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第十九章. 光的偏振. 基本要求. 1 )从光的偏振说明光是横波,了解光有五种偏振态,以及它们的获得与检验的方法。 2 )掌握马吕斯定律,能应用它计算偏振光通过检偏器后 光强的变化。了解光在反射和折射时偏振态的变化,并能应用布儒斯特定律计算起偏角。 3 )理解光在晶体中的双折射现象,掌握确定单轴晶体中 o 光、 e 光的传播方向的惠更斯作图法。 4 )了解各种波片的意义与作用,掌握其简单的应用。. § 19-1 光波的偏振性及偏振片. E. 光矢量 振动面. 0. v. H. 纵波 — 振动方向 // 传播方向,唯一的. K 2. K 1.
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第十九章 光的偏振
基本要求 • 1)从光的偏振说明光是横波,了解光有五种偏振态,以及它们的获得与检验的方法。 • 2)掌握马吕斯定律,能应用它计算偏振光通过检偏器后 光强的变化。了解光在反射和折射时偏振态的变化,并能应用布儒斯特定律计算起偏角。 • 3)理解光在晶体中的双折射现象,掌握确定单轴晶体中o光、e光的传播方向的惠更斯作图法。 • 4)了解各种波片的意义与作用,掌握其简单的应用。
§19-1光波的偏振性及偏振片 E 光矢量 振动面 0 v H 纵波—振动方向//传播方向,唯一的 K2 K1 横波—振动方向传播方向,不唯一的 K1 K2 1.1横波与偏振: 举例:绳波 区别 结论: (1 )只有横波才具有偏振性 (2)光是横波也具有偏振性
—具有二向色性材料制成的,只允许特定振动方向—具有二向色性材料制成的,只允许特定振动方向 的光通过的光学器件. ---只允许通过某方向的振动,而对其垂直方向 则强烈吸收. 偏 振 化 方 向 偏振片 自 然 光 • • • 线 偏 振 1.2 偏振片 演示 定义: 二向色性 天然材料:少数晶体。例电气石,硫酸碘奎宁 无光出射 如墨镜,立体电影,偏振显微镜 应用:
§19-2 自然光和线偏振光; 马吕斯定律 . . . . . . 举例:阳光、白炽灯、普通光源 产生: 偏振片 偏 振 化 方 向 自 I0 然 • • • 光 偏 线 振 2.1 光的三种偏振态 1. 自然光: 光矢量具有各个方向的振动,且各方向振动几率 相等,彼此独立(各振幅相等\无固定位相关系)。 定义 : 几何表示: (由于振动平面的无规则取向,使光矢量具有环绕传播方向的对称性.) 自然光通过偏振片的光强变化 I 0 偏振片转动, 透射光强不变。
2. 线偏振光 自然光 线偏振光 I1 I2 I0 a . . . . . . . . --入射偏振光振动方向与p2透振方向的夹角 a A2 = A cos 1 ---光矢量只限于一个确定的振动方向的光. 定义: 产生:例:自然光经偏振片后的光,液晶显示的光 几何表示 -----马吕斯定律 线偏振光通过偏振片的光强变化 -----马吕斯定律
自然光 线偏振光 a I1 I2 . . 起偏器 检偏器 马吕斯定律 讨论: 1. 2. 转动偏振片P2, 可看到光强由最亮变到全暗 • P1---起偏器-- 将非偏光变成线偏光的器件 (偏振片、玻璃、尼科耳等) P2----检偏器—检验光的偏振态的器件 (偏振片、玻璃、尼科耳等) 例题:P79 19—1 19--2
偏振光通过旋转的检偏器, 光强发生变化 . 自然光 线偏振光 . . . . 起偏器 检偏器
偏振光通过旋转的检偏器, 光强发生变化 . 自然光 线偏振光 . . . . 起偏器 检偏器
偏振光通过旋转的检偏器, 光强发生变化 . 自然光 线偏振光 . . . . 起偏器 检偏器
偏振光通过旋转的检偏器, 光强发生变化 自然光 线偏振光 . . . . . 起偏器 检偏器
偏振光通过旋转的检偏器, 光强发生变化 自然光 线偏振光 . . . . . 起偏器 检偏器
偏振光通过旋转的检偏器, 光强发生变化 自然光 线偏振光 . . . . . 起偏器 检偏器
偏振光通过旋转的检偏器, 光强发生变化 自然光 线偏振光 . . . . . 起偏器 检偏器
偏振光通过旋转的检偏器, 光强发生变化 自然光 线偏振光 . . . . . 起偏器 检偏器 两偏振片的偏振化方向相互垂直 光强为零
3、部分偏振光(介于线偏和自然光之间的一种光)3、部分偏振光(介于线偏和自然光之间的一种光) --各方向振动都有且位相独立,但在某个方向的振 动占优势, 关于传播轴成非球对称分布 . . . . . . . . . . 定义: 产生:例:偏振片吸收不好,透射光为部分偏振光,折射光,反射光 几何表示: 通过偏振片的光强 入射光强:I0=IM+Im 透射光强: 转动偏振片P2, 可看到光强由最亮变到较暗(不是全暗)
作业:P99 19 —1 19 —2-(4) 19 — 5 19 — 6
4、圆偏振光(P=1) Ay Ax z Ax,Ay完全相关 —只有一个 其大小不变,方向随t转,E端点轨 迹为一个圆。(分左旋、右旋) 时间平均效果 ---同频、同幅、 二垂直线偏光合成 y A x P A I0 A// IP 定义 几何表示: 圆光的产生 检偏:
5、椭圆偏振光 —t时,一个 , 大小方向随t转, 端点轨迹为一 个椭圆。 Ay Ax z Ax,Ay完全相关 时间平均效果 I0 IP y —同频、不同幅 的互相垂直的二线偏光合成 Ay P Ay// Ax// Ax x 定义 几何表示: 椭圆光的产生 检偏: P转动时IP在Imax和Imin间变化。
§19-3 反射和折射时光的偏振 . i . . . . . . . n 1 n 2 . . r 结论: ..... S |||| P 以任意角度入射 3.1 反射和折射光的偏振性 反射光: S 分量强度较大, 折射光: P 分量强度较大。 实验和理论表明: 自然光以任意角入射时, 反射和折射光一般都为部分偏振光。 1812年布儒斯特经大量实验发现: -----------反射光的偏振化程度取决于入射角i,
3.2 布儒斯特定律1812---起偏角iB i i . 0 0 n . . iB . . . . 1 . . . . . . . . . . . n iB . . . 2 . . . . . . r . . iB . . . ----当光以某特定角 iB 入射,则反射光为振动垂直于入射面的线偏振光。 布儒斯特定律 证: 证毕 自然光 以iB入射 P分量全部折射--反射光只有S分量--线偏振光. S分量不全反射--折射光有SP分量--部分偏光. 例: (2)布儒斯特定律可测n2
起偏 3.3 玻璃片作用 检偏 . . . . iB . iB . . . . . iB iB Imin=0 Imax 检偏举例:n玻=1.5 iB=560
3.4 玻璃堆折射光起偏 • • • • • • • • • • 1.0 • 1.5 1.0 • 1.5 1.0 • 1.5 1.0 理论实验表明:反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的7.4%,而约占85%的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。 为了增加折射光的偏振化程度,可采用玻璃片堆的办法。一束自然光以起偏角56.30入射到20层平板玻璃上,如图:
例题3:已知某材料在空气中的布儒斯特角 i0 = 580, 求它的折射率?若将它放在水中(水的折射率 为 1.33),求布儒斯特角?该材料对水的相对 折射率是多少? 设该材料的折射率为 n ,空气的折射率为1 解:1 2放在水中,则对应有 所以: 该材料对水的相对折射率为1.2
(o光) (e光) (o光) §19-4 光的双折射 演示 4.1 双折射现象及规律 寻常光(o光) 1.定义: 一束光入射各向异性介质 晶体被折射为两束的现象。 非常光(e光) 遵从折射定律的光线 不遵从折射定律的光线 (e光)
. . e . . o . . 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 光 A 光 光 光 光 光 B 光 光 . e . . o . D . C . . 纸面 纸面 方解石 晶体 方解石 晶体 双 折 射 双 折 射 当i=0时,以入射光线为轴转动方解石 晶体旋转时,o光不动,e光围绕o光旋转
(e光) (o光) 2. o. e 光的异同 (1) o,e 光皆是线偏振光 (2) o,e光的偏振方向不同 (3) o光沿各方向传播的速度相同 e光沿各方向传播速度不相同 vo Ve
面 光轴 平 主 光 . e 光 . e . . 1020 平 面 主 o 光 . o 光 . . 0 78 2.主平面:折射光与光轴构成的面. 4.2 几个关于晶体的概念 单晶(方解石\石英) 1.光轴:当光线沿一方向传播时无双 折射.称该方向为晶体的光轴 双晶(云母\硫磺) 推论:光轴方向---n0=ne v0=ve 3.主截面:光轴与自然晶面法线所组成的平面*。 **特例:当入射光线在主截面内时
e 波面 光轴 光轴 v v e o * * v v e o o 波面 正晶体 负晶体 v v v v o e o e n n n n o e o e 4.3 单晶中 o, e 光的波阵面 1. O光波面: 2. e光波面: 以光轴为对称轴,与“o”波面相切的旋转椭球面 主折射率
. . . . . . . . . . e e o o 3.用惠更斯原理作图法,求“o”,”e”光方向 例1. 平面波倾斜入射方解石晶体(属特例情况) 出射两束偏振方向相互垂直的线偏光 C i D A 光轴
C A D B . . . . . . F . . 光轴 e e o 例2. 平面波垂直入射方解石晶体 E o
A C A C D B D B . . 光轴 光轴 . . . . . . . . . . e . e . o e . e . o o o 例3. 平面波垂直入射方解石晶体 ( 光轴平行于晶面) 结论:“o”,“e”光前后分开,产生一定的光程差 波片--位相延迟器
1.516 1.6584 n = n = e o ~ n = 1.4864 1.6584 e 0 68 涂上加拿大树胶n=1.55 4.4 尼科耳棱镜----利用双折射的起偏检偏器件 1.结构(方解石)
1.516 1.6584 n = n = e o ~ n = 1.4864 1.6584 e 710 680 4.4 尼科耳棱镜----利用双折射的起偏检偏器件 1.结构(方解石) 尼科耳棱镜的制作过程
尼科耳棱镜的制作过程 0 68
尼科耳棱镜的制作过程 0 68
尼科耳棱镜的制作过程 0 68
尼科耳棱镜的制作过程 0 68 涂上加拿大树胶
尼科耳棱镜的制作过程 0 68 主截面
2.尼科耳棱镜起偏原理 A M 0 22 自然光 加拿大树胶 0 90 . . . . . e . . . o 光 . φ e . 0 68 . 轴 N C . o ~ n = 1.4864 1.6584 e n = 1.55 1.516 1.6584 n = n = , , e o 加 n n o > φ 且 = 77 0 临界角 光发生全反射 > o 加 n n e > ,所以 光不发生全反射 e 加 主截面
3.尼科耳棱镜检偏原理 //p2 p1 A1 A2 p2 . . . . . . . . . . . . p1 A1 A2 p1 A1 A1 A2=0 p2 A2=0 A1 A2 尼科耳棱镜相当于一个偏振片—--透振方向//主截面
光轴 d §19-5 偏振光的干涉 5.1 波片 位相延迟器 e 1.波片:光轴平行于表面的单晶片 • • O 2.作用:位相延迟,使O,E光产生位相差 3.延迟量 光程差: 位相差: 4.波片分类 二分之一波片 四分之一波片
5.2偏振光的干涉 波片 偏振片 干涉 • • 椭圆 偏光 入射自然光 线偏光 1.装置 2.偏振光的干涉 (1)振幅 (2)位相差 由三部分组成 波片 投影 (3)双光干涉迭加
偏振片 干涉 椭圆 偏光 入射自然光 线偏光 波片 • • (2) 变,显色偏振 (3) 变,人工双折射 ---条纹 讨论: (1) d变,棱形波片
• • 1).光弹性效应 不加应力:玻璃塑料均是各向同性,对光无影响屏上暗, 加应力F: 出现条纹 条纹密处--压强P大 应用: --测压力
+ c • • c' - 2).克尔效应 某些各向同性的透明介质(如非晶体和液体),在外电场的作用下,显示出双折射现象,称为克尔效应。 不加电场: 液体无序排列,各向同性,视场是暗的 加电场E: 液体有序排列,各向异性,视场变明 应用:光电开关;液晶显示屏 **偏振片P1与 P2的透振方向相互平行 的情况分析方法一致