第十四章-光的偏振...pptx

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1、1 偏振波偏振波 波的振动方向相对于传播方向的不对称性，叫做偏振。波的振动方向相对于传播方向的不对称性，叫做偏振。横波的振动相对于传播方向不是轴对称的。横波的振动相对于传播方向不是轴对称的。横波具有偏振性，而纵波不具备偏振性。横波具有偏振性，而纵波不具备偏振性。第1页/共64页2迎着光的传播方向看光振动平行纸面光矢量（）只在一个固定平面内沿单一方向振动的光叫线偏振光，或平面偏振光。线偏振光的表示法：常见的是如图所示的具有简谐振动性质的线偏振光。光振动方向与传播方向决定的平面称为振动面。Ezxy振动面光振动垂直纸面二、二、线偏振光线偏振光第2页/共64页3线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解:Ex

2、,Ey的大小依赖于 x,y 方向的选取。光的偏振性说明了:光波是横波。EEyEx yx 第3页/共64页4三三.自然光（自然光（非偏振光）非偏振光）光源上一个原子一次发出的是一个线偏振光 波列，持续时间约10-8秒。各原子是独立地、随机地发光的；光矢量振幅的大小、振动方向、初位相等等也是随机的。在我们观察的时间 t 内（是平均效果）,在垂直于其传播方向的平面内，光矢量在哪个方向都不占优势，没有偏振性，它们对其传播方向形成轴对称分布。注：在10-8秒的（极短）时间内大量波列合成的光波 可以是偏振的；但是它们以完全无规的方式随时间迅速变化着。第4页/共64页5这种大量振幅相同、各种振动方向都有、彼

3、此没有固定相位关系的光矢量的组合叫非偏振光或自然光。说明没有优势方向我们设想把每个波列的光矢量都沿x、y 轴分解，然后将所有波列光矢量的 x分量叠加起来，成为总光波光矢量的 x分量Ex.yxz自然光的表示法 表示该光的振动面就在纸平面内。表示该光的振动方向垂直于纸平面；第5页/共64页6总光强 非相干叠加这样，自然光可以分解为两个振动方向互相垂直的、等振幅的、不相干的线偏振光。用同样办法得到总光波光矢量的 y 分量Ey.注意：这里的 Ex 和 Ey 是独立的振动,无固定相位关系。EyEx或第6页/共64页7四四.部分偏振光部分偏振光完全偏振光和自然光是两种极端情形，介于二者之间的一般情形称为部

4、分偏振光。部分偏振光可以看成自然光和线偏振光的混合。部分偏振光的表示法垂直纸面的光振动较强yxz在纸面内的光振动较强第7页/共64页8部分偏振光的分解EyEx部分偏振光自然光、偏振光、自然光、偏振光、部分偏振光的检验部分偏振光的检验偏振片转一周偏振片转一周消光消光线偏光线偏光部分偏光部分偏光强强度度变变，无无消光消光自然光自然光强度不变强度不变透光轴透光轴第8页/共64页9一、起偏一、起偏起偏的原理:利用某种形式的不对称性,如 （1 1）物质的二向色性，（2 2）散射，（3 3）反射和折射，（4 4）双折射 .由自然光获得偏振光叫“起偏”，相应的光学器件叫“起偏器”。14-2 14-2 起偏和

5、检偏起偏和检偏 马吕斯定律马吕斯定律第9页/共64页10 它是利用晶体的二向色性起偏。（二向色性：对某一方向的光振动有强烈吸收）偏振片（Polaroid）1928年,一位19岁的美国大学生（）发明了一种由自然光获得线偏振光的平面片状器件，称为偏振片，通常用 P 表示。x yzz线栅起偏器 入射电磁波起偏原理类似于金属（导线）线栅起偏器：只有振动方向与导线垂直的电磁波能通过。第10页/共64页11实验告诉我们，自然光用偏振片起偏,在忽略偏振片的吸收的情况下，出射光强例如，把聚乙烯醇薄膜加热，并沿一个方向拉长，再浸入碘溶液中，使碘原子附着在长分子上形 成一条条长“碘链”，就制成了偏振片。PI0只有

6、与碘链垂直方向的光振动能通过偏振片，该方向称为起偏方向，或通光方向。（下图虚线）碘链相当于导线，碘原子中的自由电子可以沿碘链自由运动。I0/2第11页/共64页12二、马吕斯定律二、马吕斯定律线偏振光通过偏振片P 前后的光强关系：消光改变 ，I 随之改变。P E0 E=E0cos I0IP起偏方向第12页/共64页13 注意两点：注意两点：入射光必须是线偏振光，不是自然光；入射光必须是线偏振光，不是自然光；是与是与coscos2 2正比，而不是与正比，而不是与coscos正比。正比。第13页/共64页14偏振器偏振器自然光自然光检偏器检偏器I I1 1I I2 2 如果入射到检偏片的线偏振光是

7、穿过起偏器的光，则公式如果入射到检偏片的线偏振光是穿过起偏器的光，则公式 中的中的角就是两偏振片的偏振化方向之间的夹角。角就是两偏振片的偏振化方向之间的夹角。第14页/共64页15例例14141 1 一束自然光入射到由四个偏振片组成的偏振片组上，一束自然光入射到由四个偏振片组成的偏振片组上，四个偏振片的放置为：每个偏振片偏振化方向相对于前面一片四个偏振片的放置为：每个偏振片偏振化方向相对于前面一片顺时针转过顺时针转过3030角，设入射光强为角，设入射光强为I0 0，则通过第二片后光强变为，则通过第二片后光强变为-，通过第四片后光强变为，通过第四片后光强变为-。I1I2I3I4第15页/共64页

8、16例例14142 2用相互平行的一束自然光和一束线偏振光构成的混用相互平行的一束自然光和一束线偏振光构成的混合光垂直照射在一偏振片上，以光的传播方向为轴旋转偏振片合光垂直照射在一偏振片上，以光的传播方向为轴旋转偏振片时，发现透射光强的最大值为最小值的时，发现透射光强的最大值为最小值的5 5倍，则入射光中，自倍，则入射光中，自然光强然光强I0 0与线偏振光强与线偏振光强I之比为。之比为。解：自然光经过偏振片后的光强：解：自然光经过偏振片后的光强：而线偏振光经过偏振片后的光强：而线偏振光经过偏振片后的光强：则经过偏振片后的光强最大值是：则经过偏振片后的光强最大值是：最小值是：最小值是：由题意知：

9、由题意知：因此：因此：第16页/共64页17实验表明:自然光在媒质表面反射、折射时，也出现光的偏振现象。反射光中垂直入射面的分量比例大；自然光反射和折射后产生部分偏振光 入射角 i 变 反射、折射光的偏振度也变。发现反射光中只有垂直入射面的分量。当入射角与折射角之和为 i0+r0=90=90O O 时，n1n2i ir折射光中平行入射面的分量比例大。14-3 14-3 反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振第17页/共64页18i0 起偏角,也叫布儒斯特角。由折射定律，有布儒斯特定律起偏振角n1n2i0i0r0线偏振光例 若 n1=1.00(空气)，n2=1.50(玻璃)。i0+r0=90=

10、90O O.互余玻璃空气=185600.150.1 0i空气玻璃=423350.100.1 0i第18页/共64页19 玻璃片堆要提高反射线偏振光的强度，可利用玻璃片堆的多次反射。(透射光接近完全线偏振光 强度几乎50%)(反射光是完全线偏振光 强度几乎50%)i0玻璃片堆空气玻璃 玻璃空气 第19页/共64页201.1.测量不透明介质的折射率。利用布儒斯特定律 2.在拍摄玻璃窗内的物体时，加偏振片可去掉反射光的干扰。反射偏振的应用：视频文件：偏振片去掉反射光的干扰（46）第20页/共64页21有反射光干扰的橱窗在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰第21页/共64页223.外腔式激光管加装

11、布儒斯特窗 可减少反射损失。假如封闭管子两端的玻璃窗口是垂直于管轴线的玻璃片，由于自然光每经过一个窗口表面就有大约4%的反射损失(96%透入)，光在M1 M2之间每个单程要4次穿过窗口表面，这样，光来回反射多次时，反射损耗太大就不能形成激光。i0i0激光输出布儒斯特窗M1M2i0i0加装布儒斯特窗 可保留将近50%光强。第22页/共64页23 例例14143 3 在下图中，以线偏振光或自然光入射于界面时，问折在下图中，以线偏振光或自然光入射于界面时，问折射光和反射光各属于什么性质的光，并在图中所示的折射光线和射光和反射光各属于什么性质的光，并在图中所示的折射光线和反射光线上用点和短线把其振动方

12、向表示出来：图中反射光线上用点和短线把其振动方向表示出来：图中答：（答：（1 1）（）（2 2）（）（3 3）中反射光、折射光均为线偏振光。）中反射光、折射光均为线偏振光。i0i0 （4 4）的折射光为线偏振光，没有反射光。）的折射光为线偏振光，没有反射光。（5 5）的反射光为线偏振光，折射光为部分偏振光。）的反射光为线偏振光，折射光为部分偏振光。第23页/共64页24例例14144 4如图所示，一自然光自空气射到一块平板玻璃上，设如图所示，一自然光自空气射到一块平板玻璃上，设入射角为起偏角，则在界面入射角为起偏角，则在界面2 2处的反射光透过玻璃后的光线处的反射光透过玻璃后的光线2 2中中振

13、动方向是振动方向是（A A）垂直于纸面，）垂直于纸面，（B B）平行于纸面，）平行于纸面，（C C）以上两个方向的振动均有，）以上两个方向的振动均有，（D D）光线）光线2 2不存在。不存在。解：由布儒斯特定律解：由布儒斯特定律这说明在界面这说明在界面2 2处的反射角处的反射角 是起偏角，即界面是起偏角，即界面2 2的反射光的光的反射光的光振动是垂直于入射面的，从而其透射光亦为垂直于入射面的光振动是垂直于入射面的，从而其透射光亦为垂直于入射面的光振动。即应选（振动。即应选（A A）。）。n1n2n10第24页/共64页25例例14145 5当一束自然光在两种介质分界面处发生反射和折射当一束自然

14、光在两种介质分界面处发生反射和折射时，若反射光为完全偏振光，则折射光为时，若反射光为完全偏振光，则折射光为光，且反光，且反射光和折射光之间的夹角为射光和折射光之间的夹角为。答案为：部分偏振光，答案为：部分偏振光，（或（或90900 0）第25页/共64页26例例14146 6一束平行的自然光，以一束平行的自然光，以60600 0角入射到平玻璃表面上，若角入射到平玻璃表面上，若反射光束是完全偏振的，则透射光束的折射角是反射光束是完全偏振的，则透射光束的折射角是，玻璃，玻璃的折射率为的折射率为。解：若反射光为完全偏振光，则入射角解：若反射光为完全偏振光，则入射角i0 0为布儒斯特角。为布儒斯特角。

15、折射角为：折射角为：0=90o-60o=30o折射率为：折射率为：或者，由或者，由将将i0 0=60600 0代入，得代入，得n=1.73第26页/共64页27例例14147 7 两个偏振片两个偏振片P P1 1、P P2 2叠在一起，由强度相同的自然光和叠在一起，由强度相同的自然光和线偏振光混合而成的光束垂直入射在偏振片上，进行了两次测线偏振光混合而成的光束垂直入射在偏振片上，进行了两次测量。第一次和第二次量。第一次和第二次P P1 1和和P P2 2偏振化方向的夹角分别为偏振化方向的夹角分别为3030和未知和未知的的，且入射光中线偏振光的光矢量振动方向与，且入射光中线偏振光的光矢量振动方向

16、与P P1 1 的偏振化方向的偏振化方向夹角分别为夹角分别为4545和和3030。不考虑偏振片对可透射分量的反射和。不考虑偏振片对可透射分量的反射和吸收，已知第一次透射光强为第二次的吸收，已知第一次透射光强为第二次的3 34 4，求，求 （1 1）角的数值；角的数值；（2 2）每次穿过）每次穿过P P1 1的透射光强与入射光强之比；的透射光强与入射光强之比；（3 3）每次连续穿过）每次连续穿过P P1 1，P P2 2透射光强与入射光强之比。透射光强与入射光强之比。解：解：设入射光中自然光的强度为设入射光中自然光的强度为I0 0，则总的入射光强为，则总的入射光强为2 2I0 0，(1)(1)第

17、一次最后出射光强第一次最后出射光强I1=(0.5I0+I0cos245)cos230第二次出射光强第二次出射光强I2=(0.5I0+I0cos230)cos2由由I1/I2=34，得得cos2=4/5，=26.6第27页/共64页28(2)(2)第一次穿过第一次穿过P P1 1的光强的光强 (3)(3)第一次，第一次，I1/2I0=IP1cos230/2I0IP1=0.5I0+I0cos245(IP1/2I0)=1/2第二次穿过第二次穿过P P1 1相应有相应有IP1=0.5I0+I0cos230(IP1/2I0)=5/8第二次，第二次，I2/2I0=IP1cos2/2I0=3/8=I0cos

18、2300/2I0=12=（5I0/4）（4/5）/2I0=5I0/4=I0第28页/共64页29一、光的双折射一、光的双折射且入射线、法线、折射线在同一平面内，且入射线、法线、折射线在同一平面内，这是光在各向同性均这是光在各向同性均匀媒质中的折射现象。匀媒质中的折射现象。例如光从空气射向水、玻璃、或呈熔融态的石英。例如光从空气射向水、玻璃、或呈熔融态的石英。但是，如果将光束射向各向异性的晶体中时，例如将一束光但是，如果将光束射向各向异性的晶体中时，例如将一束光投向方解石（冰州石），透过方解石的光则有两束。投向方解石（冰州石），透过方解石的光则有两束。当一束光投射到两种媒质的交界处，一般只能看到

19、一束折射当一束光投射到两种媒质的交界处，一般只能看到一束折射光，折射定律为：光，折射定律为：14-4 14-4 光的双折射现象光的双折射现象所谓各向异性，是指晶体的物理性质与方向有关。所谓各向异性，是指晶体的物理性质与方向有关。第29页/共64页30v 能产生双折射的晶体是非立方晶系的晶体。能产生双折射的晶体是非立方晶系的晶体。如方解石、石英、电气石、红宝石等。如方解石、石英、电气石、红宝石等。晶体晶体(固体固体)的各向异性的各向异性v 各向各向(同同)异性的微观本质异性的微观本质 若组成固体的晶粒在空间的取向是若组成固体的晶粒在空间的取向是无规则的无规则的，就表现出，就表现出各各向同性；向同

20、性；若组成固体的晶粒在空间有若组成固体的晶粒在空间有一定的取向一定的取向，就表现出，就表现出各各向异性。向异性。例：例：云母只容易沿一个平面劈开；云母只容易沿一个平面劈开；结晶的石墨在每两个相对面之间并不结晶的石墨在每两个相对面之间并不具有相同的电阻。具有相同的电阻。镍晶体只在一个确定的方向上容易被镍晶体只在一个确定的方向上容易被磁化。磁化。第30页/共64页311 1、双折射现象、双折射现象 当一束光在晶体的表当一束光在晶体的表面折射时，在晶体内可产面折射时，在晶体内可产生两束折射光。这就是双生两束折射光。这就是双折射现象。折射现象。如果将光束如果将光束正入射正入射在方解石上，并将方解石围绕

21、着入射光在方解石上，并将方解石围绕着入射光束旋转，则发现其中一光束不动，而另一光束跟着旋转一周。束旋转，则发现其中一光束不动，而另一光束跟着旋转一周。2 2、寻常光（、寻常光（o o光）和非寻常光（光）和非寻常光（e e光）光）在两折射光束中在两折射光束中v 有一束光有一束光遵守普通的折射定律遵守普通的折射定律，称为寻常光，称为寻常光(o(o光光)。不管入射光束方位如何，不管入射光束方位如何，o o光总在入射面内。光总在入射面内。第31页/共64页32 注意：注意：o o光和光和e e光只有在双折射光只有在双折射晶体的内部晶体的内部才有意义才有意义。v 另一束光另一束光不遵守普通的折不遵守普通

22、的折射定律射定律，称非常光，称非常光 (e(e光光)。即使入射角为即使入射角为0 0，折射角也不等于，折射角也不等于0 0，而且，而且e e光往往不在入射光往往不在入射 面内。面内。v o o光和光和e e光都是线偏振光。光都是线偏振光。第32页/共64页33二、晶体的光轴和主平面二、晶体的光轴和主平面 天然方解石晶体的外形为平行六面体，每个表面都是平行天然方解石晶体的外形为平行六面体，每个表面都是平行 四边形四边形(或菱形或菱形),),锐角为锐角为 7878o o8 8 78 78o o钝角为钝角为 101101o o5252 102 102o o 六面体共有六面体共有8 8个顶角，其中个顶

23、角，其中2 2个由三面钝角组成个由三面钝角组成(称为钝隅称为钝隅)；而其余；而其余6 6个则由一个钝角和两个锐角组成。个则由一个钝角和两个锐角组成。v 方解石方解石(冰洲石冰洲石CaCOCaCO3 3）v 能产生双折射的晶体是非立方晶系的晶体。能产生双折射的晶体是非立方晶系的晶体。如方解石、石英、电气石、红宝石等。如方解石、石英、电气石、红宝石等。102o78o一个晶面一个晶面钝隅钝隅102o第33页/共64页34 方方解解石石光光轴轴方方向向是是从从它它的的一一个个钝钝隅隅所所作作的的等等分分角角线线。即即它它与钝隅的三条棱边成等角。与钝隅的三条棱边成等角。v 单轴晶体和多轴晶体单轴晶体和多

24、轴晶体1 1、光轴、光轴v 晶体内存在一个特殊方向晶体内存在一个特殊方向，当光在晶体中沿此方向传播时，不当光在晶体中沿此方向传播时，不发生双折射现象，此特殊方向称为晶体的发生双折射现象，此特殊方向称为晶体的光轴光轴。注意：光轴不是指一条特定的直线，而是一注意：光轴不是指一条特定的直线，而是一特定的方向。特定的方向。凡是与此方向平行的直线方向均为光轴方向。凡是与此方向平行的直线方向均为光轴方向。一般晶体只有一个光轴，称为单轴晶一般晶体只有一个光轴，称为单轴晶体，例如冰洲石、石英、红宝石等；体，例如冰洲石、石英、红宝石等；钝隅钝隅 也有些晶体有两个光轴或更多的光也有些晶体有两个光轴或更多的光轴，它

25、们称为双轴晶体或多轴晶体，轴，它们称为双轴晶体或多轴晶体，如云母、硫磺、兰宝石等。如云母、硫磺、兰宝石等。我们只讨论单轴晶体。我们只讨论单轴晶体。第34页/共64页35 3 3、主平面、主平面o o光和光和e e光都是线偏振光，且：光都是线偏振光，且：光轴光轴O主主平平面面光轴光轴e主主平平面面 晶体中任何一条折射线与光轴所组成的平面叫做晶体晶体中任何一条折射线与光轴所组成的平面叫做晶体 的主平面。的主平面。晶体中有两种主平面，即晶体中有两种主平面，即o o光和光和e e光的主平面。光的主平面。o o光的振动方向垂直于自己的主平面；光的振动方向垂直于自己的主平面；e e光的振动方向平行于自己的

26、主平面。光的振动方向平行于自己的主平面。第35页/共64页364 4、主截面、主截面如果某入射面与光轴共面，则该入射面就称之为主截面。如果某入射面与光轴共面，则该入射面就称之为主截面。若入射面为主截面，则若入射面为主截面，则o o光、光、光的主平面重合，此时光的主平面重合，此时、光的振动方向互相垂直。光的振动方向互相垂直。第36页/共64页37例例14149 9 ABCDABCD为一块方解石的一个截面，为一块方解石的一个截面，ABAB为垂直于纸面的为垂直于纸面的晶体平面与纸面的交线，光轴方向在纸面内，且与晶体平面与纸面的交线，光轴方向在纸面内，且与ABAB成一锐角成一锐角，如图所示，一束平行的

27、单色自然光垂直于，如图所示，一束平行的单色自然光垂直于ABAB端面入射，在方解端面入射，在方解石内折射光分解为石内折射光分解为o o光和光和e e光，光，o o光和光和e e光的：光的：(A)(A)传播方向相同，电场强度振动方向互相传播方向相同，电场强度振动方向互相垂直。垂直。(B)(B)传播方向相同，电场强度振动方向不互传播方向相同，电场强度振动方向不互相垂直。相垂直。(C)(C)传播方向不同，电场强度振动方向互相传播方向不同，电场强度振动方向互相垂直。垂直。(D)(D)传播方向不同，电场强度振动方向不互传播方向不同，电场强度振动方向不互相垂直。相垂直。解：解：选（选（C C）因为只有沿光轴

28、方向（或垂直于光轴方向）入射，出射光因为只有沿光轴方向（或垂直于光轴方向）入射，出射光方向才相同，而此处入射光与光轴有小于方向才相同，而此处入射光与光轴有小于9090的夹角；又由的夹角；又由于入射面与光轴共面，即入射面就是主截面，所以于入射面与光轴共面，即入射面就是主截面，所以o o光、光、e e光光电振动方向垂直。电振动方向垂直。第37页/共64页38 例例14141010下面那一个结论是正确的？下面那一个结论是正确的？（A A）一束光射入透明媒质时，都将产生双折射现象；）一束光射入透明媒质时，都将产生双折射现象；（B B）自然光以起偏角从空气射入玻璃将产生双折射现象；）自然光以起偏角从空气

29、射入玻璃将产生双折射现象；（C C）光入射方解石晶体后若分裂为两束光，则称为）光入射方解石晶体后若分裂为两束光，则称为o o光、光、e e光；光；（D D）o o光和光和e e光均为部分偏振光。光均为部分偏振光。解：只有（解：只有（C C）是正确的。）是正确的。例例14141111在光学各向异性晶体内部有一确定的方向，沿这一在光学各向异性晶体内部有一确定的方向，沿这一方向寻常光和非寻常光的方向寻常光和非寻常光的相等，这一方向称为晶相等，这一方向称为晶体的光轴，只具有一个光轴方向和晶体称为体的光轴，只具有一个光轴方向和晶体称为晶体。晶体。解：解：传播速度传播速度单轴单轴第38页/共64页39三三

30、.双折射现象的定性解释双折射现象的定性解释其中其中n n0 0 ，n ne e 叫作晶体的主折射率。叫作晶体的主折射率。发生双折射现象，主要是因为晶体的物理性质是各向异性。发生双折射现象，主要是因为晶体的物理性质是各向异性。晶体中的介电常数晶体中的介电常数 r r与方向有关，因而光在晶体中的传播速度与方向有关，因而光在晶体中的传播速度 与光的传播方向有关与光的传播方向有关,从而光在介质中的折射从而光在介质中的折射率率 与与方向有关。方向有关。沿光轴方向沿光轴方向 沿垂直光轴方向沿垂直光轴方向1 1、双折射中的速度特征、双折射中的速度特征o o光在各个方向上的传播速度相同：光在各个方向上的传播速

31、度相同：e e光在各方向上的传播速度不相同：光在各方向上的传播速度不相同：第39页/共64页40e e光不满足普通的折射定律，但仍然把光不满足普通的折射定律，但仍然把n ne e 叫作它的折射率。叫作它的折射率。但此时但此时n ne e不再是常数。不再是常数。在各向异性的晶体内，传播速度既和振动方向在各向异性的晶体内，传播速度既和振动方向(指指o o，e)e)有关，有关，又和传播方向又和传播方向(是否沿光轴是否沿光轴)有关。有关。第40页/共64页41 2 2、o o光和光和e e光的子波面光的子波面 vo o光的子波面光的子波面在在各向同性媒质中，一子波源发出的波沿各方向的传播速度各向同性媒

32、质中，一子波源发出的波沿各方向的传播速度 均为均为V Vc/n c/n，经，经 t t后，形成的波面是一个半径为后，形成的波面是一个半径为V V t t的球面。的球面。o o光在单轴晶体中的传播规律与在各向同性媒质中一样。光在单轴晶体中的传播规律与在各向同性媒质中一样。因此，因此，o o光的子波面是球面。经光的子波面是球面。经 t t后，形成的波面是一个半径后，形成的波面是一个半径 为为V Vo o t t的球面。的球面。ve e光的子波面光的子波面 e e光沿各个方向传播速度不同。光沿各个方向传播速度不同。沿光轴方向的传播速度与沿光轴方向的传播速度与o o光一样也是光一样也是V Vo o；垂

33、直于光轴方向的速度是；垂直于光轴方向的速度是V Ve e。经经 t t后，后，e e光的子波面是绕光轴方向旋转的椭球面。在光轴光的子波面是绕光轴方向旋转的椭球面。在光轴 方向，半径为方向，半径为 V Vo o t t；在垂直光轴方向，半径为；在垂直光轴方向，半径为V Ve e t.t.VoVe光轴光轴第41页/共64页423 3、正晶体和负晶体、正晶体和负晶体正晶体正晶体 V Vo o V Ve e e e光的波面在光的波面在o o光波面内。光波面内。负晶体负晶体 V Ve e VVo o e e光的波面在光的波面在o o光波面外。光波面外。o o光和光和e e光的子波面在光轴方向上相切；在垂

34、直光轴方向上，光的子波面在光轴方向上相切；在垂直光轴方向上，两波面相距最远。两波面相距最远。光轴光轴正晶体正晶体负晶体负晶体o光e光光轴光轴在垂直于光轴的方向上在垂直于光轴的方向上第42页/共64页43自自然然光光o o光光e e光光光轴光轴 14145 5 偏振光的干涉偏振光的干涉 人为双折射现象人为双折射现象一、波片一、波片-位相延迟片位相延迟片 波波片片是是从从单单轴轴晶晶体体(例例石石英英)中中切切割割下下来来的的平平行行平平面面板板，其其表面与光轴平行。表面与光轴平行。1、波片的位相延迟作用波片的位相延迟作用 第43页/共64页44故，当光束出射波片时，两光的（附加）位相差为故，当光

35、束出射波片时，两光的（附加）位相差为 由于由于o o光与光与e e光在波片内的传播速度不同，因此，当光在波片内的传播速度不同，因此，当o o光与光与 e e光通过同一厚度的波片时，就会有光程差光通过同一厚度的波片时，就会有光程差 位相的延迟作用位相的延迟作用这种波片称作这种波片称作 1 14 4 波片。波片。此时此时(取正值取正值)1 14 4 波片波片 可见，位相差决定于可见，位相差决定于n no o ，n ne e和和d d。因此，适当选择。因此，适当选择d d可使两光可使两光束的位相差束的位相差为任意值。为任意值。当入射光垂直于光轴入射到晶片上时，可以证明，此时光线当入射光垂直于光轴入射

36、到晶片上时，可以证明，此时光线虽然分成虽然分成o o光和光和e e光，但仍沿同一方向传播。光，但仍沿同一方向传播。当当d满足满足第44页/共64页45这种波片称作这种波片称作 波片。波片。1 12 2 波片波片 此时，此时，(取正值取正值)当当d d 满足满足 说明：说明：1 14 4 波片，波片，1 12 2 波片，全波片是相对一定波长而言。波片，全波片是相对一定波长而言。对不同波长的对不同波长的波片，其厚度也不同。波片，其厚度也不同。对对同同一一波波片片，相相对对某某一一波波长长可可能能是是 1 14 4 波波片片，但但相相对对另另一波长，则可能是一波长，则可能是 1 12 2 波片。波片

37、。第45页/共64页462 2、波片分解自然光、波片分解自然光设有一束线偏振光（设有一束线偏振光（自然光自然光）正入射到晶片上，则分解为传播正入射到晶片上，则分解为传播方向一致的方向一致的o o光和光和e e光，光，o o光的振动垂直光轴；光的振动垂直光轴；e e光的振动平行光轴。光的振动平行光轴。振幅：振幅：oeAxyz光轴光轴d第46页/共64页47二、圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光 y yx z传播方向传播方向 /2E 0 x yEAxAy某时刻左旋圆偏振光某时刻左旋圆偏振光E 随随z的变化的变化左旋光左旋光 1 1、圆偏振光：、圆偏振光：a a、特点 振振幅幅的的大大小小不不

38、变变；以以角角速速度度 绕绕传传播播方方向向匀匀速速旋转。旋转。*迎迎着着传传播播方方向向看看：电电矢矢量量按按顺顺时时针针方方向向旋旋转转，称称右右旋圆偏振光旋圆偏振光；电矢量按电矢量按逆逆时针方向旋转、称时针方向旋转、称左左旋圆偏振光。旋圆偏振光。在在垂垂直直于于光光的的传传播播方方向向的的平平面面内内，电电矢矢量量的的端端点点所描绘的轨迹为一圆。这种光叫所描绘的轨迹为一圆。这种光叫圆偏振光圆偏振光。第47页/共64页48b b、圆偏振光的分解：、圆偏振光的分解：由相互垂直、同频率谐振动的合成可知，圆偏振光可分解为由相互垂直、同频率谐振动的合成可知，圆偏振光可分解为两个两个频率相同频率相同

39、、相互垂直相互垂直，振幅相等振幅相等，位相差为位相差为2 2的线偏的线偏振光，即振光，即y xEEy Ex若取若取/2/2，则，则E Ey y领先领先，迎着传播方向看，迎着传播方向看、电矢量按、电矢量按顺时针顺时针 方向旋转，是方向旋转，是右旋右旋圆偏振光圆偏振光；若若取取-/2/2，则则E Ey y落落后后，迎迎着着传传播播方方向向看看、电电矢矢量量按按逆逆时时针针 方向旋转，是方向旋转，是左旋左旋圆偏振光。圆偏振光。第48页/共64页49c c、圆偏振光通过偏振片的透射光强度：、圆偏振光通过偏振片的透射光强度：偏振片透光方向为偏振片透光方向为X X，则透射光强为，则透射光强为 即即透射光强

40、为入射光强的一半透射光强为入射光强的一半。设入射光强为设入射光强为I0 0 ，则，则第49页/共64页502 2、椭圆偏振光：、椭圆偏振光：椭椭圆圆偏偏振振光光可可以以分分解解为为两两个个频频率率相相同同、相相互互垂垂直直，振振幅幅不等不等，位相差不为位相差不为 /2/2的线偏振光，即的线偏振光，即a a、椭圆光的分解、椭圆光的分解 在在垂垂直直于于光光的的传传播播方方向向的的平平面面内内，电电矢矢量量的的端端点点所所描描绘绘的的轨迹为一椭圆的光。轨迹为一椭圆的光。由由相相互互垂垂直直的的谐谐振振动动合合成成可可知知，椭椭圆圆长长短短轴轴的的大大小小和和取取向与振幅和位相差有关。向与振幅和位相

41、差有关。第50页/共64页51 若若 0 0（0 0），则，则 领先领先（落后）（落后），矢量按矢量按顺顺（逆）（逆）时针旋转，称时针旋转，称右右（左）（左）旋椭圆偏振光；旋椭圆偏振光；迎着传播方向看：迎着传播方向看：线线偏偏振振光光和和圆圆偏偏振振光光都都可可看看作作是是椭椭圆偏振光的特例：圆偏振光的特例：若若 ，/2/2，则椭圆偏振光，则椭圆偏振光变为圆偏振光变为圆偏振光；若若 0 0或或 0 0或或 0 0，则椭圆偏振光变为线偏振光则椭圆偏振光变为线偏振光。y xExEyE 第51页/共64页52三、偏振光通过三、偏振光通过1/41/4波片后偏振态的改变波片后偏振态的改变 （1 1）线偏

42、振光：）线偏振光：透过透过1/41/4波片后，产生波片后，产生o o光和光和e e光光 设设 为线偏振光振动方向与为线偏振光振动方向与波片光轴的夹角，则波片光轴的夹角，则 0 0，出射的为出射的为e e光，光，9090o o时，时，出射的为出射的为o o光，光，oeAxyz光光轴轴d由互相垂直振动的合成可知，当两分振动的位相差为由互相垂直振动的合成可知，当两分振动的位相差为/2/2时，时，其合振动为椭圆振动。其合振动为椭圆振动。第52页/共64页53 4545o o时，时，出射的出射的o o光、光、e e光振动方向互相垂直，振光振动方向互相垂直，振 幅相等，位相差幅相等，位相差/2/2，合成为

43、圆偏振光；，合成为圆偏振光；为其它值时，出射为其它值时，出射o o光、光、e e光振动方向互相垂直，振光振动方向互相垂直，振 幅不相等，位相差幅不相等，位相差/2/2，合成为椭圆偏振光。合成为椭圆偏振光。a a、椭椭圆圆偏偏振振光光经经过过1/41/4波波片片，若若波波片片光光轴轴与与椭椭圆圆主主轴轴重重合合 ，则则出出射射光光束束为为线线偏振光。偏振光。（2 2）椭圆偏振光：）椭圆偏振光：xy拿拿1/41/4波波片片，并并使使光光轴轴与与y y轴轴重重合合。由由于于是是负负晶晶体体，所所以以y y振振动动领领先先x x振振动动 /2/2，出出射射后后，两两光光束束的的位位相相差差为为。故故，

44、o o光光和和e e光光合合成为一线偏振光。成为一线偏振光。eo光光轴轴第53页/共64页54 若若使使光光轴轴与与x x轴轴重重合合。由由于于经经波波片片后后，x x振振动动将将会会领领先先y y振振动动 /2/2。出出射射后后，两两光光束束的的位位相相差差为为0 0。故故，o o光光和和e e光光合合成成仍仍为为一线偏振光。一线偏振光。若若使使波波片片的的光光轴轴与与x x轴轴、y y轴轴不不重重合合。出出射射后后，两两光光束束的的位位相相差差一一般般不不为为 或或0 0，o o光光和和e e光光合合成成还还是是椭椭圆圆偏偏振振光光，但但一般不是正椭圆一般不是正椭圆。eo光光轴轴（3 3）

45、圆偏振光：）圆偏振光：经过经过1/41/4波片，不管光轴在何方向，出射光束均为线偏振光。波片，不管光轴在何方向，出射光束均为线偏振光。第54页/共64页55（4 4）自然光与部分偏振光：）自然光与部分偏振光：经过经过1/41/4波片，出射光束仍为自然光和部分偏振光。波片，出射光束仍为自然光和部分偏振光。圆圆偏偏振振光光垂垂直直入入射射1/41/4波波片片后后，两两束束光光的的振振动动方方向向互互相相垂垂直直、振振幅幅相相等等、位位相相差差为为/2/2，1/41/4波波片片附附加加位位相相差差 /2/2；因因此此，两两光束的位相差为光束的位相差为 或或0 0。故，。故，o o光和光和e e光合成

46、为一线偏振光光合成为一线偏振光。第55页/共64页56 用用1/41/4波片加偏振片即可区分各种光，如下图所示：波片加偏振片即可区分各种光，如下图所示：部分偏光部分偏光无消光无消光椭圆偏光椭圆偏光圆偏光圆偏光自然光自然光线偏光线偏光部分偏光部分偏光消光消光线偏光线偏光消光消光自然光自然光无消光无消光波片偏偏振振片片转转动动第56页/共64页57 偏振片偏振片1 1和偏振片和偏振片2 2的透光方向的相对位置可以的透光方向的相对位置可以任意任意，在，在 最简单的情形下，可使两透光轴相互垂直或平行。最简单的情形下，可使两透光轴相互垂直或平行。四、偏振光的干涉四、偏振光的干涉1 1、装置：两偏振片间放

47、一晶体波片。、装置：两偏振片间放一晶体波片。偏振片偏振片1 1：用于起偏，其透光方向如图。：用于起偏，其透光方向如图。双折射晶片：用于双折射晶片：用于“分光分光”，其光轴与晶面平行。，其光轴与晶面平行。偏振片偏振片2 2：其透光方向如图。：其透光方向如图。自自然然光光偏振片偏振片光轴光轴波片波片eo透透光光轴轴偏振片偏振片eo透透光光轴轴o|e|区区I区区II区区IIIa、特点特点第57页/共64页58它们的传播方向相同；振动方向垂直；它们的传播方向相同；振动方向垂直；考考虑虑单单色色平平行行自自然然光光入入射射；为为简简单单起起见，设见，设两偏振片的透光方向相互垂直两偏振片的透光方向相互垂直

48、。2 2、各区域中光的振动情况分析、各区域中光的振动情况分析区域区域1 1：自然光通过偏振片：自然光通过偏振片1 1后成为线偏后成为线偏振光，设此时线偏振光的振幅为振光，设此时线偏振光的振幅为A A1 1。区域区域2 2：通过晶片后，分为：通过晶片后，分为o o光和光和e e光。光。虽然虽然o o光和光和e e光的频率相同，位相差恒定，但振动方向相互垂光的频率相同，位相差恒定，但振动方向相互垂直，它们还不能干涉。直，它们还不能干涉。d d 为晶片厚度为晶片厚度位相差固定：位相差固定：P2P1光光轴轴A1AoAe第58页/共64页59（1 1）、振振幅幅：晶晶片片光光轴轴方方向向和和偏偏振振片片

49、2 2透透光光轴轴方方向向成成 角角，则则可见可见，区域区域3 3：只有只有o o光和光和e e光沿透光轴方向的投影可通过偏振片光沿透光轴方向的投影可通过偏振片2 2，o o光和光和e e光沿偏振片光沿偏振片2 2透光轴方向的分量才具备相干条件。透光轴方向的分量才具备相干条件。P2P1光轴光轴A1AoAeA2eA2o因两偏振片的透光方向垂直，因两偏振片的透光方向垂直，即即 9090o o，则，则由图可知，由图可知，A A2o2o与与A A2e2e两电矢量的方向相反。两电矢量的方向相反。第59页/共64页60(2)(2)位相差：位相差：其中其中,第一项是由双折射晶体引起的；第一项是由双折射晶体引

50、起的；P2P1光轴光轴A1AoAeA2eA2o第二项第二项 是是由于由于 A A2o2o 、A A2e2e方向相反引起的方向相反引起的附加位相差。附加位相差。第60页/共64页613 3、光强公式、光强公式合成光振幅合成光振幅故，干涉明、暗条件为故，干涉明、暗条件为（）（）注意：注意：(1)(1)式只适用于两偏振片式只适用于两偏振片透光方向垂直透光方向垂直的情形。的情形。(2)(2)两偏振片两偏振片透光方向垂直透光方向垂直情形下干涉光强情形下干涉光强I 和和及及 有关。有关。（反映晶片光轴的方位角；反映晶片光轴的方位角；反映晶片的厚度及材料特性）反映晶片的厚度及材料特性）第61页/共64页62