波动光学-偏振.ppt

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1、 15.11 15.11 15.11 15.11 光的偏振光的偏振 线偏振光和自然光线偏振光和自然光光振动：光振动：电磁波的电磁波的 振动。振动。光矢量：光矢量：电磁波的电磁波的 矢量。矢量。线偏振光（平面偏振光）线偏振光（平面偏振光）.光矢量在屏平面内光矢量在屏平面内光矢量在屏平面内光矢量在屏平面内光矢量与屏平面垂直光矢量与屏平面垂直光矢量与屏平面垂直光矢量与屏平面垂直线偏振光表示法：线偏振光表示法：线偏振光表示法：线偏振光表示法：自然光的表示法：自然光的表示法：自然光的表示法：自然光的表示法：.自然光：自然光：迎着光传播的方向看迎着光传播的方向看迎着光传播的方向看迎着光传播的方向看各个方向

2、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表示法：部分偏振光表示法：部分偏振光表示法：部分偏振光表示法：.圆偏振光圆偏振光 椭圆偏振光椭圆偏振光右旋圆右旋圆偏振光偏振光圆偏振光圆偏振光表示方法表示方法其截面图其截面图椭圆偏振光椭圆偏振光表示方法表示方法I0偏偏偏偏振振振振化化化化方方方方向向向向自自然然光光线线偏偏振振光光偏振片偏振片1/2 I0自然光通过偏振片后变为线偏振光，称为自然光通过偏振片后变为线偏振光，称为起偏起偏起偏起偏。偏振片又可用来检验光线的偏振化程度，称为偏振片又可用来检验光线的偏振化程度，称

3、为检偏检偏检偏检偏。15.12 15.12 偏振片的起偏和检偏偏振片的起偏和检偏 马吕斯定律马吕斯定律一、偏振片：一、偏振片：能吸收某一方向的光振动，而只让与其偏振化方向一致的光振能吸收某一方向的光振动，而只让与其偏振化方向一致的光振动通过的一种透明薄片。动通过的一种透明薄片。形象说明偏形象说明偏振片的原理振片的原理横拿扁担进不了城门横拿扁担进不了城门通光方向通光方向.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光线偏振光通过旋转的检偏器，线偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化最亮最亮.自然光自然光线偏振光线偏振光线偏振光通过旋转的检偏器，线偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变

4、化光强发生变化起偏器起偏器检偏器检偏器I=.自然光自然光线偏振光线偏振光线偏振光通过旋转的检偏器，线偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化起偏器起偏器检偏器检偏器I=.自然光自然光线偏振光线偏振光线偏振光通过旋转的检偏器，线偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化起偏器起偏器检偏器检偏器I=.自然光自然光线偏振光线偏振光线偏振光通过旋转的检偏器，线偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化起偏器起偏器检偏器检偏器I=.自然光自然光线偏振光线偏振光线偏振光通过旋转的检偏器，线偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化起偏器起偏器检偏器检偏器最暗最暗.自然光自然光线偏

5、振光线偏振光线偏振光通过旋转的检偏器，线偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化起偏器起偏器检偏器检偏器.I=.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光线偏振光通过旋转的检偏器，线偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化最亮最亮结论：结论：当旋转检偏器一周时，会出现两次全明和两次全暗。当旋转检偏器一周时，会出现两次全明和两次全暗。二、马吕斯定律二、马吕斯定律:马吕斯定律马吕斯定律（18091809）消光现象消光现象讨论：讨论：偏振化方向偏振化方向例例.一束光由自然光和线偏振光混合组成，当它通一束光由自然光和线偏振光混合组成，当它通过一偏振片时，发现透射光的强度随偏振

6、片的转动可过一偏振片时，发现透射光的强度随偏振片的转动可以变化到五倍。求入射光中自然光和线偏振光的强度以变化到五倍。求入射光中自然光和线偏振光的强度各占入射光强度的几分之几？各占入射光强度的几分之几？解：解：设入射光强度：设入射光强度：I0；自然光强度：自然光强度：I10；偏振光强度偏振光强度:I20设通过偏振片后的光强分别为：设通过偏振片后的光强分别为：I，I1，I2例例 自然光通过两个偏振化方向成自然光通过两个偏振化方向成 6060偏振片后的强偏振片后的强度为度为I Ie e。若在这两个偏振片之间再插入一个偏振片并令若在这两个偏振片之间再插入一个偏振片并令其偏振化方向与前两个偏振片的偏振化

7、方向互成其偏振化方向与前两个偏振片的偏振化方向互成3030.求求 透过整个系统的光强透过整个系统的光强.插入偏振插入偏振片后，片后，透过第一个偏振片的偏振光强度为透过第一个偏振片的偏振光强度为透过第透过第二个二个偏振片的偏振光强度为偏振片的偏振光强度为通过整个系统后，透射通过整个系统后，透射光强度为光强度为 解：解：设入射自然光强度为设入射自然光强度为 I0，则则透过第一个偏振片的偏振光强度透过第一个偏振片的偏振光强度 即入射光强度即入射光强度根据题意，透过第根据题意，透过第二个二个偏振片的偏振光强度为偏振片的偏振光强度为Ie，有有 15.13 15.13 光在反射和折射时的偏振光在反射和折射

8、时的偏振 布儒斯特定律布儒斯特定律一、自然光经反射和折射后成为部分偏振光一、自然光经反射和折射后成为部分偏振光结论结论：反射光和折射光均为部分偏振光：反射光和折射光均为部分偏振光二、布儒斯特定律二、布儒斯特定律n1n2由折射定律由折射定律布儒斯特角布儒斯特角布儒斯特定律布儒斯特定律：当自然光以布儒斯特角入射到两不同介质：当自然光以布儒斯特角入射到两不同介质的表面时，其反射光为线偏振光，光振动垂直于入射面。的表面时，其反射光为线偏振光，光振动垂直于入射面。三、玻璃片堆三、玻璃片堆线偏振光线偏振光布儒斯特角布儒斯特角例例画出相应的反射光，折射光画出相应的反射光，折射光的方向及偏振态的方向及偏振态(

9、n2n1)解解方解石方解石 晶体晶体15.14 15.14 光的双折射光的双折射一束光入射到各向异性的介质后出现两束折射光的现象一束光入射到各向异性的介质后出现两束折射光的现象.一、双折射一、双折射双折射双折射(晶体各向异性晶体各向异性)-折射光分成两束折射光分成两束,且都是线偏振光且都是线偏振光寻常光(O光)非寻常光(e光)遵守折射定律不遵守折射定律折射光线在入射面内折射光线不在平面内在晶体内沿任一方向的速度都相同在晶体内沿任一方向的速度都不相同o 光光e 光光ordinaryextraordinary780102078078010201020光轴光轴光轴光轴：在方解石这类晶体中存在一个特殊

10、的方向，当：在方解石这类晶体中存在一个特殊的方向，当光线沿这一方向传播时不发生双折射现象。称这一方光线沿这一方向传播时不发生双折射现象。称这一方向为晶体的光轴。向为晶体的光轴。单轴晶体单轴晶体：只有一个光轴（方解石、石英）：只有一个光轴（方解石、石英）双轴晶体双轴晶体：有两个光轴（云母、硫磺）：有两个光轴（云母、硫磺）二、晶体的光轴二、晶体的光轴主平面主平面：光的传播方向与晶体光轴的平面：光的传播方向与晶体光轴的平面 注意：O光及光及e光都为线偏振光。光都为线偏振光。O光的振动方向垂直于它的主平面；光的振动方向垂直于它的主平面；e e光的振动方向就在它的主平面内。光的振动方向就在它的主平面内。

11、三、晶体的主平面三、晶体的主平面o光光光轴光轴o光的光的主平面主平面e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面光轴在入射面光轴在入射面时时，o o 光主平面和光主平面和e e 光主平面重合，此时光主平面重合，此时o o 光振动方向和光振动方向和e e光振动方向相互垂直光振动方向相互垂直.一般情况下，两个主平面并不重合，所以一般情况下，两个主平面并不重合，所以o o 光和光和e e 光的光的光矢量方向也不相互垂直光矢量方向也不相互垂直.四、晶体的主折射率四、晶体的主折射率u o o光光沿不同方向的传播速率相同，其波面是球面沿不同方向的传播速率相同，其波面是球面光轴光轴光轴光轴e e光光主折射率主折射率

12、u e e光光沿不同方向的传播速率不相同，其波面是以光轴沿不同方向的传播速率不相同，其波面是以光轴 为轴的旋转椭球面为轴的旋转椭球面.光的双折射实质上是由于光在晶体中的光的双折射实质上是由于光在晶体中的传播速率传播速率与光的与光的传播方向传播方向和光的和光的偏振状态偏振状态有关有关.ne no 正晶体正晶体n ne enno o负晶体负晶体光轴光轴 光轴光轴ACDFE.oeo光轴光轴i(1)平面波倾斜入射方解石晶体平面波倾斜入射方解石晶体e五、惠更斯作图法五、惠更斯作图法（2）入射光斜入射，光轴沿垂直方向）入射光斜入射，光轴沿垂直方向光轴光轴E.oACDiFeoe光轴光轴（3）垂直入射，光轴沿

13、竖直方向）垂直入射，光轴沿竖直方向光轴光轴oeoeAD一、尼科耳棱镜一、尼科耳棱镜一、尼科耳棱镜一、尼科耳棱镜680 15.15 15.15 15.15 15.15 尼科耳棱镜尼科耳棱镜尼科耳棱镜尼科耳棱镜 渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜 波晶片波晶片波晶片波晶片71 0尼科耳棱镜的制作过程尼科耳棱镜的制作过程尼科耳棱镜的制作过程尼科耳棱镜的制作过程68 068 068 0加拿大树胶加拿大树胶n加加=1.55n=e1.516 n=1.6584o，.900oe220680oeAMCN自然光自然光加拿大树胶加拿大树胶光光轴轴 尼科耳棱镜尼科耳棱镜尼科耳棱镜尼科耳棱镜偏光镜偏光镜:

14、格兰格兰汤姆逊棱镜汤姆逊棱镜 光轴光轴方解石方解石树胶树胶(n=1.655)eo吸收涂层吸收涂层i 玻璃玻璃eo光轴光轴光轴光轴二、偏二、偏光分束镜光分束镜 :沃拉斯顿棱镜沃拉斯顿棱镜三、波片三、波片 圆圆(椭圆椭圆)偏振光的获得偏振光的获得1 1、波片、波片一种由晶体制造的光学器件一种由晶体制造的光学器件.由单轴晶体上切割下来的平由单轴晶体上切割下来的平行薄片，其行薄片，其表面与晶体的光轴表面与晶体的光轴平行平行.ydxAAoAe 线偏振光线偏振光光轴光轴AAoAe 光轴光轴Po、e光产生相位差：光产生相位差：(1)(1)当当 时，时，1/41/4波片波片：线偏振光线偏振光=圆偏振光圆偏振光

15、光程差为光程差为：E0Ee101234567234567001234567利用利用1/41/4玻片玻片线偏振光线偏振光=圆偏振光圆偏振光(1)(1)当当 时，时，1/21/2波片波片：线偏振光线偏振光=线偏振光线偏振光光程差为光程差为：E0Ee012345671234567001234567利用利用1/21/2玻片玻片线偏振光线偏振光=线偏振光线偏振光(3)(3)偏振光通过偏振光通过1/41/4波片的情况波片的情况 =任意值任意值 =任意值任意值光轴平行于部分偏振光光轴平行于部分偏振光的长轴或短轴位置的长轴或短轴位置圆偏振光圆偏振光波片特点：波片特点：光轴平行于椭圆偏振光轴平行于椭圆偏振光的长

16、轴或短轴位置光的长轴或短轴位置 =某固定值某固定值(3)(3)偏振光通过偏振光通过1/21/2波片的情况波片的情况 =任意值任意值 =任意值任意值光轴平行于部分偏振光光轴平行于部分偏振光的长轴或短轴位置的长轴或短轴位置线偏振光线偏振光波片特点：波片特点：光轴平行于椭圆偏振光轴平行于椭圆偏振光的长轴或短轴位置光的长轴或短轴位置圆偏振光圆偏振光左右圆互换左右圆互换椭圆偏振光椭圆偏振光左右旋互换左右旋互换2 2、五种偏振光的判断、五种偏振光的判断.偏振片偏振片圆偏振光圆偏振光自然光自然光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现有现有2 2个偏振片，一个个偏振片，一个1/41/4波片

17、，来区分五种偏振光波片，来区分五种偏振光偏振片偏振片光强有明暗变化，有消光现象光强有明暗变化，有消光现象偏振片偏振片光强无变化光强无变化偏振片偏振片光强无变化光强无变化偏振片偏振片光强有明暗变化，无消光现象光强有明暗变化，无消光现象偏振片偏振片光强有明暗变化，无消光现象光强有明暗变化，无消光现象第一步：第一步：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（旋旋转转）线偏振光线偏振光 I不变不变线偏振光线偏振光I变变,有消光有消光 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 部分部分偏振光偏振光 偏偏振振片片

18、（旋旋转转）线偏振光线偏振光I变变,有消光有消光线偏振光线偏振光I变变,无消光无消光光轴平行最大光强或最小光强方向放置或光光轴平行最大光强或最小光强方向放置或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置第二步：第二步：15.16 15.16 15.16 15.16 偏振光的干涉偏振光的干涉偏振光的干涉偏振光的干涉1 1、偏振片的偏振化方向垂直、偏振片的偏振化方向垂直AoeAAAoeA.d主平面主平面 自然光自然光光轴光轴 一对一对相干光相干光a通过波片时，通过波片时，o o、e e光的光程差为光的光程差为AoeAAAoeA.d主平面主平面 自然光自然光光轴光轴 一对一对相

19、干光相干光a经过第二个偏振片后经过第二个偏振片后此时的相位差为此时的相位差为+当当 时，或光程差时，或光程差AoeAAAoeA.d主平面主平面 自然光自然光光轴光轴 一对一对相干光相干光a一对相干光的相位差为一对相干光的相位差为当当 时，或光程差时，或光程差干涉相长干涉相长干涉相消干涉相消2 2、偏振片的偏振化方向平行、偏振片的偏振化方向平行AoeAAAoeA.d主平面主平面 自然光自然光光轴光轴 一对一对相干光相干光a经过第二个偏振片后经过第二个偏振片后一对相干光的相位差为一对相干光的相位差为AoeAAAoeA.d主平面主平面 自然光自然光光轴光轴 一对一对相干光相干光a一对相干光的相位差为

20、一对相干光的相位差为当当 时，或光程差时，或光程差当当 时，或光程差时，或光程差干涉相长干涉相长干涉相消干涉相消例题：一束部分椭圆偏振光沿着z方向传播通过一个完全线偏振的检偏器。当检偏器的透光方向沿x轴时，透射强度最大，其值为1.5I0；当透射方向沿y轴时，透射强度最小，其值为I0。问(1)当透射方向与x轴成角时，透射强度如何？(2)若令原来的光束先通过一个1/4波片，然后再通过检偏器，且1/4波片的光轴沿x轴或y轴方向。现在发现，当检偏器的 透光方向与x轴成30时，透射的强度最大，试确定这个最大强度的值。解解:(1)(1)部分椭圆偏振光看作部分椭圆偏振光看作 椭圆偏振光椭圆偏振光+自然光自然光设自然光强为设自然光强为 ，椭圆沿，椭圆沿x x与与y y轴的强度为轴的强度为设偏振化方向与设偏振化方向与x x轴夹角为轴夹角为，则出射光强为，则出射光强为xy(2)(2)长轴或短轴与长轴或短轴与1/41/4波片光轴平行，故椭圆偏振光经过波片光轴平行，故椭圆偏振光经过1/41/4波片后波片后成为线偏振光，成为线偏振光，而线偏振光与而线偏振光与x x轴夹角为轴夹角为3030度，则有度，则有连立连立(1)(2)(3),(1)(2)(3),可得可得出射光强最强时，则出射光强最强时，则xy