第七节偏振光的变换和测定精选文档.ppt

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1、第七节偏振光的变换和测定本讲稿第一页，共四十二页一、偏振光一、偏振光(Polarized light)的表示的表示1、线偏振光、线偏振光(Linearly polarized light)的分解的分解xy AAxAyO若是若是2、4象限振动的线偏振光，如何分解？象限振动的线偏振光，如何分解？本讲稿第二页，共四十二页2 椭圆偏振光椭圆偏振光(Circularly polarized light包括圆偏振光包括圆偏振光)xyAAxAy或者表示为或者表示为:)(exp00+-=yxkz wtiAyyE)(exp-kz wtiAxxEvvvvvvvv讨论：讨论：为圆偏振光为圆偏振光当当 时时,为椭圆偏

2、光。为椭圆偏光。当当 时时,问：什么条件下为问：什么条件下为线偏振光？线偏振光？本讲稿第三页，共四十二页所以任意一个偏振光都可表示为所以任意一个偏振光都可表示为:a.光矢量互相垂直光矢量互相垂直 b.沿同一方向传播且位相差恒定沿同一方向传播且位相差恒定的两个线偏振光的合成。的两个线偏振光的合成。本讲稿第四页，共四十二页 波片波片 通过通过o、e光之间的相位延迟，改变入射光的光之间的相位延迟，改变入射光的偏振态。偏振态。1/2波片波片1/4波片波片2、线偏振光、线偏振光3、圆偏振光、圆偏振光4、椭圆偏振光、椭圆偏振光1、自然光通过波片、自然光通过波片y(光轴光轴,Ay,Ae)x(Ax,Ao)本讲

3、稿第五页，共四十二页例例题题：一一束束光光强强为为 I 的的线线偏偏振振光光垂垂直直入入射射到到1/4波波片片，其其振振动动面面与与主主截截面面间间的的夹夹角角为为，这这里里的的波波晶晶片片是是用用方方解解石石制制成成的的最最小小厚厚度度的的1/4波波片。求片。求1、透射光的偏振态；、透射光的偏振态；2、若若是是椭椭圆圆偏偏振振光光，长长短短轴轴的的大大小小和和方方位位及及旋旋转方向。转方向。(波长为波长为589.3nm，/4)3、波晶片的最小厚度波晶片的最小厚度 d。本讲稿第六页，共四十二页 由由于于入入射射光光的的振振动动面面在在第第2、4象象限限，在在入入射射点点的的o、e两两光光间间存

4、存在在的位相差。的位相差。总总的的位位相相差差为为3/2(或或-/2)，所所以以是是左左旋旋椭椭圆圆偏偏振振光光，在在所所取取的坐标系中，是正椭圆。的坐标系中，是正椭圆。本讲稿第八页，共四十二页长、短轴大小长、短轴大小分别为分别为Ae和和Ao：波片的最小厚度：波片的最小厚度：由由 =2(no ne)d/=/2得得 /4Ae=Acos,Ao=Asin而 A=I1/2 ,因此Ae=I1/2 cos,Ao=I1/2 sin本讲稿第九页，共四十二页一一个个质质点点(一一个个振振动动矢矢量量的的端端点点)同同时时参参与与方方向向相相互互垂垂直直、频频率率相相同同、相相位位差差恒恒定定的的两两个个振动。振

5、动。若若x方向振动的方向振动的相位超前相位超前/2：本讲稿第十页，共四十二页二、偏振光的变换二、偏振光的变换(Polarized lights transformtransform)1、椭圆偏振光和圆偏振光的获得、椭圆偏振光和圆偏振光的获得 方法：采用起偏器和方法：采用起偏器和/4波片从自然光中获得波片从自然光中获得自然光自然光线偏光线偏光Quarter-wave plateQuarter-wave plate1/4波片波片x(快轴快轴)y椭圆偏振光椭圆偏振光45o圆偏振光圆偏振光=45o起偏器起偏器PolarizerPolarizerxy透光轴透光轴0o 90o 本讲稿第十一页，共四十二页偏

6、振光的产生与变换偏振光的产生与变换变换前变换后自然光自然光线偏光线偏光圆偏光圆偏光椭圆偏光椭圆偏光线偏光线偏光圆偏光圆偏光椭圆偏光椭圆偏光*先先通通过过一一个个起起偏偏器器，再再通通过过一一个个快快（慢慢）轴轴与与起起偏偏器成器成 45度的度的1/4波片波片先先通通过过一一个个起起偏偏器器，再再通通过过一一个个快快（慢慢）轴轴与与起起偏偏器器不不成成 45度度或或0度度的的1/4波片波片？通过起偏器通过起偏器通通过过一一个个快快（慢慢）轴轴与与起起偏器成偏器成 45度的度的1/4波片波片通通过过一一快快（慢慢）轴轴与与起起偏偏器器不成不成 45度或度或0度的度的1/4波片波片通过一个通过一个1

7、/4波片波片先先通通过过一一个个1/4波波片片变变为为线线偏偏光光，再再通通过过一一快快（慢慢）轴轴与与起起偏偏器器不不成成 45度度或或0度的度的1/4波片波片通通过过一一快快（慢慢）轴轴与与椭椭圆圆的的长（短）轴一致的长（短）轴一致的1/4波片波片先先通通过过一一个个1/4波波片片变变为为线线偏偏光光，再再通通过过一一快快（慢慢）轴轴与与线线偏光成偏光成 45度的度的1/4波片波片并考虑能量的变化并考虑能量的变化本讲稿第十二页，共四十二页三、偏振光的检验三、偏振光的检验用实验手段区分下列几种光：用实验手段区分下列几种光：（1）自然光（）自然光（2）部分偏振光（）部分偏振光（3）线偏振光（）

8、线偏振光（4）椭圆偏振光（椭圆偏振光（5）圆偏振光）圆偏振光旋转偏振片旋转偏振片观察光强如何变化观察光强如何变化1、存在消光、存在消光若：若：线偏振光线偏振光2、光强不变、光强不变自然光或圆偏振光自然光或圆偏振光3、光强变化，无消光、光强变化，无消光部分或椭圆偏振光部分或椭圆偏振光本讲稿第十三页，共四十二页自然光自然光圆偏振光圆偏振光加四分之一加四分之一波片波片圆偏振光成圆偏振光成为线偏振光为线偏振光加偏振片加偏振片具有完全消光位置具有完全消光位置偏振片偏振片光强不变光强不变加加1/4波片波片光强如何变化光强如何变化本讲稿第十四页，共四十二页椭圆偏振光椭圆偏振光部分偏振光部分偏振光加四分之加四

9、分之一波片一波片椭圆偏振光成椭圆偏振光成为线偏振光为线偏振光加偏振片加偏振片具有完全具有完全消光位置消光位置偏振片偏振片强弱变化强弱变化加加1/4波片波片光强如何变化光强如何变化本讲稿第十五页，共四十二页1、在在插插入入波波片片之之前前，转转动动偏偏振振片片，当当透透光光强强度度最最大大时时，偏偏振振片片的的透透振振方方向向就就是是椭椭圆圆的的长长轴轴方方向向，插插入入波波片片，并并使使波波片片的光轴沿椭圆的长轴方向；的光轴沿椭圆的长轴方向；2、椭椭圆圆偏偏振振光光经经过过1/4波波片片，沿沿x和和y方方向两振动之间产生相位差向两振动之间产生相位差若原来相位差为若原来相位差为/2，则，则成为成

10、为1、3象限振动的线偏振光；象限振动的线偏振光；若原来相位差为若原来相位差为-/2，则，则成为成为2、4象限振动的线偏振光；象限振动的线偏振光；因此，转动偏因此，转动偏振片判断消光时，振片判断消光时，偏振片的透振方偏振片的透振方向在何象限就能向在何象限就能确定椭圆偏振光确定椭圆偏振光的旋转方向。的旋转方向。本讲稿第十六页，共四十二页第八节第八节 偏振光的干涉偏振光的干涉偏振光的干涉现象偏振光的干涉现象(Interference with crystal plates)本讲稿第十七页，共四十二页奇妙的干涉色奇妙的干涉色自自然然白白光光入入射射，在在两两个个线线偏偏振振器器之之间间夹夹一一块块用用

11、不不同同厚厚度度的的双双折折射射晶晶体体拼拼制制的的花花朵和叶片。朵和叶片。本讲稿第十八页，共四十二页当两偏振器的透振方向正交时，出射光呈现美丽的红花绿当两偏振器的透振方向正交时，出射光呈现美丽的红花绿叶，这就是偏振光的干涉现象。叶，这就是偏振光的干涉现象。如果转动偏振器，使两偏振器的透射方向平行，却如果转动偏振器，使两偏振器的透射方向平行，却变成绿花红叶的互补图案。变成绿花红叶的互补图案。本讲稿第十九页，共四十二页第八节第八节 偏振光的干涉偏振光的干涉椭圆偏振光椭圆偏振光线偏振光线偏振光偏振光的干涉现象偏振光的干涉现象平行偏振光的干涉（平行偏振光的干涉（for plane wave）本讲稿第

12、二十页，共四十二页两两个个共共轴轴的的偏偏振振片片P1和和P2之之间间插插入入一一块块厚厚度度为为d的的波波晶晶片片，三三个个元元件件彼彼此此平平行行。直直接接用用眼眼睛睛或或屏幕观察其强度随各元件取向的变化。屏幕观察其强度随各元件取向的变化。注意注意、都取小于都取小于/2的正角的正角一、偏振光干涉的实验装置一、偏振光干涉的实验装置本讲稿第二十一页，共四十二页1、振幅、振幅选选取取坐坐标标系系：一一般般总总是是取取光光轴轴方方向向为为 y 轴轴，光光线线方方向向为为z轴轴，垂垂直直于于光光轴轴方方向向取取 x 轴轴。如如图图所所示的坐标系。示的坐标系。平平面面图图(分分析析图图)：将将两两个个

13、透透振振方方向向和和光光轴轴在在幕幕上上投投影，并考虑坐标。影，并考虑坐标。二、平面偏振光干涉的强度分布二、平面偏振光干涉的强度分布本讲稿第二十二页，共四十二页本讲稿第二十三页，共四十二页、位相差、位相差考虑到考虑到P1、P2、光轴光轴(y轴轴)之间可以有各种取向，位之间可以有各种取向，位相差相差 应由二个因素决定：应由二个因素决定：(1)由波晶片引起的位相差由波晶片引起的位相差本讲稿第二十四页，共四十二页图图a所所示示情情况况：P1和和P2的的透透振振方方向向在在同同一一象象限限时时，投投影影到到P2透透振振方方向向的的两两光光矢矢量量方方向向相相同同。这这时时，不不需需要要引入附加的位相差

14、。引入附加的位相差。图图b所所示示情情况况：P1和和P2的的透透振振方方向向在在不不同同象象限限，投投影影到到P2透透振振方方向向的的两两光光矢矢量量方方向向相相反反，表表明明相相应应振振动动方向存在数值为方向存在数值为 的附加位相差的附加位相差。(2)投影引入的位相差投影引入的位相差 本讲稿第二十五页，共四十二页 因此最后出射的两束光的总的位相差因此最后出射的两束光的总的位相差（这里象限的划分已被波晶片确定）（这里象限的划分已被波晶片确定）3、合光强、合光强本讲稿第二十六页，共四十二页 合光强合光强只只与与干干涉涉装装置置的参数有关的参数有关形成干涉背景形成干涉背景与与波波片片的的光光程程有

15、关有关形成干涉项形成干涉项是由马吕斯定律决定的背景光是由马吕斯定律决定的背景光本讲稿第二十七页，共四十二页4、讨论、讨论1 1）平行）平行(Parallel)偏振器系统：偏振器系统：起偏器起偏器P1和检偏器和检偏器P2的透光轴相互平行，的透光轴相互平行，即：即：=若再令若再令=45，便有，便有当波长一定，若波晶片厚度当波长一定，若波晶片厚度d 均匀，则无干涉条纹；均匀，则无干涉条纹；若波晶片厚度若波晶片厚度d 不均匀，则有干涉条纹。不均匀，则有干涉条纹。本讲稿第二十八页，共四十二页2）正交）正交(Orthogonal)偏振器系统：偏振器系统：起偏器起偏器P1和检偏器和检偏器P2的透光轴相互垂直

16、，的透光轴相互垂直，即：即：+=/2（注意（注意 、均为锐角均为锐角）这表示两束光在这表示两束光在P2的透光轴方向上的振幅相等，因此叠的透光轴方向上的振幅相等，因此叠加后的总强度为加后的总强度为又有又有得到得到本讲稿第二十九页，共四十二页若再令若再令=45，便有，便有正交偏振器系统：正交偏振器系统：平行偏振器系统：平行偏振器系统：若若=45 时，时，由此可分析强度与由此可分析强度与 和和 的关系。的关系。平行偏振器系统干涉条纹与垂直偏振器系统干涉条平行偏振器系统干涉条纹与垂直偏振器系统干涉条纹互补。纹互补。2011-12-9本讲稿第三十页，共四十二页当光源采用包含各种成份的白光时，光强应当光源

17、采用包含各种成份的白光时，光强应是各种单色光干涉强度的非相干叠加。是各种单色光干涉强度的非相干叠加。分析分析1 1、白光干涉出现干涉色，干涉色与双折射率、晶片的、白光干涉出现干涉色，干涉色与双折射率、晶片的厚度有关；厚度有关；2 2、平行偏振器干涉场与垂直偏振器干涉场互补。、平行偏振器干涉场与垂直偏振器干涉场互补。3）白光）白光(Achromatic light)干涉干涉(Interference)本讲稿第三十一页，共四十二页4）应用：检查材料有无双折射）应用：检查材料有无双折射本讲稿第三十二页，共四十二页本讲稿第三十三页，共四十二页本讲稿第三十四页，共四十二页例题例题1在在两两个个正正交交尼

18、尼科科耳耳棱棱镜镜N1和和N2之之间间垂垂直直插插入入一一块块波波片片，发发现现N2后后面面有有光光射射出出。但但当当N2绕绕入入射射光光向向顺顺时时针针转转过过20 后后，N2的的视视场场全全暗暗。此此时时，把把波波片片也也绕绕入入射射光光顺顺时时针针转转过过20，N2的的视视场场又又亮亮了了。问问(1)这这是是什什么么性性质质的的波波片片；(2)N2要转过多大角度才能使要转过多大角度才能使N2的视场又变为全暗。的视场又变为全暗。本讲稿第三十五页，共四十二页解解：当当N2的的视视场场全全暗暗时时，入入射射到到N2的的是是光光矢矢量量垂垂直直于于N2的的透透振振方方向向的的线线偏偏振振光光，这

19、这就就要要求求N1出出射射的的线线偏偏振振光光经经波波片片后后仍仍为为线线偏偏振振光光，说说明明波波片片为为1/2波片。波片。1、波片性质；、波片性质；2、波片光轴与、波片光轴与N1的透振方向的夹角；的透振方向的夹角；3、N2转过多大角度才能使转过多大角度才能使 N2的视场又变为全暗。的视场又变为全暗。本讲稿第三十六页，共四十二页如如图图，初初始始时时两两个个尼尼科科耳耳棱棱镜镜正正交交，N2顺顺时时针针转转过过20o后后，其其透透振振方方向向与与入入射射到到N2的的线线偏偏振振光光的的光光矢矢量量垂垂直直，因因此此波波片片光光轴轴与与N1的的透透振振方方向向的的夹夹角为角为当当波波片片也也顺

20、顺时时针针转转过过20o后后，这这时时N2的的透透振振方方向向与与入入射射到到N2的的线线偏偏振振光光的的光光矢矢量量的的夹夹角角为为50o，N2转转过过40o角角度度才才能能使使 N2的视场又变为全暗。的视场又变为全暗。本讲稿第三十七页，共四十二页解解：当当N2的的视视场场全全暗暗时时，入入射射到到N2的的是是光光矢矢量量垂垂直直于于N2的的透透振振方方向向的的线线偏偏振振光光，这这就就要要求求N1出出射射的的线线偏偏振振光光经经波波片片后后仍仍为为线线偏偏振振光光，说说明明波波片片为为1/2波片。波片。两个尼科耳棱镜两个尼科耳棱镜不是正交的情况。不是正交的情况。本讲稿第三十八页，共四十二页

21、例例题题2 两两尼尼科科耳耳棱棱镜镜的的主主截截面面夹夹角角为为600，中中间间插插入入一一块块方方解解石石的的1/4波波片片，其其主主截截面面平平分分上上述述夹夹角角。光光强强为为I0的的自自然然光光入入射射，求求通通过过第第二二尼尼科科耳耳棱棱镜的光强。镜的光强。分析：分析：波晶片本讲稿第三十九页，共四十二页解：解：(1)自然光经第一个尼科耳棱镜后成为线偏振光，自然光经第一个尼科耳棱镜后成为线偏振光，光强为光强为本讲稿第四十页，共四十二页(2)该线偏振光该线偏振光 A1 经波片分成相应的经波片分成相应的o光和光和e光，光，其振幅分别为其振幅分别为(3)相应的相应的o光和光和e光经第二个尼科耳棱镜后，振光经第二个尼科耳棱镜后，振幅分别为幅分别为(4)第二个尼科耳棱镜透出的两束光满足相干条件，第二个尼科耳棱镜透出的两束光满足相干条件，其位相差为其位相差为本讲稿第四十一页，共四十二页则合强度为则合强度为本讲稿第四十二页，共四十二页