第五章光的偏振..ppt

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1、第五章 光的偏振5-15-1 偏振光和自然光偏振光和自然光偏振光和自然光偏振光和自然光1.1.自然光自然光自然光自然光E E没有优势方向没有优势方向自然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、等幅的、不相干的线偏振光。的、等幅的、不相干的线偏振光。自然光的表示法：自然光的表示法：2.2.线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光E播播传传方方向向振振动动面面 面对光的传播方向看面对光的传播方向看线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解EEyEx yx 线偏振光的表示法：线偏振光的表示

2、法：光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光3.3.部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光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 部部分分偏偏振振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的、不等幅的、不相干的线偏振光。直的、不等幅的、不相干的线偏振光。部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法：平行板面的光振动较强平行板面的光振动较强垂直板面的光振动较强垂直板面的光振动较强3.3.部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光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 部部分分偏偏振振光光可可分分解解为为两两束束

3、振振动动方方向向相相互互垂垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。直的、不等幅的、不相干的线偏振光。部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法：平行板面的光振动较强平行板面的光振动较强垂直板面的光振动较垂直板面的光振动较 强强5-2 5-2 起偏和检偏起偏和检偏起偏和检偏起偏和检偏 马吕斯定律马吕斯定律马吕斯定律马吕斯定律1.1.起偏和检偏起偏和检偏起偏和检偏起偏和检偏 起偏的原理起偏的原理：利用某利用某些材料在些材料在光学光学性性 质上的各向异性。质上的各向异性。起偏：从自然光获得偏振光起偏：从自然光获得偏振光。起偏器起偏器:起偏的光学器件起偏的光学器件。1.1 偏振片偏振片微晶型微晶型分子型分子型

4、x yzz 入射入射电磁波电磁波电气石晶片电气石晶片非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光光轴光轴线栅起偏器线栅起偏器起偏起偏起偏起偏和检偏和检偏和检偏和检偏 偏振片的起偏偏振片的起偏非偏振光非偏振光I0线偏振光线偏振光 IP偏振化方向偏振化方向(透振方向透振方向)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 起偏起偏起偏起偏和检偏和检偏和检偏和检偏起偏和检偏起偏和检偏起偏起偏起偏起偏和检偏和检偏和检偏和检偏I?P待检光待检光2.2 思思 考考 I I 不变不变待检光是什么光待检光是什么光 I I 变，有消光变，有消光待检光是什么光待检光是什么光 I I 变，无消光变，无

5、消光待检光待检光是什么光是什么光起偏起偏起偏起偏和检偏和检偏和检偏和检偏2.2.马吕斯定律马吕斯定律马吕斯定律马吕斯定律P I0IP E0 E=E0cos 马吕斯定律（马吕斯定律（18091809）消光消光2.2.马吕斯定律马吕斯定律马吕斯定律马吕斯定律 例例题题 用用两两偏偏振振片片平平行行放放置置作作为为起起偏偏器器和和检检偏偏器器。在在它它们们的的偏偏振振化化方方向向成成30300 0角角时时，观观测测一一光光源源，又又在在成成60600 0角角时时，观观察察同同一一位位置置处处的的另另一一光光源源，两两次次所所得得的的强强度度相相等等。求两光源照到起偏器上光强之比。求两光源照到起偏器上

6、光强之比。解解 :令令I I1 1和和I I2 2分别为两光源照到起偏器上的光强。分别为两光源照到起偏器上的光强。透过起偏器后，光的强度分别为透过起偏器后，光的强度分别为I I1 1/2/2和和I I2 2/2/2。按照马按照马吕斯定律，透过检偏器后光的强度为吕斯定律，透过检偏器后光的强度为所以所以但按题意但按题意即即 马吕斯定律马吕斯定律马吕斯定律马吕斯定律5-3 5-3 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振 1.1.反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振自然光反射和折射自然光反射和折射后产生部分偏振光后产

7、生部分偏振光n1n2i irn1n2i0i0r0线偏振光线偏振光S自然光以自然光以 入射后反入射后反 射光为完全偏振光射光为完全偏振光 起偏振角起偏振角2.2.布儒斯特布儒斯特布儒斯特布儒斯特定律定律定律定律实验证明：实验证明：i=i0 时，反射光只有时，反射光只有S分量分量i 0 布儒斯特角或布儒斯特角或 起偏角起偏角并且并且 i0+r0=90O 由由 有有 布儒斯特定律布儒斯特定律 (1812(1812年年)n1n2i0i0r0线偏振光线偏振光S反射反射反射反射光光光光和折射光的偏振和折射光的偏振和折射光的偏振和折射光的偏振 对对空空气气与与玻玻璃璃组组合合的的情情况况，n n1 1 =1

8、.00=1.00(空气空气)，若若n n2 2=1.50(=1.50(玻璃玻璃)，则：，则：反射反射反射反射光光光光和折射光的偏振和折射光的偏振和折射光的偏振和折射光的偏振外腔式激光器谐振腔外腔式激光器谐振腔布儒斯特窗布儒斯特窗 i0i0激光输出激光输出M1M2i0i03.3.应用举例应用举例应用举例应用举例3.1 激光器谐振腔激光器谐振腔反射反射反射反射光光光光和折射光的偏振和折射光的偏振和折射光的偏振和折射光的偏振玻璃片堆玻璃片堆：用以增大反射光的强度和折射光：用以增大反射光的强度和折射光 的偏振化程度。的偏振化程度。当当i i=i i0 0时时，反射光强度，反射光强度I I和反射光的强度

9、和反射光的强度I I 之比为之比为自然光从空气自然光从空气玻璃玻璃i0(接近线偏振光接近线偏振光)玻璃片堆玻璃片堆3.2 玻璃片堆玻璃片堆反射反射反射反射光光光光和折射光的偏振和折射光的偏振和折射光的偏振和折射光的偏振 3.2 玻璃片堆玻璃片堆检偏检偏若若反射光光强不变则入射光是反射光光强不变则入射光是自然光自然光若若反射光光强变且有消光则入射反射光光强变且有消光则入射光是线偏振光光是线偏振光i0 若若反射光光强变且无消光则入反射光光强变且无消光则入射光是部分偏振光射光是部分偏振光 让让待检光以布儒斯特待检光以布儒斯特角角 入射到界面上，以入射入射到界面上，以入射线为轴旋转界面（保持线为轴旋转

10、界面（保持 不变）不变）(接近线偏振光接近线偏振光)反射反射反射反射光光光光和折射光的偏振和折射光的偏振和折射光的偏振和折射光的偏振 3.2 玻璃片堆玻璃片堆检偏检偏若若反射光光强不变则入射光是反射光光强不变则入射光是自然光自然光若若反射光光强变且有消光则入射反射光光强变且有消光则入射光是线偏振光光是线偏振光i0 若若反射光光强变且无消光则入反射光光强变且无消光则入射光是部分偏振光射光是部分偏振光 让让待检光以布儒斯特待检光以布儒斯特角角 入射到界面上，以入射入射到界面上，以入射线为轴旋转界面（保持线为轴旋转界面（保持 不变）不变）(接近线偏振光接近线偏振光)反射反射反射反射光光光光和折射光的

11、偏振和折射光的偏振和折射光的偏振和折射光的偏振5-4 5-4 5-4 5-4 光的双折射光的双折射光的双折射光的双折射1.1.寻常光和非常光寻常光和非常光寻常光和非常光寻常光和非常光 一束入射光经某些一束入射光经某些晶体折射后可分成两束晶体折射后可分成两束光线的现象称为双折射。光线的现象称为双折射。实验表明，双折射现象中的两束折射光线实验表明，双折射现象中的两束折射光线都是都是线偏振光，分别称为寻常光和非常光线偏振光，分别称为寻常光和非常光。双折射现象双折射现象n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光寻常光（寻常光（o o光）：光）：遵从折射定律遵从折射定律非常光

12、（非常光（e e光）光）:一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律注意：注意：e e 光折射线也不一定在入射面内。光折射线也不一定在入射面内。寻常光和非常光寻常光和非常光寻常光和非常光寻常光和非常光2.2.光轴光轴光轴光轴 主平面主平面主平面主平面 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时将不发生当光在晶体内沿某个特殊方向传播时将不发生 双折射，该方向称为晶体的光轴。双折射，该方向称为晶体的光轴。光轴是一特殊的方向光轴是一特殊的方向,凡平行于凡平行于 此方向的直线均为光轴。此方向的直线均为光轴。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双轴晶体：双轴晶体：有两个光轴的晶体有两个光轴的晶体AB

13、光光轴轴102方解石晶体方解石晶体 (冰洲石冰洲石)主平面：主平面：晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的 平面。平面。o光光光轴光轴o o光的光的主平面主平面e光光光轴光轴e e光的光的主平面主平面o o 光垂直于主平面光垂直于主平面e e 光平行于主平面光平行于主平面光的主平面光的主平面光的主平面光的主平面晶体的主折射率晶体的主折射率:因因o o、e e光速率与传播方向有关，故光速率与传播方向有关，故3.3.单轴晶体的子波波阵面单轴晶体的子波波阵面单轴晶体的子波波阵面单轴晶体的子波波阵面o o光光:e e光光:晶体中晶体中e e光的主折射率光的主折射率o o

14、波面波面e e 波面波面光轴光轴ve tvo tvo t光轴光轴晶体中晶体中o o光的主折射率光的主折射率正晶体正晶体负晶体负晶体 正晶体正晶体 :ne no负晶体负晶体 :ne ve)负晶体负晶体(vo ve)子波源子波源(e o)单轴晶体的子波波阵面单轴晶体的子波波阵面单轴晶体的子波波阵面单轴晶体的子波波阵面4.4.惠更斯原理在双折射现象中的应用惠更斯原理在双折射现象中的应用惠更斯原理在双折射现象中的应用惠更斯原理在双折射现象中的应用 确定波阵面的作图法确定波阵面的作图法确定波阵面的作图法确定波阵面的作图法4.1 4.1 光轴平行于晶体表面，自然光垂直入射光轴平行于晶体表面，自然光垂直入射

15、 e oe o光轴光轴方解石晶体方解石晶体 o o、e e 光在方向上虽没分开，但速度上是分开的。光在方向上虽没分开，但速度上是分开的。4.2 光轴平行于晶体表面且垂直于入射面，光轴平行于晶体表面且垂直于入射面，自然光斜入射自然光斜入射方解石晶体方解石晶体 光轴光轴ir0reo ot e eteo ect惠更斯原理在双折射现象中的应用惠更斯原理在双折射现象中的应用惠更斯原理在双折射现象中的应用惠更斯原理在双折射现象中的应用4.3 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，自然光垂直入射此时此时e e光的波面不再与其波线垂直了。光的波面不再与其波线垂直了。o e晶体晶体光轴光轴 e方

16、解石方解石光轴光轴o eo惠更斯原理在双折射现象中的应用惠更斯原理在双折射现象中的应用惠更斯原理在双折射现象中的应用惠更斯原理在双折射现象中的应用5.5.晶体偏振器械晶体偏振器械晶体偏振器械晶体偏振器械ACNM ACNMeeo尼科耳棱镜尼科耳棱镜5.5.晶体偏振器械晶体偏振器械晶体偏振器械晶体偏振器械沃拉斯顿棱镜沃拉斯顿棱镜12方解石方解石方解石方解石 oe光轴光轴光轴光轴6.6.晶体的二向色性和偏振片晶体的二向色性和偏振片晶体的二向色性和偏振片晶体的二向色性和偏振片 利用晶体的二向色性，可获得线偏振光。利用晶体的二向色性，可获得线偏振光。光轴光轴e光光电气石电气石光轴光轴 某些晶体对某些晶体

17、对o o光和光和e e光的吸收有很大差异，这叫光的吸收有很大差异，这叫晶体的二向色性。晶体的二向色性。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圆偏振光圆偏振光圆偏振光圆偏振光和和和和椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光(P235)(P235)(P235)(P235)5-5 5-5 椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光1.椭圆偏振光椭圆偏振光和和圆偏振光圆偏振光的获得方法的获得方法 d双折射晶片双折射晶片C C 单色单色自然光自然光偏振片偏振片P P1 1偏振化方向偏振化方向光轴方向光轴方向椭圆偏振光椭圆偏振光透过双折射晶片后，透过双折

18、射晶片后，o o光和光和e e光的相位差为光的相位差为o o光和光和e e光叠加后仍为线光叠加后仍为线偏振光偏振光；o o光和光和e e光叠加后成为光叠加后成为椭圆椭圆偏振光偏振光。椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光和和和和圆偏振光圆偏振光圆偏振光圆偏振光 2.波片波片(又称又称相位延迟片相位延迟片)波片波片是是按一定要求切割（例如按一定要求切割（例如光轴平行光轴平行于于表面表面）的晶体薄片的晶体薄片。ydxAAoAe 线偏振光线偏振光光轴光轴 通过厚为通过厚为d d 的晶片，的晶片，o o、e e光产生相位差：光产生相位差：AAoAe 光轴光轴P 椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振

19、光和和和和圆偏振光圆偏振光圆偏振光圆偏振光 从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差相互垂直、频率相等、相位差为为 的线偏振光，的线偏振光，它们合成为一束椭圆偏振光。它们合成为一束椭圆偏振光。时为圆偏振光时为圆偏振光 o o光光和和e e光光的的振幅振幅，与，与晶片光轴晶片光轴和入射的和入射的线偏线偏振光振振光振动方向动方向的的夹角夹角 有关有关：椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光和和和和圆偏振光圆偏振光圆偏振光圆偏振光 (1)(1)四分之一波片四分之一波片 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从

20、线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光和和和和圆偏振光圆偏振光圆偏振光圆偏振光 (2)(2)二分之一波片二分之一波片使线偏振光振动面转过使线偏振光振动面转过2 2 角度角度。A0入入A0出出A入入A出出Ae入入=Ae出入出入光轴光轴椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光和和和和圆偏振光圆偏振光圆偏振光圆偏振光 （3 3）椭椭圆圆偏偏振振光光与与圆圆偏偏振振光光的的检检偏偏(P241)(P241)用四分之一波片和偏振片用四分之一波片和偏振片P P 可区分出可区分出入射光是入射光是 自

21、然光或圆偏振光自然光或圆偏振光 部分偏振光部分偏振光或或椭圆偏振光椭圆偏振光d偏振片偏振片P P光轴方向光轴方向入射光入射光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光和和和和圆偏振光圆偏振光圆偏振光圆偏振光 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 I不变不变线偏振光线偏振光I I变变,有消光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 I变变,有消光有消光 部分部分偏振光偏振光光轴平行于最大

22、光强或最小光强方向放置光轴平行于最大光强或最小光强方向放置光轴平行于椭圆偏振光的长轴或短轴放置光轴平行于椭圆偏振光的长轴或短轴放置线偏振光线偏振光I I变变,无消光无消光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光和和和和圆偏振光圆偏振光圆偏振光圆偏振光 练习:P268,5.125-6 5-6 5-6 5-6 旋光现象旋光现象旋光现象旋光现象1.1.物质的旋光性物质的旋光性物质的旋光性物质的旋光性 当当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将以光的传播方向为轴光的传播方向为轴发生旋转发生旋转，这称为，这称为旋光现象。旋光现象。旋光物质旋光物质旋转的角度旋转的角

23、度 d 旋光率旋光率2.2.2.2.量糖术量糖术量糖术量糖术对对糖糖溶液溶液、松节油等液体，、松节油等液体，有有 溶液的旋光率溶液的旋光率c c 溶液的浓度溶液的浓度 溶液的比旋光率溶液的比旋光率“量糖计量糖计”3.3.磁致旋光磁致旋光磁致旋光磁致旋光(法拉第旋光效应法拉第旋光效应法拉第旋光效应法拉第旋光效应,1846,1846年年年年)历史上有重大意义历史上有重大意义历史上有重大意义历史上有重大意义,第一次说明光和电磁之第一次说明光和电磁之第一次说明光和电磁之第一次说明光和电磁之间的关系间的关系间的关系间的关系l：样品样品长度长度B：磁感应强度磁感应强度V：费尔德常量费尔德常量电磁铁电磁铁样

24、样品品P1P2例例 试设计三种使偏振光的振动面转过试设计三种使偏振光的振动面转过90 的方法的方法.光所通过的晶体类旋光物质厚度光所通过的晶体类旋光物质厚度 l 与线偏振与线偏振光振动面转过角度光振动面转过角度 的关系为的关系为 =l,式中式中 为旋为旋光率光率(度度/毫米毫米)。要使振动面转过。要使振动面转过9090 所需晶体厚所需晶体厚度度 l=90=90/。半波片不改变入射线偏振光性质，但可使其半波片不改变入射线偏振光性质，但可使其振动面转过振动面转过2 2 角。当半波片的光轴与入射线偏振角。当半波片的光轴与入射线偏振光的振动方向成光的振动方向成 =45=45 角时角时,振动面就转过振动

25、面就转过9090。解：解：(2)(2)用半波片。用半波片。(1)(1)用旋光物质用旋光物质(如石英如石英)。旋光旋光旋光旋光演示演示演示演示 （3 3）用两个偏振片）用两个偏振片P P1 1 和和 P P2 2,先让先让P P2 2 绕光的传播方向转绕光的传播方向转,并停在出射光强为零的位置上，并停在出射光强为零的位置上，此时此时P P2 2的偏振化方向与入射线偏的偏振化方向与入射线偏振光的振动方向相互垂直。振光的振动方向相互垂直。然后在然后在 P2 前面插入前面插入 P1，只要只要 P1 与与P2 的的偏振化偏振化方方向不垂直也不平行，那么由向不垂直也不平行，那么由P2 出射的线偏振光的振出射的线偏振光的振动方向相对入射线偏振光的振动方向转过动方向相对入射线偏振光的振动方向转过 90 ，其，其振幅矢量如图所示，图中振幅矢量如图所示，图中A为入射线偏振光的振幅。为入射线偏振光的振幅。旋光旋光旋光旋光演示演示演示演示 The End