高等光学偏振光学课件

高等光学高等光学研究生课程研究生课程高等光学研究生课程u光的偏振态及其表示方法光的偏振态及其表示方法u光在介质分界面上的反射和折射光在介质分界面上的反射和折射第二章第二章 偏振光学偏振光学内容提要内容提要光的偏振态及其表示方法第二章 偏振光学内容提要u光的偏振态及其表示方法光的偏振态及其表示方法 偏振光概述及分类偏振光概述及分类 完全偏振光的表示方法（椭圆、邦加球、斯托克完全偏振光的表示方法（椭圆、邦加球、斯托克斯参量）斯参量）相位波片相位波片 旋光现象旋光现象第二章第二章 偏振光学偏振光学光的偏振态及其表示方法第二章 偏振光学光学现象光学现象什么是偏振？什么是偏振？光学现象什么是偏振？什么是偏振？什么是偏振？电磁波是横波电磁波是横波光的振光的振动方向垂直于方向垂直于传播方向播方向偏振光定义基于光波的电场分量，将光矢量在振动方向上的状态，称偏振光定义基于光波的电场分量，将光矢量在振动方向上的状态，称为光的偏振为光的偏振光矢量光矢量振动面振动面v0HE什么是偏振？电磁波是横波光的振动方向垂直于传播方向偏振光什么是偏振？什么是偏振？什么是偏振？（1）界面的反射和折射特性随偏振状态而改变）界面的反射和折射特性随偏振状态而改变（2）介质吸收特性可能随偏振态而变化）介质吸收特性可能随偏振态而变化（3）物质散射偏振敏感）物质散射偏振敏感（4）各项异性介质中光的传播特性，包括传播速度和相移，均偏振）各项异性介质中光的传播特性，包括传播速度和相移，均偏振相关相关（5）某些材料具有旋光特性）某些材料具有旋光特性偏振有关的特性偏振有关的特性（1）界面的反射和折射特性随偏振状态而改变偏振有关的特性（1）光的频率非常高，）光的频率非常高，f=1014HZ（100THZ）；相对地，人耳听到的声）；相对地，人耳听到的声波频率为波频率为20HZ20kHZ，普通电磁波频率一般低于，普通电磁波频率一般低于107HZ。光频远大于。光频远大于电子的固有频率而无法用电子仪器直接观察电子的固有频率而无法用电子仪器直接观察（2）机械波由机械振动产生，普通电磁波由电磁震荡产生，可通过参）机械波由机械振动产生，普通电磁波由电磁震荡产生，可通过参数控制；而发光是原子或离子在不同能级之间跃迁的结果数控制；而发光是原子或离子在不同能级之间跃迁的结果光的基本特征光的基本特征（1）光的频率非常高，f=1014HZ（100THZ）；相1.自然光自然光偏振光的分类偏振光的分类2.线偏振光偏振光4.4.圆偏振光圆偏振光5.5.椭圆偏振光椭圆偏振光3.3.部分偏振光部分偏振光1.自然光偏振光的分类2.线偏振光4.圆偏振光5.椭大大量量原原子子自自发发辐辐射射跃跃迁迁，光光波波在在传传播播方方向向、振振动动方方向向、位位相相和和频频率率随随机机，即即不不同同原子同一时刻发出的光波没有关联，而同一原子在不同时刻光波无任何关联。原子同一时刻发出的光波没有关联，而同一原子在不同时刻光波无任何关联。光矢量光矢量E E在在各个方向上的几率相等、相位差随机，这样的光称为自然光。在在各个方向上的几率相等、相位差随机，这样的光称为自然光。1.自然光自然光自然光自然光大量原子自发辐射跃迁，光波在传播方向、振动方向、位相和频率随2.线偏振光（平面偏振光、偏振光）偏振光（平面偏振光、偏振光）在垂直光波传播方向的某一固定方向上在垂直光波传播方向的某一固定方向上振动的光波振动的光波光振动平行板面光振动平行板面光振动垂直板面光振动垂直板面完全偏振光完全偏振光线偏光线偏光2.线偏振光（平面偏振光、偏振光）在垂直光波传播方向的某一一一束束自自然然光光可可分分解解为两两束束振振动方方向向相相互互垂垂直直的的、等等幅幅的的、不不相相干干的的线偏振光。偏振光。沿沿x-y坐坐标光光强分量分量xyOEExEy一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线起偏器起偏器：使非线偏振光变成线偏振光：使非线偏振光变成线偏振光检偏器检偏器：检查入射光的偏振性：检查入射光的偏振性偏偏振振化化方方向向自然光自然光偏振片偏振片线偏振光线偏振光起偏和检偏起偏和检偏（1）用二向色性晶体（电气石晶体、）用二向色性晶体（电气石晶体、硫酸碘奎宁晶体）硫酸碘奎宁晶体）（2）导电线栅）导电线栅-拉直的细电导体拉直的细电导体(金属、金属、碘原子碘原子)-平行电场分量吸收，垂直分量平行电场分量吸收，垂直分量透过透过起偏器：使非线偏振光变成线偏振光检偏器：检查入射光的偏振性偏.起偏器起偏器检偏器偏器自然光自然光线偏振光偏振光偏振光通过旋转的检偏器偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化光强发生变化.起偏器检偏器自然光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器.起偏器起偏器检偏器偏器自然光自然光线偏振光偏振光偏振光通过旋转的检偏器偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化光强发生变化.起偏器检偏器自然光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器.起偏器起偏器检偏器偏器自然光自然光线偏振光偏振光线偏振光的消光比线偏振光的消光比偏振光通过旋转的检偏器偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化光强发生变化.起偏器检偏器自然光线偏振光线偏振光的消光比偏振光通3.3.圆偏振光圆偏振光电电矢矢量量绕绕着着传传输输方方向向匀匀速速旋旋转转，且且电电矢矢量量大大小小保保持持不不变变，矢矢量量端端点点的的轨轨迹迹为圆为圆4.4.椭圆偏振光椭圆偏振光电电矢矢量量绕绕着着传传输输方方向向匀匀速速旋旋转转，矢矢量量端端点点的轨迹为椭圆的轨迹为椭圆完全偏振光完全偏振光圆圆/椭圆偏光椭圆偏光3.圆偏振光电矢量绕着传输方向匀速旋转，且电矢量大小保持不5.5.部分偏振光部分偏振光分解分解为两束振两束振动方向相互垂直的、不等幅的方向相互垂直的、不等幅的线偏振光。偏振光。电矢量振幅在不同方向上有不同大小，称部分偏振光，它矢量振幅在不同方向上有不同大小，称部分偏振光，它介于介于自然光与自然光与线偏振光之偏振光之间部分偏振光的偏振度部分偏振光的偏振度偏振光的分类偏振光的分类部分偏振光部分偏振光5.部分偏振光分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的线偏振偏振光的分类表述偏振光的分类表述A:振幅，振幅，k:波矢量，波矢量，:角频率，角频率，0:初始相位初始相位波数波数实部（实际电场）实部（实际电场）偏振光的分类表述A:振幅，k:波矢量，:角频率，0:初始光的电场表示（光的电场表示（x-y垂直方向两个分量，沿垂直方向两个分量，沿z方向方向传输）传输）（恒定相位差（恒定相位差 (,）xy0EExEy椭圆函数椭圆函数描述光的偏振态的参数描述光的偏振态的参数Circular Polarization Demo：光的电场表示（x-y垂直方向两个分量，沿z方向传输）（恒定相总光强恒定总光强恒定椭圆函数可等效为椭圆函数可等效为总光强恒定椭圆函数可等效为线偏光线偏光线偏光右旋光右旋光左旋光左旋光圆偏光圆偏光Linear,Circular and Elliptical Polarization Animation:右旋光左旋光圆偏光Linear,Circular and 振幅相等振幅相等r=Ay/Ax=1，相位差，相位差 对应的光的偏振态对应的光的偏振态振幅相等r=Ay/Ax=1，相位差对应的光的偏振态振幅不等振幅不等r=Ay/Ax=2，相位差，相位差 对应的光的偏振态对应的光的偏振态(r,(r,)振幅不等r=Ay/Ax=2，相位差对应的光的偏振态(r,主轴方向：方位角主轴方向：方位角椭圆度：椭圆形状椭圆度：椭圆形状椭圆度正负号椭圆度正负号“”表示旋光方表示旋光方向，如上所述向，如上所述偏振椭圆表示法偏振椭圆表示法偏振椭圆表示法偏振椭圆表示法 (,)光的偏振态的表示方法光的偏振态的表示方法(r,(r,)主轴方向：方位角椭圆度：椭圆形状椭圆度正负号“”表示旋光线偏光和圆偏光的电场空间分布示意图线偏光和圆偏光的电场空间分布示意图线偏光和圆偏光的电场空间分布示意图庞加莱球庞加莱球（Poincar，邦加球）：光的偏振，邦加球）：光的偏振态的几何表示态的几何表示光的偏振态的表示方法光的偏振态的表示方法庞加莱球（Poincar，邦加球）：光的偏振态的几何表示庞加莱球庞加莱球庞加莱球庞加莱球 （PoincarPoincar，邦加球），邦加球），邦加球），邦加球）（1）球坐标）球坐标(S1,S2,S3)与光的偏振态一一相对与光的偏振态一一相对应应（2）线偏光：赤道）线偏光：赤道(S1,90o,S3)如如 x偏振：偏振：(1,/2,0)y偏振：偏振：(1,/2,)（3）右旋圆偏光：北极）右旋圆偏光：北极(1,0,S0)左旋圆偏光：南极左旋圆偏光：南极(1,0,S0)（4）右旋光：北半球）右旋光：北半球(,S3 0)左旋光：南半球左旋光：南半球(,S3 0)光的偏振态的表示方法光的偏振态的表示方法庞加莱球（Poincar，邦加球）（1）球坐标(S1,S线偏光和圆偏光在邦加球的标定线偏光和圆偏光在邦加球的标定光的偏振态的表示方法光的偏振态的表示方法线偏光和圆偏光在邦加球的标定光的偏振态的表示方法斯托克斯参量斯托克斯参量斯托克斯参量斯托克斯参量特点：特点：（1）只有三个独立项）只有三个独立项（2）完整描述光强和光的偏振，包括完全偏振光、自然光及部分偏振）完整描述光强和光的偏振，包括完全偏振光、自然光及部分偏振光光如上所述，邦加球如上所述，邦加球(R,)只表示了光的偏振态，但并不表示光的强度，而斯托克只表示了光的偏振态，但并不表示光的强度，而斯托克斯参量既表示光的偏振，又表示光强斯参量既表示光的偏振，又表示光强(S1,S2,S3):邦加球上的直角坐标点光的偏振态的表示方法光的偏振态的表示方法斯托克斯参量特点：如上所述，邦加球(R,)只表示了光的相位波片（相位延迟片）相位波片（相位延迟片）相位波片（相位延迟片）波片制造波片制造时通常通常标出快（或慢）出快（或慢）轴，晶体中波速快的光矢量的方向，晶体中波速快的光矢量的方向为快快轴，与，与之垂直的光矢量方向即之垂直的光矢量方向即为慢慢轴负单轴晶体晶体时，e光比光比o光速度快，快光速度快，快轴在在e光矢量方向即光光矢量方向即光轴方向，方向，o光光矢量光光矢量方向方向为慢慢轴，正晶体正好相反，正晶体正好相反波片波片产生的生的相位差相位差是是慢慢轴方向光矢方向光矢量相量相对于快于快轴方向光矢量的相位延方向光矢量的相位延迟量量相位波片相位波片波片制造时通常标出快（或慢）轴，晶体中波速快的光矢量的方向为玻片厚玻片厚度度1、全波片全波片相位延相位延迟特点：特点：产生生2 整数整数倍的相位延倍的相位延迟；不改；不改变入射光的偏振入射光的偏振态特点：增加特点：增加 的的相位延相位延迟（1）使）使线偏振光的偏振方向旋偏振光的偏振方向旋转一定角度一定角度（2）使）使圆偏振光的旋偏振光的旋转方向方向发生逆生逆转（3）使）使椭圆偏振光旋偏振光旋转方向逆方向逆转,同同时长轴转过一定角度一定角度2、半波片半波片相位波片相位波片玻片厚度1、全波片相位延迟特点：产生2整数倍的相位延迟；半波片半波片半波片特点：增加特点：增加/2的的相位延相位延迟（1）可使）可使线偏振光偏振光变成成圆或或椭圆偏振光偏振光（2）使）使圆或或椭圆偏振光偏振光变成成线偏振光偏振光3、1/4波片波片相位波片相位波片特点：增加/2的相位延迟3、1/4波片相位波片4、波片的几个特点、波片的几个特点（1）相位延）相位延迟量的大小与波量的大小与波长相关相关（2）可改）可改变入射光的偏振入射光的偏振态；自然光；自然光经波片后仍是自波片后仍是自然光然光（3）为了达到改了达到改变偏振偏振态的目的，可使波片的快（慢）的目的，可使波片的快（慢）轴与入射光矢量有一定与入射光矢量有一定夹角，以便在两个互相垂直的光角，以便在两个互相垂直的光矢量矢量间引入一定的位相延引入一定的位相延迟相位波片相位波片4、波片的几个特点（1）相位延迟量的大小与波长相关相位波片*旋光现象旋光现象旋光现象旋光现象线线偏偏振振光光通通过过某某些些透透明明物物质质时时，线线偏偏振振光光的的振振动动面面将将旋旋转转一一定定的的角角度度，这种现象称为这种现象称为振动面的旋转振动面的旋转，也称，也称旋光现象旋光现象。.未放置未放置C，P2后视场黑暗后视场黑暗放置放置C后，旋转后，旋转P2一定角度，视场又变黑暗一定角度，视场又变黑暗*旋光现象线偏振光通过某些透明物质时，线偏振光的振动面将旋转1、不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面 向不同方向旋转。向不同方向旋转。右旋物质右旋物质 左旋物质左旋物质2、振动面的旋转角振动面的旋转角 与波长有关，与波长有关，波长给定则与旋光物质的厚度波长给定则与旋光物质的厚度l 有关。有关。3、偏振光通过糖溶液、松节油时，振动面的旋转角偏振光通过糖溶液、松节油时，振动面的旋转角4、磁致旋光：法拉第效应、康顿磁致旋光：法拉第效应、康顿-莫顿效应莫顿效应1、不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面右旋物质 左旋*旋光现象旋光现象旋光现象旋光现象*旋光现象汽车车灯汽车车灯偏振光的应用偏振光的应用汽车车灯偏振光的应用LCD液晶显示器液晶显示器基于偏振光的工作原理基于偏振光的工作原理LCD Light Polarization：偏振光的应用偏振光的应用LCD液晶显示器基于偏振光的工作原理LCD Light P偏振光的应用偏振光的应用3D电影电影偏振光的应用3D电影