光折射偏振优秀课件.ppt

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1、光折射偏振1第1页，本讲稿共51页双折射会映射出双像第2页，本讲稿共51页 方解石方解石oeeo 以入射方向为以入射方向为轴旋转方解石轴旋转方解石方解石偏振片双折射的两双折射的两束光振动方束光振动方向相互垂直向相互垂直【演示演示】方解石的双折射方解石的双折射第3页，本讲稿共51页当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，e光的像围绕光的像围绕 o 光的像旋转。光的像旋转。o 光的像不动，光的像不动，光光双折射纸面纸面方解石 晶体 o光的像e光的像第4页，本讲稿共51页光光双折射纸面纸面方解石 晶体继续旋转方解石晶体：第5页，本讲稿共51页光光双折射纸面纸面方解石 晶体继续旋转方解石晶体：第6页，

2、本讲稿共51页光光双折射纸面纸面方解石 晶体继续旋转方解石晶体：第7页，本讲稿共51页光光双折射纸面纸面方解石 晶体继续旋转方解石晶体：第8页，本讲稿共51页3、晶体的光轴、晶体的光轴（optical axis of crystal）当光在晶体内沿某个特殊方向传播时当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发不发 例例如如，方方解解石石晶晶体体（冰冰洲洲石石）的的光光轴轴：由由钝钝顶顶角角引引出出的的与与三三个个棱棱边边成成等等角角的的方方向向就就是是光轴。光轴。光轴是一个特殊的光轴是一个特殊的方向，方向，单轴晶体：单轴晶体：只有一个光轴的晶体，只有一个光轴的晶体，如方解石。如方解石。双轴晶体：双轴晶

3、体：有两个光轴的晶体，有两个光轴的晶体，如云毋。如云毋。该该方向方向称为晶体的称为晶体的光轴。光轴。生双折射，生双折射，直线均为光轴。直线均为光轴。凡平行于此方向的凡平行于此方向的第9页，本讲稿共51页方解石的光轴第10页，本讲稿共51页4、主平面、主平面（principal plane）晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面o光光轴o光的主平面e光光轴e光的主平面叫该束光的叫该束光的主平面。主平面。第11页，本讲稿共51页晶体的各晶体的各向异性：向异性：介电常数为介电常数为 x,yx=y z,CaCO3CaOCz光轴光矢量垂直于光矢量垂直于光轴时，光轴时

4、，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，介电常数就不同，光的传播速度也就不同。介电常数就不同，光的传播速度也就不同。二、晶体的主折射率，正晶体、负晶体二、晶体的主折射率，正晶体、负晶体介电常数为 z光矢量 平行于光轴时，第12页，本讲稿共51页o光：光：no，ne 称为称为晶体的主折射率晶体的主折射率 正晶体：正晶体：ne no负晶体：负晶体：ne novotvet光轴点波源点波源votve t光轴e光：光：(ve vo)如：石英、冰如：石英、冰如：方解石、红宝石如：方解石、红宝石vot光轴光轴vetvot第13页，本讲稿共51页 ee三、单轴晶体中光传播的惠

5、更斯作图法三、单轴晶体中光传播的惠更斯作图法 1、光轴平行晶体表面，自然光垂直入射、光轴平行晶体表面，自然光垂直入射光轴晶体 o、e方向上虽没分开，方向上虽没分开，下面以负晶体下面以负晶体(ve vo)为例，介绍该方法：为例，介绍该方法：oo但速度上是分开的，但速度上是分开的，这仍是双折射。这仍是双折射。以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法，以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法，是研究光在晶体中传播的重要方法。是研究光在晶体中传播的重要方法。第14页，本讲稿共51页o e2、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，晶体晶体光轴reivotveto ect自然光斜入射自然光斜入

6、射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。折射定律。r0第15页，本讲稿共51页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 e方解石光轴o 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。为为什么？什么？ooee晶体光轴这正是前面演示的情形。这正是前面演示的情形。第16页，本讲稿共51页11.5 椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光一、晶体起偏器件一、晶体起偏器件 1、晶体的二向色性、晶体偏振器、晶体的二向色性、晶体偏振器 某些晶体对某些晶体对o光和光和e光的吸收有很大差异，光的吸收有很大差异，例如

7、，电气石对例如，电气石对o光有强烈吸收，光有强烈吸收，光轴e光电气石光轴对对e光光吸收很弱，吸收很弱，用它就可以产生线偏振光。用它就可以产生线偏振光。这叫晶体的这叫晶体的二向色性二向色性（dichroism）。）。第17页，本讲稿共51页2、偏振棱镜、偏振棱镜l偏光棱镜：偏光棱镜：光轴的取光轴的取向使向使e光对应光对应的恰是的恰是 ne。no（1.6584）n（1.55）ne（1.4864）i 临界角，临界角，o 光全反射了，光全反射了，e 光可通过。光可通过。偏振棱镜偏振棱镜可由自然光获得可由自然光获得高质量高质量的线偏振光，的线偏振光，可由自然光获得原方向的线偏振光可由自然光获得原方向的线

8、偏振光 光轴光轴方解石方解石加拿大树胶(n=1.55)oe吸收涂层i格兰格兰 汤姆孙棱镜汤姆孙棱镜它又可分为它又可分为偏光棱镜偏光棱镜和和偏光分束棱镜。偏光分束棱镜。第18页，本讲稿共51页l偏光分束棱镜：偏光分束棱镜：可由自然光获得分开的两束线偏振光可由自然光获得分开的两束线偏振光e12方解石方解石 oe光轴光轴沃拉斯顿棱镜o 光光进进入入到到第第1块块方方解解石石后后，o光光和和e光光在在方向上没有分开。方向上没有分开。由于方解石由于方解石2和方解石和方解石1二者光轴垂直，当光二者光轴垂直，当光进入到方解石进入到方解石2时，时，o 光变成光变成e光光（none）：光：光密密光疏；光疏；而而

9、e光变成光变成o 光：光疏光：光疏光密光密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。第19页，本讲稿共51页二、晶体相移器件二、晶体相移器件 圆和椭圆偏振光的起偏圆和椭圆偏振光的起偏晶片晶片：光轴平行于光轴平行于表面的晶体薄片。表面的晶体薄片。ydxAAoAe线偏振光光轴AAoAe光轴P椭圆(圆、线)偏振光d光轴晶片从晶片出射的从晶片出射的两束光由于出现相位差，两束光由于出现相位差，而合成为一束而合成为一束椭圆、圆或线偏振光。椭圆、圆或线偏振光。eeoo第20页，本讲稿共51页 在入射点，在入射点，o、e光的相位差为零或光的相位差为零或，在出射，在出射点晶片对点晶片对

10、o、e光产生的光产生的附加相位差：附加相位差：，出射光为椭圆，出射光为椭圆(圆圆)偏振光偏振光当ydxAAoAe线偏振光光轴椭圆（圆、线）偏振光d光轴晶片，出射光仍为线偏振光，出射光仍为线偏振光当第21页，本讲稿共51页 1、四分之一波、四分之一波(晶晶)片片（quarter-wave plate）线偏振光线偏振光圆偏振光圆偏振光线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光可从线偏振光获得椭圆或圆偏振光可从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反或相反）厚度满足厚度满足线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光ydxAAoAe线偏振光光轴AAoAe光轴P椭圆(圆、线)偏振光d光轴晶片第22页，本讲稿共51页2、二分之

11、一波片、二分之一波片可使线偏振光振动面转过可使线偏振光振动面转过2 角度角度3、全波片、全波片【演示演示】四分之一波片四分之一波片 二分之一波片二分之一波片 注意：注意：波片是对某个确定波长波片是对某个确定波长 而言的而言的A入A出光轴AoAe第23页，本讲稿共51页三、椭圆与圆偏振光的检偏三、椭圆与圆偏振光的检偏【思考思考】如何用四分之一波片和偏振片区分如何用四分之一波片和偏振片区分部分偏振光部分偏振光和和椭圆偏振光椭圆偏振光自然光自然光和和圆偏振光圆偏振光第24页，本讲稿共51页 四四分分之之一一波波片片圆偏振光自然光自然光线偏振光 偏偏振振片片（转转动动）线偏振光 I不变线偏振光I 变，

12、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部分偏振光线偏振光 偏偏振振片片（转转动动）线偏振光I 变，有消光 部分偏振光 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线偏振光I变,无消光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第25页，本讲稿共51页l如如何何区区分分由由自自然然光光和和椭椭圆圆偏偏振振光光组组成成的的 部部分分偏偏振振光光，与与由由自自然然光光和和线线偏偏振振光光组组成成 的的部分偏振光？部分偏振光？【思考思考】l如如何何区区分分由由自自然然光光和和圆圆偏偏振振光光组组成成的的部部分分 偏

13、振光，与自然光？偏振光，与自然光？第26页，本讲稿共51页11.6 偏振光的干涉偏振光的干涉一、偏振光干涉装置一、偏振光干涉装置偏振化方向偏振片P2 单色自然光偏振片P1偏振化方向d晶片C光轴方向二、偏振光干涉的分析二、偏振光干涉的分析1、振幅关系、振幅关系AoA2oP2P1CA1AeA2e在在P2 后：后：相干相干在在P1 后：后：屏不相干相干不相干不相干第27页，本讲稿共51页偏振化方向偏振片P2 单色自然光偏振片P1偏振化方向d晶片C光轴方向相干屏通过晶体通过晶体C后：后：此两束光合成为一束椭圆偏振光。此两束光合成为一束椭圆偏振光。再通过再通过P2 后：后：2、相位关系、相位关系AoA2

14、oP2P1CA1AeA2e成为两束相干光。成为两束相干光。第28页，本讲稿共51页 相长干涉，相长干涉，P2后面的光场最明亮。后面的光场最明亮。相消干涉，相消干涉，P2后面的光场最暗。后面的光场最暗。若单色光入射，且若单色光入射，且d不均匀，则屏上为等厚条纹。不均匀，则屏上为等厚条纹。如果如果，与，与d 和和 有关有关第29页，本讲稿共51页石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）第30页，本讲稿共51页于某种颜色干涉相消，而呈现它的于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色，互补色，三、色偏振三、色偏振（chromatic polarization）若白光入射，且晶片若白光

15、入射，且晶片d 均匀，均匀，若若d不均匀，则屏上出现彩色条纹。不均匀，则屏上出现彩色条纹。红色红色（656.2 nm）相消相消如：如：蓝色蓝色（485.4nm）相消相消【演示演示】玻璃纸厚度不同的色偏振玻璃纸厚度不同的色偏振 色偏振是检验材料有无双折射效应的灵敏方法，色偏振是检验材料有无双折射效应的灵敏方法，用显微镜观察各种材料在白光下的色偏振，用显微镜观察各种材料在白光下的色偏振，分析物质内部的某些结构分析物质内部的某些结构 偏光显微术。偏光显微术。则：屏上则：屏上由由这叫（显）这叫（显）色偏振色偏振。绿色绿色（492.1nm）；）；黄色黄色（585.3 nm）。）。可以可以第31页，本讲稿

16、共51页硫代硫酸钠晶片的色偏振图片结冰过程色偏振显微摄影结冰过程色偏振显微摄影第32页，本讲稿共51页 11.7 人工双折射人工双折射人为地造成各向异性，而产生双折射。人为地造成各向异性，而产生双折射。一、光弹效应一、光弹效应（photoelastic effect）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：光弹效应也叫光弹效应也叫应力双折射效应。应力双折射效应。n各向不同各向不同FFP1P2 dS干涉有机玻璃C第33页，本讲稿共51页各处各处 不同不同各处各处 不同不同出现干涉条纹，出现干涉条纹，【演示演示】模型的光弹图象吊钩的光弹图象 变变 变变干涉情况变。干涉情况变。应

17、力双折射应力双折射第34页，本讲稿共51页二、电光效应二、电光效应（electro optic effect）电光效应电光效应也叫也叫电致双折射效应。电致双折射效应。1、克尔效应、克尔效应（kerr effect）（1875年）年）45P2盒内充某种液体，如硝基苯（盒内充某种液体，如硝基苯（C6H5NO2）l+-克尔盒dP145l不加电场不加电场液体各向同性液体各向同性P2不透光；不透光；l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 P2透光。第35页，本讲稿共51页 二次电光效应二次电光效应k 克尔常数，克尔常数，U 电压电压克尔效应引起的相位差为：克尔效应引起的相

18、位差为：当当硝基苯，若若 l=3cm，d=0.8cm，对对 =600nm的黄光，的黄光，时，克尔盒相当半波片，P2透光最强。时的电压k=第36页，本讲稿共51页可作为可作为光开关光开关（响应时间（响应时间 10 9s），），克尔盒的应用：克尔盒的应用：克尔盒的缺点：克尔盒的缺点：和加数万伏的高电压，和加数万伏的高电压，用于高速摄影、用于高速摄影、激光通讯、激光通讯、光速测距、光速测距、脉冲激光系统（作为脉冲激光系统（作为Q开关）开关）硝基苯有毒，硝基苯有毒，需要极高的纯度需要极高的纯度故现在很少用。故现在很少用。易爆炸，易爆炸，第37页，本讲稿共51页2、泡克尔斯效应、泡克尔斯效应（pocke

19、ls effect）（1893年）年）。电光晶体+。-P1P2KK泡克尔斯盒光传播方向与电场平行，光传播方向与电场平行，电极电极K和和 K透明，透明，晶体是单轴晶体，晶体是单轴晶体，不加电场不加电场 P2 不透光。不透光。加电场加电场晶体变双轴晶体晶体变双轴晶体了双折射效应了双折射效应原光轴方向附加原光轴方向附加 P2 透光。透光。光轴沿光轴沿光传播方向。光传播方向。KH2PO4（KDP）、NH4H2PO4（ADP）等第38页，本讲稿共51页no o光在晶体中的折射率；光在晶体中的折射率；泡克尔斯效应引起的相位差：泡克尔斯效应引起的相位差：线性电光效应线性电光效应r 电光常数；电光常数；时，P

20、2透光最强。KH2PO4（KDP）、）、NH4H2PO4（ADP）等等 对对 =546nm的绿光，的绿光，如如KDP no=1.51，U 电压。电压。激光调激光调Q，超高速开关（响应时间小于超高速开关（响应时间小于10 9s），），数据处理数据处理显示技术，显示技术，应用：应用：单晶都具有线性电光效应。单晶都具有线性电光效应。第39页，本讲稿共51页子弹射穿苹果的瞬间（高速摄影）子弹射穿苹果的瞬间（高速摄影）第40页，本讲稿共51页三、磁致双折射三、磁致双折射科顿科顿 穆顿穆顿（Cotton-Mouton）效应：效应：某些透明液体在磁场某些透明液体在磁场H作用下变为各向异性，作用下变为各向异性

21、，HC 二次效应二次效应需要很强的磁场才能观察到。需要很强的磁场才能观察到。性质类似于单轴晶体，光轴平行磁场。性质类似于单轴晶体，光轴平行磁场。第41页，本讲稿共51页 11.8 旋光现象旋光现象一、物质的旋光性一、物质的旋光性（optical activity）除石英外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖的除石英外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖的 旋光物质 a 旋光率旋光率 l1811年，法国物理学家年，法国物理学家阿喇果阿喇果（Arago）其振动面能发生旋转，其振动面能发生旋转，发现，发现，线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时，线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时，这称为这称为旋光现象。旋光现象。光轴水溶液等也

22、都具有水溶液等也都具有旋光性。旋光性。第42页，本讲稿共51页二、菲涅耳对旋光性的解释二、菲涅耳对旋光性的解释 线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确定线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确定相位差的左相位差的左(L)、右、右(R)旋圆偏振光的合成。旋圆偏振光的合成。实验表明，旋光率实验表明，旋光率 a 与旋光物质和入射波长与旋光物质和入射波长有关，有关，对于溶液，还和旋光物质的浓度有关。对于溶液，还和旋光物质的浓度有关。石英对石英对 =589nm的黄光，的黄光，a=21.75/mm；而对而对 =408nm的紫光，的紫光，a=48.9/mm。同一种物质也可以有同一种物质也可以有左旋体左旋体和和右旋

23、体，右旋体，物质的旋光性是和物质原子排列结构有关的，物质的旋光性是和物质原子排列结构有关的，原子排列互为镜像对称，原子排列互为镜像对称，它们的它们的称为称为同分异构体。同分异构体。第43页，本讲稿共51页 光通过旋光物质后，位相光通过旋光物质后，位相EELERO在出射面上：在出射面上：设入射时设入射时L、R位相为位相为0，旋光物质长为旋光物质长为l，同一时刻同一时刻光通过光通过左旋左旋物质物质此物质为此物质为左旋体左旋体(vLvR)位相位相位相位相要滞后。要滞后。ELERE入射面(a)出射面(b)ELERERL第44页，本讲稿共51页由图示：由图示：令令 旋光率旋光率则则(a)(b)d出射面(

24、b)ELERERLELERE入射面(a)这既解释了旋光现象，这既解释了旋光现象，与物质（由与物质（由nR和和nL反映）和入射波长有关。反映）和入射波长有关。又说明了旋光率又说明了旋光率a第45页，本讲稿共51页RRRLL 如图示，用右旋型（如图示，用右旋型（R）和左旋型（）和左旋型（L）石英）石英证实了自己的假设。证实了自己的假设。菲涅耳进行了如下实验，菲涅耳进行了如下实验，棱镜交替胶合成多级组合棱镜。棱镜交替胶合成多级组合棱镜。光从光从 R 进入进入 L 时，左旋光速度由小变大，时，左旋光速度由小变大，RL右旋光速度由大变小，将靠近界面法线折射。右旋光速度由大变小，将靠近界面法线折射。光密媒

25、质光密媒质光疏媒质，光将远离界面法线折射。光疏媒质，光将远离界面法线折射。各界面继续使左右旋圆偏振光分开的角度放大，各界面继续使左右旋圆偏振光分开的角度放大，射出棱镜时就成了两束分开的圆偏振光。射出棱镜时就成了两束分开的圆偏振光。从从第46页，本讲稿共51页三、量糖术三、量糖术对旋光溶液有对旋光溶液有C 溶液的浓度，溶液的浓度，“量糖计量糖计”可分析旋光（同分）异构体的成分，可分析旋光（同分）异构体的成分，例如：氯霉例如：氯霉广泛用在化学和制药等工业中。广泛用在化学和制药等工业中。素天然品为左旋体，素天然品为左旋体，称合霉素，其中只左旋有疗效。称合霉素，其中只左旋有疗效。分离出左旋品（左霉素）

26、，分离出左旋品（左霉素），疗效同天然品。疗效同天然品。用量糖术可用量糖术可 a C=a 溶液的旋光率，溶液的旋光率，=a C l a 溶液的溶液的比旋光率。比旋光率。合成品为左、右旋各半，合成品为左、右旋各半，第47页，本讲稿共51页四、磁致旋光四、磁致旋光（magnetic opticity）l磁致旋光物质B旋转的角度旋转的角度 V 费德尔常量，费德尔常量，水、二硫化碳、水、二硫化碳、食盐、乙醇等食盐、乙醇等 对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由都是磁致旋光都是磁致旋光物质。物质。旋光物质本身决定的，旋光物质本身决定的，与光的传播方向无关。与光的传播方向无关。第48页，本讲稿共51页反射镜入射光左旋反射镜反射光左旋自然旋光物质第49页，本讲稿共51页反射镜反射光右旋B反射镜入射光左旋B 对磁致旋光物质，光沿 与逆 方向传播，磁性旋光物质振动面旋向相反。振动面旋向相反。第50页，本讲稿共51页光隔离器：光隔离器：这样可以消除反射光的干扰。这样可以消除反射光的干扰。磁致旋光效应的应用：磁致旋光效应的应用：研究物质结构研究物质结构测电流和磁场测电流和磁场磁光调制磁光调制 BPM磁致旋光物质令令 =45，则则 2 =90，反射光通不过反射光通不过P第51页，本讲稿共51页