光学第十三章概要.ppt

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1、光波的偏振第四节双折射现象寻常与非常光寻常与非常光演示1演示2都是线偏振光。都是线偏振光。晶体的光轴 方解石、石英、红宝石等晶体，只有一个方解石、石英、红宝石等晶体，只有一个光轴方向，称为单轴晶体。光轴方向，称为单轴晶体。云母、蓝宝石、橄榄石等晶体，有两个光云母、蓝宝石、橄榄石等晶体，有两个光轴方向，称为双轴晶体。轴方向，称为双轴晶体。晶体的光轴是晶体中的一个晶体的光轴是晶体中的一个特殊的方特殊的方向向，在该方向上，在该方向上，o o光、光、e e光的传播速度光的传播速度（大小和方向）相同，即折射率相等，不（大小和方向）相同，即折射率相等，不产生双折射现象。产生双折射现象。方解石方解石的光轴

2、通过通过A或或B，并与三并与三个会合钝角的界面成等个会合钝角的界面成等角的直线方向，就是方角的直线方向，就是方解石晶体的解石晶体的光轴方向光轴方向（对于严格等棱长的方解对于严格等棱长的方解石菱体，即石菱体，即AB连线方向连线方向）与与此此平行通平行通过晶体的直线都过晶体的直线都是光轴方向，常是光轴方向，常用用表示表示续上晶体的主截面晶体的主截面晶体的主截面某晶某晶面面法线方向法线方向光轴方向光轴方向晶体的主截面晶体的主截面 含光轴并与某晶面正交的平面含光轴并与某晶面正交的平面。主平面 一般情况下一般情况下这两个主平面这两个主平面不严格重合不严格重合主主平面平面主主平面平面主截面内入射即即都在都

3、在主截面内主截面内和和主要讨论这种最主要讨论这种最基本的入射情况基本的入射情况主主平面平面主主平面平面晶体主截面晶体主截面振动方向在在晶体主截面内入射晶体主截面内入射iCCOO光的光振动光的光振动光的光振动光的光振动垂直于其主平面垂直于其主平面e e光的光振动光的光振动光的光振动光的光振动平行于其主平面平行于其主平面方解石晶体主截面方解石晶体主截面OO光光光光e e光光光光e e光光光光OO光光光光光线光线、都在主都在主截面内截面内并且都是线偏振光并且都是线偏振光o、e光的波面假设方解石内有一单色点光源假设方解石内有一单色点光源 SO O 光光波速波速在在方解石内方解石内波面是波面是球面球面各

4、向各向相等相等 光光波速波速在在光轴方向等于光轴方向等于OO光波速光波速在在其它方向大于其它方向大于OO光波速光波速在在垂直光轴方向波速最大垂直光轴方向波速最大波面是波面是椭圆回旋面椭圆回旋面回旋轴向为光轴方向回旋轴向为光轴方向主折射率方解石主截面方解石主截面CC则则 OO光光折射率折射率光光在垂直光轴方在垂直光轴方向的折射率向的折射率 合称合称 晶晶 体的体的主折射率主折射率和和则则对于方解石对于方解石主折射率简表几种双折射晶体几种双折射晶体的主折射率的主折射率1.6584 1.4864 -0.17201.681 1.500 -0.1811.5443 1.5534 +0.00891.309

5、1.313 +0.004 的晶体称为的晶体称为负晶体负晶体的晶体称为的晶体称为正晶体正晶体对钠黄光对钠黄光(l l=589.3=589.3nm)nm)o、e光传播方向方解石主截面方解石主截面光轴光轴切线切线CC的的传播方向传播方向垂直于垂直于DD到圆的切线到圆的切线的的传播方向传播方向垂直于垂直于DD到到椭圆椭圆的切线的切线续上CC若将若将方解石沿着平行于光轴的方向磨出一个平面方解石沿着平行于光轴的方向磨出一个平面用一用一平行光束垂直于此平面入射。平行光束垂直于此平面入射。试根据方解石试根据方解石内内 和和 的波面特点，定性画出的波面特点，定性画出 、OO光光光光e e光光光光OO光光光光e

6、e光光光光的的传播方向和任一时刻两光束的波阵面。传播方向和任一时刻两光束的波阵面。作作o o、e e 光波面图光波面图e e 光最大速光最大速度在垂直光度在垂直光轴方向。轴方向。两圆两圆切线为切线为o o光束波阵面。光束波阵面。两两椭圆切线为椭圆切线为e e光束波阵面光束波阵面传播方向相同传播方向相同速度大小不同速度大小不同振动相互垂直振动相互垂直OO光光光光OO光光光光e e光光光光e e光光光光尼科耳棱镜晶面晶面法线法线方解石主截面方解石主截面光轴光轴 晶体双折射产生的晶体双折射产生的o光和光和e光传播方向夹角一般较小，从晶光传播方向夹角一般较小，从晶体出射时两光束互相重叠，难以获得单一的

7、线偏振宽光束。体出射时两光束互相重叠，难以获得单一的线偏振宽光束。两两宽光束重叠宽光束重叠能否不让其中的一束光从末端输出？能否不让其中的一束光从末端输出？续上取长宽比取长宽比约约 3 1 3 1 的方解石的方解石：晶面晶面法线法线主主截面截面切割面切割面光轴光轴AB通过通过A A、B B对角并垂直主截面将方解石切成两半对角并垂直主截面将方解石切成两半再用再用加拿大树胶（对钠光折射率为加拿大树胶（对钠光折射率为1.551.55）将其按原位粘合）将其按原位粘合先将两端面的倾角按一定要求略加修磨先将两端面的倾角按一定要求略加修磨尼科耳尼科耳棱镜的加工棱镜的加工续上方解石主截面方解石主截面将将 71

8、71 修磨成修磨成 686868光轴光轴胶胶=1.491.49=1.661.66=1.551.55胶具备全反射条件具备全反射条件OO光上述设计可保证上述设计可保证 大于全反射临界角大于全反射临界角 只有只有 从端面输出从端面输出光切割后再用加拿大树胶粘合切割后再用加拿大树胶粘合ABOO光光被涂黑的器壁吸收被涂黑的器壁吸收光71尼科耳尼科耳棱镜工作原理棱镜工作原理续上波片双折射晶体波片波片 是从双折射单轴晶体是从双折射单轴晶体中切割下来的平行平面中切割下来的平行平面薄片，薄片，其表面与晶体光其表面与晶体光轴方向平行。轴方向平行。光轴方向光轴方向波片的波片的主要参数是：主要参数是：波片的波片的厚度

9、厚度波片的波片的晶体对波长为晶体对波长为 的的单色光单色光的主的主折射率折射率（后面均以方解石波晶片为例）后面均以方解石波晶片为例）o、e光相位差线线偏振光垂直入射到波片后被分解为偏振光垂直入射到波片后被分解为 和和OO光光光光e e光光光光OO光光光光e e光光光光在波在波片片内内传播传播方向方向振动振动方向方向振振 幅幅波波 速速光光 程程沿沿Z Z轴轴沿沿Z Z轴轴OOe e 两光透出波片时的两光透出波片时的两光透出波片时的两光透出波片时的光程差光程差相位差相位差波片Z Z1/4与1/2波片Oe 两光透出波片时的两光透出波片时的光程差光程差波片相位差相位差Z Z四分之一波片四分之一波片（

10、片）片）光程差光程差是是 的奇数倍的奇数倍相位差相位差是是 的奇数倍的奇数倍的波片的波片称为称为二分之一波片二分之一波片（片）片）光程差光程差是是 的奇数倍的奇数倍相位差相位差是是 的奇数倍的奇数倍的波片的波片称为称为合成图例或椭圆偏振光偏振片偏振片MM透振透振方向方向波片波片光轴方向光轴方向自自然然光光椭圆的扁率取决于 的大小等于零或 45 的偶数倍时为直线等于45 的奇数倍时为圆，得圆偏振光线线偏偏振光振光Z Z椭圆偏振光椭圆偏振光由两由两束振向束振向正交、正交、同频率、相位差恒同频率、相位差恒定的线偏振光合成定的线偏振光合成椭圆偏振光波片光轴方向自然光线偏振光波片光轴方向偏振片偏振片椭圆

11、偏振光波片光轴方向线偏振光波片光轴方向部分偏振光偏振片偏振片第五节 参与合成椭圆偏振光的两束线偏振光，频率参与合成椭圆偏振光的两束线偏振光，频率相同，相位差恒定，但其振动方向相互垂直，不能相同，相位差恒定，但其振动方向相互垂直，不能产生干涉，只能合成为椭圆偏振光。产生干涉，只能合成为椭圆偏振光。若将椭圆偏振光垂直入射于一偏振片，则参与若将椭圆偏振光垂直入射于一偏振片，则参与合成椭圆偏振光的两束线偏振光中，只有平行于偏合成椭圆偏振光的两束线偏振光中，只有平行于偏振片透振方向的光振动分量才能透过偏振片，因此，振片透振方向的光振动分量才能透过偏振片，因此，透射光是两束具有振动方向相同、频率相同、相位

12、透射光是两束具有振动方向相同、频率相同、相位差恒定条件的线偏振光，可以产生干涉。差恒定条件的线偏振光，可以产生干涉。相位差的确定偏振片2相干线偏振光Z Z透振方向线偏振光偏振片1M透振方向M自然光椭圆偏振光波 片光轴方向由偏振片由偏振片2 2透出的两相干线偏振光的透出的两相干线偏振光的相位差相位差：为为 向向 投影的附加相位差投影的附加相位差处于处于 同侧同侧 ，否则为零，否则为零N NN NMM两种典型情况MM相位差相位差两种典型情况MM单色光入射对同一波片用单色光入射 若两偏振片的透振方向相互垂直时由于某波片的双折射引起的偏振光干涉结果获得最强 将两偏振片的透振方向转到相互平行状态时则光干

13、涉结果为最弱 若若波片波片厚度不均匀，输出光场中将会出现明暗干涉条纹，用厚度不均匀，输出光场中将会出现明暗干涉条纹，用上述两种状态去观察这种干涉条纹，其明暗分布也是相反的。上述两种状态去观察这种干涉条纹，其明暗分布也是相反的。偏振片1偏振片2波片输出光分布相位差相位差相位差相位差白光的色偏振对对同一波片用白光入射同一波片用白光入射1 1白光白光2 2白光白光相位差相位差两偏振片透振方向正交两偏振片透振方向正交两偏振片透振方向平行两偏振片透振方向平行相位差相位差白光白光中的各种波长不可能同时满足同一情况的相长干涉或相消干涉条件中的各种波长不可能同时满足同一情况的相长干涉或相消干涉条件1 1若若

14、满足满足的相长的相长干涉条干涉条件，对于件，对于 则满足相则满足相 消或消或减弱减弱 条件条件 的相长的相长干涉条件，干涉条件，对于对于 则满则满足相足相 消条件消条件 2 2若若 满足满足此此类现象称为类现象称为显色偏振显色偏振人为双折射人为双折射现象及其应用人为双折射现象及其应用 某某些些各各向向同同性性媒媒质质本本不不产产生生双双折折射射现现象象，但但受受外外界界作作用用（如如受受机机械械力力、电电场场、磁磁场场等等）时时，变成各向异性媒质，并产生双折射现象。变成各向异性媒质，并产生双折射现象。还有些各向异性媒质，受到外界作用时，则还有些各向异性媒质，受到外界作用时，则会改变其双折射性质

15、。会改变其双折射性质。这这种种在在人人为为的的条条件件下下，使使媒媒质质产产生生或或改改变变其其双折射的现象，称为人为双折射现象。双折射的现象，称为人为双折射现象。光弹性效应偏振片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施压方向形成光轴施压方向形成光轴双折射与应力成正比双折射与应力成正比用于应力分析研究用于应力分析研究光光 弹弹 性性 效效 应应机械应力作用产生的各向异性应应 力力 双双 折折 射射克尔效应电电 致致 双双 折折 射射1.克尔效应偏振片1偏振片2在装有平行板电容器的透明盒内，在装有平行板电容器的透明盒内，充以某种特定的液体（如硝基苯

16、）充以某种特定的液体（如硝基苯）接入极间电压，使两极板间产生电场，液体变成各向异性媒质，并产生双折射，系统末端有光输出，其响应极快，信号频率可高达 10 Hz,能用作高速“光阀门”。1010泡克耳斯效应偏振片1电电 致致 双双 折折 射射2.泡克耳斯效应透透明明电电极极透透明明电电极极压压电电晶晶体体KDP偏振片2 KDPKDP（磷酸二氢钾）是一种无对称中心磷酸二氢钾）是一种无对称中心的晶体，沿某一特定方向施加电场后，在的晶体，沿某一特定方向施加电场后，在晶体内能对某种方向的入射光产生双折射晶体内能对某种方向的入射光产生双折射 KDP的双折射与外加场强成正比。系统的输出光强，可由加在晶体电极线

17、路上的信号电压调制，其响应极为迅速，信号频率可高达3 10 Hz。除可作高速光阀门外，还可作高速电光调制器。1010本章结束本章结束本章结束本章结束本章结束CC主截面主截面方解石垂直入射OO光光光光e e光光光光不能叫不能叫O O ee光光光光出了晶体出了晶体在主截面内入射时在主截面内入射时e e 光振动光振动光振动光振动在主截面内在主截面内在主截面内在主截面内O O 光振动光振动光振动光振动垂直主截面垂直主截面垂直主截面垂直主截面两种典型情况两种典型情况两种典型情况MMMM相位差相位差M M两偏振片透振方向正交满足满足时为相长时为相长干涉，且得最强。干涉，且得最强。满足满足 时时为相为相消干涉，消干涉，且为零且为零M M两偏振片透振方向平行相位差相位差满足满足时为相长时为相长干涉，最强。干涉，最强。最最弱。弱。满足满足 时时为相为相消干涉，消干涉，单色光入射，这两种典型情况所得的光干涉结果明暗相单色光入射，这两种典型情况所得的光干涉结果明暗相反；若用白光入射，两者输出的光色近乎于互补色。反；若用白光入射，两者输出的光色近乎于互补色。的的相位差相位差恰好相差恰好相差对同一波晶片对同一波晶片 ，若用，若用