殊情况下，在此特殊情况下，o光

18、、光、e光均满足折射定律。光均满足折射定律。38本讲稿第三十八页，共五十页(3)(3)光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射o e晶体晶体光轴光轴 e方解石方解石光轴光轴o eo此时此时e光的波面不再与其波射线垂直了光的波面不再与其波射线垂直了39本讲稿第三十九页，共五十页一、典型装置一、典型装置 波晶片波晶片:光轴平行于入射表面的晶体薄片光轴平行于入射表面的晶体薄片 两个正交的偏振片两个正交的偏振片 记做记做 三个元件表面平行三个元件表面平行 自然光正入射自然光正入射12.14 偏振光的干涉偏振光的干涉40本讲稿第四十页，共五十页?在上述装置下在上述装置下 令单

19、色自然光正入射令单色自然光正入射 分析各区光的偏振状态分析各区光的偏振状态 起偏器起偏器P后是线偏振光后是线偏振光 线偏振光经波晶片线偏振光经波晶片C后偏振态后偏振态?强度强度?检偏器检偏器A后的偏振态后的偏振态?强度强度?41本讲稿第四十一页，共五十页二、线偏振光通过波晶片后的偏振状态二、线偏振光通过波晶片后的偏振状态（3)o 光光 e 光的光程差光的光程差结论结论:（1)1)o 光光 e 光传播方向相同光传播方向相同 同一点源发出的同一点源发出的o 光光 e 光不分开光不分开（2)o 光光 e 光振动方向垂直光振动方向垂直 o 光轴光轴 e 光轴光轴可以用光轴来说明可以用光轴来说明o e光

20、光 振动方向振动方向线偏振光线偏振光与入射面与入射面有一夹角有一夹角42本讲稿第四十二页，共五十页（4)4)线偏振光通过波晶片后的偏振状态线偏振光通过波晶片后的偏振状态 两个同频率的两个同频率的 振动方向垂直的振动方向垂直的 有确定相位差的有确定相位差的 简谐振动的合成简谐振动的合成 一般一般合成光矢量端点的轨迹是椭圆合成光矢量端点的轨迹是椭圆但但 每时刻每时刻都是都是线偏振光线偏振光所以所以 称为称为椭圆偏振光椭圆偏振光光轴光轴43本讲稿第四十三页，共五十页 特殊特殊1 1 若晶片厚度合适若晶片厚度合适 使使 o光光e光的光程差为光的光程差为 /4 波长波长 相位差是相位差是正椭圆偏振光正椭

21、圆偏振光圆偏振光圆偏振光如果再让如果再让该波晶片叫四分之一波片该波晶片叫四分之一波片44本讲稿第四十四页，共五十页 特殊特殊2 若晶片厚度合适若晶片厚度合适 使使o光光e光的光程差为光的光程差为 /2 波长波长称该波晶片为二分之一波片称该波晶片为二分之一波片(或称半波片或称半波片)经二分之一波片后经二分之一波片后 o光光e光相位差为光相位差为 合成为合成为线偏振光线偏振光相位差是相位差是45本讲稿第四十五页，共五十页线线偏偏振振在在 /2/2片前片前过过 /2/2片后片后仍是线偏振仍是线偏振旋转了旋转了2 角角/2片片注意注意:/2/2波片波片 /4/4 波片波片 必须指明波长必须指明波长1

22、31 3象限的振动象限的振动2 42 4象限的振动象限的振动光轴光轴46本讲稿第四十六页，共五十页三、三、相干区相干区 干涉强度干涉强度相干区相干区 相干光的振幅相干光的振幅光轴光轴47本讲稿第四十七页，共五十页 相干光光程差相干光光程差 由波片厚度引进的是由波片厚度引进的是在该装置中在该装置中 两光经两光经检偏器检偏器A后振动步调相反后振动步调相反所以装置带来的所以装置带来的附加光程差是附加光程差是总光程差总光程差48本讲稿第四十八页，共五十页 合成结果合成结果相位差相位差49本讲稿第四十九页，共五十页讨论讨论（1)1)典型装置典型装置相干条件的实现相干条件的实现:波晶片波晶片 保证从一次发光中分出两支保证从一次发光中分出两支 给出光程差给出光程差 (no-ne)d 检偏器检偏器 保证两光振动方向相同保证两光振动方向相同 起偏器起偏器 保证两光有确定相差保证两光有确定相差振幅投影图振幅投影图相干区相干区作业作业12.54 12.5550本讲稿第五十页，共五十页