第五章   光的偏振
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 60

第五章 光的偏振 PowerPoint PPT Presentation


  • 105 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

第五章 光的偏振. 物理科学与技术学院. 5.1 偏振光与自然光、偏振度 5.2 由反射和折射获得偏振光 布儒斯特定律 5.3 单轴晶体的双折射现象 5.4 用波面的概念解释双折射现象 5.5 偏振棱镜和偏振片 马吕斯定律 5.6 椭圆偏振光与圆偏振光 波片 5.7 偏振态的实验检验 5.8 偏振光的干涉 5.9 光弹性效应和电光效应 5.10 线偏振光沿晶体光轴传播时振动面的旋转. {. 单色光. 光. 复色光. 5.1 自然光与偏振光 偏振度.

Download Presentation

第五章 光的偏振

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


5288640

第五章 光的偏振

物理科学与技术学院


5288640

  • 5.1 偏振光与自然光、偏振度

  • 5.2 由反射和折射获得偏振光 布儒斯特定律

  • 5.3 单轴晶体的双折射现象

  • 5.4 用波面的概念解释双折射现象

  • 5.5 偏振棱镜和偏振片 马吕斯定律

  • 5.6 椭圆偏振光与圆偏振光 波片

  • 5.7 偏振态的实验检验

  • 5.8 偏振光的干涉

  • 5.9 光弹性效应和电光效应

  • 5.10 线偏振光沿晶体光轴传播时振动面的旋转


5288640

{

单色光

复色光

5.1 自然光与偏振光 偏振度

纵波—波的振动方向对传播方向具有对称性。

前言

横波—波的振动方向对传播方向没有对称性。

偏振

5.1.1光的偏振性

电矢量

光矢量

(频率)

偏振态—在垂直于光传播方向的平面内光矢量的振动状态。


5288640

偏振态的分类

自然光

完全偏振光

部分偏振光

圆偏振光

平面偏振光

(线偏振光)

椭圆偏振光

左旋

右旋

左旋

右旋

一般,用单色光讨论偏振态


5288640

·

E

y

E

Ey

x

·

·

·

·

·

Ex

5.1.2 自然光与偏振光

1. 平面偏振光(线偏振光)

面对光的传播方向看

线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解

表示法:

光振动垂直板面

光振动平行板面


5288640

非相干

自然光的分解

·

·

·

2. 自然光

没有优势方向

一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。

自然光的表示法:


5288640

自然光

相位分布关联,不显示偏振性

自然光


5288640

线偏振光

线偏振光


5288640

非相干

分解

·

·

·

·

·

·

·

·

5.1.3 部分偏振光和偏振度

平面偏振光+自然光

最常讨论的部分偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合,

天空的散射光和水面的反射光就是这种部分偏振光,它可以分解如下:

偏振度

自然光 P = 0

线偏振光P = 1

部分偏振光 0<P<1


5288640

i10

S 分量

i1'

n1

n2

i2

P 分量

即反射光中无平行分量,

成为平面偏振光。

rp=0

用i10表示

i10—布儒斯特角

5.2由反射和折射获得偏振光、布儒斯特定律

5.2.1 布儒斯特角

自然光部分偏振光

反射光的偏振态

p分量——振动方向平行于入射面

s分量——振动方向垂直于入射面


5288640

5.2.2 由折射获得偏振光

实验上很难以准确的布儒斯特角入射,使反射光成平面偏振光。

激光器谐振腔

布儒斯特窗

一般用玻璃堆,透射光成平面偏振光。


5288640

·

P

·

·

·

·

·

i1

i1'

n1

·

·

S

n2

i2

·

5.2.3 偏振现象的解释

自然光不以布儒斯特角入射:

自然光反射和折射后成为部分偏振光


5288640

解:

书P.206

例5-1

自然光以入射角i投射到水面上,使发射光成为完全偏振光。现有一块玻璃浸于水中,如光从玻璃面反射也为完全偏振光,试求水面与玻璃面之间的夹角。


5288640

自然光

i

n1

n2

re

各向异

性介质

ro

e

o

5.3 单轴晶体的双折射

5.3.1寻常光和非寻常光

1.双折射现象

自然光入射到各向异性介质中,折射光分成两束的现象。

2.寻常(o)光和非寻常(e)光

{

遵从折射定律

o

o光折射线在入射面内。

{

一般不遵从折射定律

e

e光折射线也不一定在入射面内。


5288640

e

·

·

·

·

·

·

o

偏振片

方解石

演示

e

o

方解石

以入射方向为轴旋转方解石

双折射的两束光振动方向相互垂直


5288640

折射现

折射现

双折射会映射出双像:

方解石晶体


5288640

e光的像

纸面

纸面

纸面

纸面

纸面

o 光的像

方解石晶体

{

o光的像不动

当方解石晶体旋转时

e光的像围绕 o光的像旋转


5288640

78°

A

102°

B

光轴

5.3.2 光轴

定义

特定的方向,晶体中光沿这个方向传播时,不发生双折射现象。

方解石晶体(冰洲石):

由钝隅引出的与三个棱边成等

角的方向就是光轴。

沿光轴方向传播n()=no

{

n()为e光的折射率

沿垂直于光轴方向传播n()=ne


5288640

78°

A

102°

B

光轴

{

单轴晶体:方解石、石英

双轴晶体:云毋、硫磺、黄玉

5.3.3 主截面

主截面

晶体光轴与晶体表面法线构成的平面叫主截面

法线

经过每一点有三个主截面

注意与课本定义的差别

P.207

光轴


5288640

主平面

由光轴和光线构成的平面叫主平面

o光主平面

e光主平面

o 光主

平面

e光主

平面

·

·

·

·

e 光

o 光

光轴

光轴

o光的振动方向垂直于o光的主平面

e光的振动方向平行于e光的主平面

一般,o光与e光的振动方向不垂直。


5288640

·

·

I

方解石

·

·

·

o

e

·

特例:

如果光轴在入射面内两主平面重合

o光与e光的振动方向相互垂直。

注:若两截面夹角很小,常常将o光与e光的振动方向

看作近似垂直。

5.3.4 o光与e光的相对光强

考虑垂直入射的特殊情况(光轴在入射面内)

主截面

a.自然光入射

光轴


5288640

Ao

θ

Ae

b.线偏振光入射

以入射光为轴旋转晶体,主截面随之转动 θ改变

θ=0 ,I0=0, Ie=I

θ=90,I0=I ,Ie=0


5288640

n 随着振动方向变化

z

光速发生变化

z

x

x

5.4用波面的概念解释双折射现象

o光在晶体中的波面是球面。

e光在晶体中的波面是旋转椭球面。

在晶体中不同方向数值不同

光轴

单轴晶体,以光轴(z轴)旋转对称(如图)

光振动方向垂直z轴

光振动方向沿z轴

~

介于

之间

光振动方向沿其它方向,


5288640

主平面----由光线和光轴构成的平面

o 光----振动方向垂直于主截面

不管往任何方向传播,光振动方向垂直于光轴。

波阵面为球面——

o光沿任何方向传播速度相同。

e光----振动方向平行于主截面

传播方向沿z

振动方向垂直于z ,

传播方向沿 z

振动方向平行于 z ,

波阵面为旋转椭球面——

e光沿不同方向传播速度不相同。


5288640

·

·

·

·

·

·

·

cΔt

·

·

·

·

·

光轴

{

ve<vo

石英

正晶体

ve>vo

方解石

负晶体

5.4.2 o光和e光的传播方向

a.光轴在入射面内

B

i

D

A

voΔt

veΔt

re

r0

o

e


5288640

·

·

·

·

·

·

·

·

晶体

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

o

o

e

e

b.光轴垂直于晶体表面,正入射

光轴

分不开

不发生

双折射

相同传播速度

c. 光轴平行于晶体表面,正入射

发生双折射

光轴

分不开

不同传播速度


5288640

光轴

e

o

o

o

e

e

d.光轴垂直入射面,正入射

·

·

·

·

发生双折射

光轴

同c

e.光轴垂直入射面, 斜入射


5288640

5.5 偏振棱镜 波片

5.5.1 偏振棱镜

1. 尼科耳棱镜

no=1.658

ne=1.486

nb=1.550

e

加拿大树胶

2. 渥拉斯顿棱镜

e

e

o

o

• •

• •


5288640

e

o

例:

方解石(负晶体)

(1)

e

no=1.658

ne=1.486

o

• •

• •

(2)

no=1.658

ne=1.486

nglass=1.5

玻璃

• •

• •

方解石


5288640

5.5.2 偏振片

利用二向色性获得偏振光

二向色性指有些晶体对振动方向不同的电矢量具有选择吸收的性质

栅丝偏振器

二向色性晶体 (方解石)

光轴

垂直分量(吸收)

水平分量

电气石


5288640

P2

P1

A1

·

·

·

自然光I0

线偏振光I

A 2= A1cos

P2

5.5.3 马吕斯定律

透振方向

——马吕斯定律(1809)

——消光


5288640

例5-2 假定在两个静止的、理想的、正交的起偏器之间有另一个理想的起偏器以角速度w旋转,试证透射光的强度满足下列关系式:

★例5-3设一水晶棱镜的顶角A为60度,光轴与棱镜主截面垂直,钠光以最小偏向角的方向在棱镜中折射,用焦距为0.5m的透镜聚焦,no=1.54425,ne=1.5536,试求o光和e光两谱线的间隔为多少?


5288640

5.6 椭圆偏振光与圆偏振光

5.6.1 圆偏振光和椭圆偏振光的描述

a.定义

{

圆偏振光——电矢量大小不变,末端在波面内描绘出一个圆。

椭圆偏振——电矢量大小改变,末端在波面内描绘出一个椭圆。

{

顺时针——右旋

迎着光线方向看

逆时针——左旋

b.描述

椭圆偏振光可通过两列频率相同,振动方向相互垂直,沿同一方向传播的线偏振光叠加得到。


5288640

圆偏振光可通过两频率相同,振动方向相互垂直,且振幅相同, 位相差(2k+1)/2, 沿同一方向传播的线偏振光叠加得到。

振幅

 =0,

线偏振光

{

讨论

AxAy 椭圆偏振光

 = /2

Ax=Ay圆偏振光

斜向椭圆偏振光

 =其他值


5288640

椭圆偏振光

其中

变化


5288640

圆偏振光

右旋圆偏振光

左旋圆偏振光


5288640

5.6.2 波(晶)片

波片——光轴平行于表面的单轴晶体,其o光和e光

沿同一方向传播。(发生双折射)

主截面

nod——o光在波片中的光程

d—波片厚度为

ned——e光在波片中的光程

光程差:

 =(no- ne)d

相位差:

¼波片

½波片(半波片)


5288640

o ray

e ray

Ae

Ao'

2

A

Ao

a.自然光入射:

在任意两个垂直方向的分量无固定位相差

 o 光和e 光无固定位相差

 出射光为自然光

b.平面偏振光入射:

o光、 e光光强比:sin2/cos2

相位差:

光轴

对于半波片:

与光轴夹角为的线偏振光经过半波片后,出射光振动方向偏转2 。


5288640

y

光轴

P

波片

A

Ae

x

Ae

A

Ao

椭圆偏振光

Ao

线偏振光

光轴

d

d

5.6.3 圆偏振光和椭圆偏振光的产生

a. 线偏振光通过波片

通过厚为d的晶片,o、e光产生相位差:

一般情形--从晶片出射的两束光合成为一束椭圆偏振光。


5288640

特例----当

则出射光为圆偏振光。

b. 线偏振光通过1/4波片

波片厚度满足

圆偏振光

线偏振光

椭圆偏振光(正椭圆)


5288640

·

·

·

P

c.自然光改造成椭圆或圆偏振光

自然光入射:

无固定相位差-----自然光

自然光须先经过一起偏器,再经过四分之一波片才可获得椭圆或圆偏振光。

自然光I0

一般为椭圆

偏振光

光轴

当 =45°

¼波片

圆偏振光


5288640

例:

计算波片厚度 (i) 1/4波片 (ii) 1/2波片,已知:

例5-4 一束圆偏振光,(1)垂直入射到1/4波片上,求透射光的

偏振态;(2)垂直入射到1/6波片上,求透射光的偏振态;

例5-5 一单色自然光通过尼科尔棱镜N1,N2和晶片C,其次序

如图示, N1的主截面水平,C对应于这波长的1/4波片,其主截面与竖直方向成30度,试问:

(1)在N1和C之间,C和N2之间,以及从N2透射出来的光各是什么性质的光?

(2)若入射光的强度为I0,则上述各部分的光的强度各是多少?

注:此例最好放到偏振光干涉之后讲


5288640

·

·

·

·

·

·

·

·

5.7 偏振态的实验检验

5.7.1 补偿器

巴比涅补偿器

索累尔补偿器


5288640

5.7.2 偏振态的检验

入射光

转动偏振片

I不变, 无消光

I变, 有消光

I变, 无消光

圆偏振光

或自然光

线偏振光

椭圆偏振光或

部分偏振光


5288640

圆偏振光

或自然光

第二种情况:

初始光束

入射到1/4波片上

线偏振光

非偏振光

转动偏振片

I变, 有消光

I不变

圆偏振光

自然光


5288640

椭圆偏振光或

部分偏振光

第三种情况:

初始光束

入射到1/4波片,光轴平行于

最大光强或最小光强方向放置

部分偏振光

线偏振光

转动偏振片

I变, 有消光

I变, 无消光

部分偏振光

(线偏振光 +自然光)

椭圆偏振光


5288640

思考

▲ 如何区分由自然光和椭圆偏振光组成的

部分偏振光与由自然光和线偏振光组成

的部分偏振光?

▲ 如何区分由自然光和圆偏振光组成的部分

偏振光与自然光?


5288640

5.8 偏振光的干涉

偏振片P1

波片C

偏振片P2

相干

单色自然光

光轴方向

d

5.8.1 偏振光干涉装置和强度分布

透振方向

P1

C

A1

A1e

P2

A1o

A2e

在P1 后:

A2o

在P2 后:


5288640

{

——P1,P2在波片光轴的同侧

=

'

+  ——P1,P2在波片光轴的异侧

波片引入的位相差:

干涉光强:


5288640

P1,P2在波片光轴的同侧:

—相长干涉

—相消干涉

P1,P2在波片光轴的异侧:

—相长干涉

—相消干涉

若单色光入射,且d不均匀,则屏上为等厚条纹。


5288640

特例:

(1)P1 // P2,

(2)P1  P2,

P1,P2在波片光轴的异侧


5288640

单色光入射

固定A12,

位相差:

光强I 仅与,有关

{

波片厚度均匀:

I 仅与有关

I 与、d有关

波片厚度不均匀:

5.8.2 白光入射

 与波长有关有色条纹

波片厚度均匀的情况下,某些波长的光干涉相消,P2后呈现它的互补色,称显色偏振。 观察到均匀颜色


5288640

第五章结束


  • Login