旋圆偏振光教学内容

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,旋圆偏振光,5.1 光的横波性及偏振态,一、偏振现象,上面一幅图是我们通常看到的照片，但是如果我们实际看到的却是下图的景象。这是因为水面的光大部分是偏振光，拍照时我们可以通过特定的装置滤去偏振光而消除水面的强烈反光，从而拍摄到水下的景象。,玻璃的反光也有同样的效果，如右图,偏振光在日常生活中普遍存在，只是因为人眼无法分辨而显得陌生,其实光滑的非金属表面在一定角度下反射形成的眩光就是偏振光 ；,蓝天在与太阳方向成90度的垂直方向散射的也是偏振光,二、偏振的定义,纵波（,longitudinal wave）：波的振动方向与传播方向一致,横波（transverse wave）：波的振动方向与传播方向垂直,区别：横波有偏振，纵波无偏振,偏振:,波,的振动方向相对于传播方向的不对称性。,区别: 横波有偏振,纵波无偏振.,电磁矢量均与光的传播方向垂直，光和物质的相互作用,主要由电矢量决定。,光矢量指电矢量,光波是横波,在与传播方向垂直的二维空间里光矢量可以有各种不同的振动状态(偏振态)。,光的五种偏振态:,1.自然光(非偏振光),2.平面偏振光(线偏振光),3.部分偏振光,4.圆偏振光,5.椭圆偏振光,1、 平面偏振光：（线偏振光）,三、偏振态,振动面,Z,有确定的振动平面,光矢量沿一固定方向振动,图示法：,数学表达式:,其中,对任意方向振动的线偏振光可分解为两束,振动方向相互垂直、同位相的线偏振光,的叠加.。,2、,自然光,：,实验：普通光源，转动偏振片，都有光，且光强一样。说明普通光源,（太阳光、灯光、烛光等）各方向都有振动。,X,Y,Z,（1）微观:,每一原子发光每次发射的是一理想单色简谐波，,各原子发光是随机的，其偏振方向、位相分布,都是无规则的、彼此无关联的。,（2）宏观:,大量原子发光，那么入射光中包含了所有方向的,横振动，迎着光看，振动方向对光的传播方向形,成轴对称分布,原因:,自然光的特点:,A、光矢量振动分布呈现时间、空间均匀性,B、自然光不是偏振光、大量原子的随机辐射掩盖了其偏振本性。,C、哪个方向也不比其他方向更优越（演示实验）所以叫自然光,。,把所有这些振动分解为两个互相垂直的分量（只要垂直，任意,方向均可）,x,x,y,自然光可看成是两振幅相同，振动方向相互垂直的,非相干,的平偏光,的迭加。,图示法：,3 、 线偏振光的获得：,由一些选择性地吸收不同方向电矢量（称为,二向色性,）的晶体做成的薄片。,它只允许特定方向（称为透振方向）的电矢量通过，可以用来,制造或检验线偏振光,(1)偏振片：,如:电气石晶体，电矢与晶体光轴,平行时，吸收小，与之垂直时，,光被强烈吸收。,另一种硫酸碘奎宁晶体，比电气,石好，但晶体小，可在拉伸后的,赛璐璐基片上蒸镀一层奎宁晶体,颗粒，基片应力使晶粒的光轴定,向排列，便可得到较大面积的偏,振片。,起偏器,检偏器,：偏振片的透振方向,：偏振片的透振方向,（2）马吕斯定律:,I,0,P,I,马吕斯定律（1809）,P表示偏振片的透振方向,自然光透过偏振片后光强减少一半！,例1：将两偏片,P,1,与,P,2,共轴放置，用强度,I,1,的自然光和,I,2,的平偏光同时垂,直入射到,P,1,上，从,P,2,透出后又射到,P,2,上。,（1）,P,1,放置不动，将,P,2,以光线方向为轴转一周，光强如何变化？,（2）欲使光强最大，如何放置,P,1,和,P,2,？,，则从,P,1,出射的光,解：设P1、P2,的偏振化方向夹角为,入射线偏振光振动方向与P1的偏振化方向夹角为,对自然光：,线偏振光：,因 和 是非相干光,即观察到的光强随,P,1的转动而周期性变化,时,时,得到最大光强，须同时满足,则,先调 / ,同时转动 , .使透射光强达到最大.,例：将一偏振片沿450角插入一对正交偏振器之间，自然光经过它们，强度,例：将一偏振片沿 角插入一对正交偏振器之间，自然光经过它们，强度,减为原来的百分之几？,P,1,P,2,P,3,I,1,I,2,线偏振光通过旋转的检偏器，,光强发生变化，有消光现象,自然光通过旋转的检偏器，光强不变。,4、部分偏振光,部分偏振光,是,自然光与,线偏振光,的混合,部分偏振光,部分偏振光的分解,部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、,不等幅的,、,不相干,的线偏振光。,表示法：,（1）偏振度,垂直方向的最小光强,沿某一方向的最大光强,当,时,自然光,当,时,平偏光,部分偏振光,(2) 部分偏振光是,自然光与线偏振光的混合,例：用偏振片观察一部偏光，当偏振片由对应光强最大的位置转过30,0,，光,光强减为原来的 ，试求其中自然光与平偏光强之比及光束的偏振度。,解：,P,1,转,(1),(2).,三、反射光的偏振,态,菲涅尔公式:,又,(,无位相关联,),1.反射光的偏振 态,讨论:,（1）当,时,有,合成一束自然光,（2）当,时,反射光是,部分偏振光,如果入射光是平偏光，则反射光仍是平偏光。,(3),布儒斯特定律,当,时,即平行分量完全不能反射，反射光为振动方向垂直入射面的线偏光。,自然光,线偏振光,部分偏振光,布儒斯特角,布儒斯特定律,2、透射光的偏振态,仍为部分偏振光，当以布氏角入射时，反射光为线偏光，,这时透射光偏振度最高。,(接近线偏振光),多次折射！,如何使透射光变为线偏光？,5.2 双折射,一、双折射,当一束光入射到各向异性介质中时（如：方解石、石英等），折射光将分为两束，各沿略不同的方向传播，称为双折射现象。,光,当方解石晶体旋转时,o,光不动，,e,光围绕,o,光旋转,双,折,射,纸面,方解石,晶体,光,双,折,射,当方解石晶体旋转时,o,光不动，,e,光围绕,o,光旋转,纸面,方解石,晶体,光,当方解石晶体旋转时,o,光不动，,e,光围绕,o,光旋转,双,折,射,纸面,方解石,晶体,光,当方解石晶体旋转时,o,光不动，,e,光围绕,o,光旋转,双,折,射,纸面,方解石,晶体,o,光（寻常光）：入射角、折射角满足折射定律，均在入射面内，入射面与折射面始终保持在同一平面。,e,光（非常光）：不满足折射定律，折射光不在入射面内，折射面与入射面有一小夹角，此角与入射角有关，也与晶体取向有关。,二、光轴和主截面,1、光轴：变更入射光方向发现存在一些特殊方向，,沿光轴方向传播，光不发生双折射（,并不限一条直线，代表方向）。,2、主截面:,光线与光轴所在平面叫这根光线的主截面。,o,光和,e,光的主截面夹角很小,当光轴位于入射面内，两主截面重合,由两主截面夹角很小，一般也认为重合。,3、,o，e,光的偏振态均为平偏光:,光轴,法线,o,光,e,光,o,光,振动方向,垂直,主截面,e,光,振动方向,平行,主截面,三、,o,光和,e,的相对强度,不论入射光是自然光或平偏光，均产生双折射现象。,1、入射光为自然光,2、入射光为线偏光,o,光,e,光,俯视,O光,e光,O,o,主截面与平面的交线,在晶体中o光和e光的强度：,相对光强：,出射晶体后，无,o，e,之分，但光强不同,：,5.3 光在晶体中的波面,1. O光在单晶中的波面,O光的波面为球面,各向同性,2. e光在单晶中的波面,各向异性,e光的波面为旋转椭球面,绕光轴旋转,如（a),如（b),负晶体：,沿光轴的方向相切,正晶体：,3.单晶体的分类,负晶体,正晶体,O光和e光的折射率,光在单轴晶体中传播时，某一时刻旋转椭球面和球面波在光轴方向相切，因而,沿光轴方向传播的光,，无论o光或e光，传播速度都相同，因而,不发生双折射,。,o,光 ：,各向一样,e光：,因在不同方向，速度不一样，折射率不一样,对e光有无数个折射率,e光的主折射率:,光沿垂直于光轴方向传播时的折射率,此时，e光遵循折射定律,5. 光在晶体中的传播方向,一利用惠更斯作图法确定光的传播方向,又,各向同性,二光在单晶中的传播方向,以负晶为例,、光轴与单晶表面有夹角,光轴在入射面内,光轴与入射光平行,光轴不在入射面内,光均不满足折律。,光均不满足折律。,上述三种情况，,e光均不满足折律。,二、光轴垂直晶表，并平行于入射面,e光不在入射面内,如（a),三、光轴平行晶表，平行入射面,四、光轴平行晶表，垂直入射面,（1）光垂直入射,（2）斜入射,如（C),如（b),5.5 偏振元件,1、汽车车灯,汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时，为了避免双方车灯的眩目，司机都关闭大灯，只开小灯，放慢车速，以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角，那么，司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，即不要熄灯，也不要减速，可以保证安全行车。,应用,一、偏振片,另外，在阳光充足的白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物的,玻璃上反射过来的耀眼的阳光，常会使眼睛睁不开。由于光是横,波，所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。,因此，只需,带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜,便可挡住部分的散射光,。,2、观看立体电影,在拍摄立体电影时，用两个摄影机，两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛，它们同时分别拍下同一物体的两个画像，放映时把两个画像同时映在银幕上。如果设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画面，就可以使观众得到立体感。为此，在放映时，两个放放像机每个放像机镜头上放一个偏振片，,两个偏振片的偏振化方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜,，左眼偏振片的偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同，这样，,银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体化的影像了,。,二、尼科耳棱镜,方解石晶体,加拿大树胶,加拿大树胶,光轴,O,光入射角大于其临界角arc sin(1.55/1.658)=69012，被全反射，,在,BC处为涂黑层所吸收。,B,C,A,D,出,射光为平行于主截面的平面偏振光（e光）,用作起偏、检偏器,第一块棱镜起偏，第二块棱镜检偏,作用：,三、沃拉斯顿棱镜,有两个光轴相互垂直的直角棱镜组成。,自然光入射，o光e光同向传播，在第二块棱镜中分开。,产生一对分开，,振动互相垂直的线偏光,出射角：,四、波晶片,波片是光轴平行表面的晶体薄片。,晶面,光轴,d,o,e,通过厚为,d,的晶片，,o,、,e,光产生光程差和相位差：,从晶片出射的是两束,传播方相同,、,振动方向相互垂直,、,频率相等,、,相位差,的线偏振光,.,(1) 四分之一波片,(2) 二分之一波片,使线偏振光振动面转过2,角度,A,e,入,=,A,e,出入,A,0入,A,0出,A,入,A,出,光轴,左，二分之一波片,线偏振光垂直入射到半波片时，透射光仍为线偏振光。假如入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为a，则透射线偏光的振动面转过2a。,右，四分之一波片，使线偏光变为圆偏光,5. 椭圆和圆偏振光,一、椭圆偏振光,1、表达式,如果有两束平偏光，其振动方向垂直，但位相相差 ，传播方向一致，,则其合成波可写为：,消去时间因子,合成后的矢量大小，方向都在改变，其末端轨迹描出一,个椭圆，称椭圆偏振光,、,2. 与椭圆形状的关系,平面偏振光,沿顺时针旋转，右旋椭圆偏振光,沿逆时针 旋转 左旋椭圆偏振光,二、圆偏振光,椭圆偏振光的特例,+ 右旋,左旋,三、椭圆偏振光和圆偏振光的获得,线偏振光通过,波片后将变为椭圆(圆)偏振光,光轴,线偏振光,椭圆(圆)偏振光,圆偏振光通过,l/2,波片后仍为圆偏振,光，但转动方向与原来的相反,5.7,偏振态的实验检定,自然光、圆偏光：光强无变化,线偏振光：存在消光角度,椭圆偏振光：光强有极大极小,部分偏振光与此现象相同,方法：,第一步：,让光通过检偏器,并让检偏器旋转一周，则,线偏振光:,两次光强最大,两次为零,部分偏振光和椭圆偏振光：,两次光强最大,两次最小,但不为零,自然光和圆偏振光：,光强始终不变,检偏器,第二步：,区别自然光与圆偏振光， 部分偏振光与椭圆,偏振光,区别自然光和圆偏振光:,检偏器,在检偏器前加一块,l/4,波片,经,l/4,波片,后圆偏振光成为线偏振光，转动检偏器，,有最大光强和消光的为圆偏振光，没有变化的则为自然光,区别部分偏振光和椭圆偏振光,:,l/4,波片的光轴方向平行于椭圆偏振光的长轴或短轴,经,l/4,波片后椭圆偏振光变为线偏振光，可根据光强的,变化进行区别,5.8,偏振光的干涉,一. 偏振光干涉装置,二. 偏振光干涉的分析,光轴,设 与波片光轴的夹角为 , 与波片光轴的夹角,为,.,.,.,.,P,1,从波片出来的两束光:,通过 后,出射光（在同一方向振动）,光轴,两束光的位相差，由两个因素造成,（1）由波,片,引入的位相差,（2）因,P,1,、,P,2,波片的放置不同造成,P,1,、,P,2,在波片同侧，额外位相差0,在波片同侧，额外位相差,、,三、几种特殊情况,(1)单色光入射，晶片厚度均匀,强度互补,因晶片厚度d一样，屏幕上亮度均匀，,要么全亮，要么全暗,当,时,当,时,()单色光入射，晶片厚度不均匀,则屏上出现等厚干涉条纹。,屏,()白光入射，晶片厚度均匀,屏上由于某种颜色干涉相消，而呈现它的,互补色,这叫,（显）,色偏振,。,如,红色,相消,青色,；,蓝色,相消,黄色,，,绿色相消品色,红青白,蓝黄白,绿品白,()白光入射，晶片厚度不均匀,彩色的等厚干涉条纹,石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）,5.9 光的弹性效应和电光效应,一、,光的弹性效应（,应力双折射,）,有些各向同性的材料，如玻璃和塑料，在受到应力的情况下也成为各向异性材料，有双折射现象，这种现象叫,光的弹性效应,P,1,P,2,d,S,F,干涉,有机玻璃,C,F,介质所受应力的方向就是介质的光轴,应力各向异性,在一定应力范围内：,v,各向不同,n,各向不同,C材料系数 P应力,应用,：,研究介质应力的分布，介质所受力均匀，观察到的颜色 是同时的，介质所受力不均匀，有的地方应力比较大，有的地方应力比较小，这样不同的地方出现的颜 色也就不同,二、电光效应,1.克尔效应(二次电光效应),在各向同性透明介质中加电场使其现出各向异性，从而使光产生双折射，这种现象称为,电光效应,1875年，克尔（J.Kerr）首先在玻璃中发现了双折射现象，以后在某种液体中家电亚压也发现了这种现象，所以叫克尔效应,通电：单晶性质（光轴与E相同），,线偏正光成为椭圆偏振光，因而能部分通过检偏器,克尔盒,由于折射率改变与电场强度是平方关系故克尔效应也叫,二次电光效应,k,克尔常数,E,电场强度,相位差为,：,d,平板间的距离,；V,平板间的电势差,折射率改变与电场强度的关系是:,应用：V变,变 光强I变 利用克尔盒可对偏振光光强进行调制，作光闸,2.泡克尔斯效应(一次电光效应),在石英晶体（或某些别的晶体上）加电场，晶体感生附加的双折射，称为,泡克尔斯效应,激光,起偏器,检偏器,晶体,透明电极,调制电压,位相差,：,其中,为,感生折射率差,根据晶体光学理论，它们分别满足下面的公式,其中,KDP中O光的折射率,E外加电场强度,电光系数，与晶体的取向有关的量,位相差,可变为,因此，,改变电压控制位相，调制光强,应用：,高速开关，调制器,5.10 平面偏振光沿晶体光轴传播时振动面的,旋光,一、旋光现象,二、,旋光现象,的解释,三、 磁致旋光的应用,一、物质的旋光性,1811年 法国物理学家阿喇果发现,线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时,其振动面发生旋转称为,旋光现象,旋光物质,l,光轴,氯酸钠、乳酸、松节油、糖的,水溶液等也都具有旋光性,a,旋光率,旋转的角度：,旋光,率,a,与旋光物质性质和入射波长有关,物质的旋光性和物质原子排列结构有关,同一种物质可以有,左旋,和,右旋,左旋,：迎面观察通过晶体的光，振动面按,顺,时针方向旋转；,右旋,：迎面观察通过晶体的光，振动面按,逆,时针方向旋转；,旋光物质,l,光轴,二、旋光现象的解释,线偏振光可看作是同频率、等振幅有确定相位 差的左(L,)、右(R,)旋圆偏振光的合成,线偏振光左(L,)旋圆偏振光 右(R,)旋圆偏振光,菲涅耳,提出一种唯象理论来解释物质的旋光性质,E,E,L,E,R,O,光通过旋光物质后,相位会滞后,在出射面上：,设入射时L,、,R 初相为0,E,L,E,R,E,入射面(a),旋光物质长为,l,出射面,(b),E,L,E,R,E,R,L,同一时刻,光通过,左旋,物质,L和R电矢量合成的线偏振光向,左,偏离初始状态,此物质为,左,旋体,由图示：,令,旋光率,(a),(b),l,与,n,R,n,L,有关,三、磁致旋光的应用,l,磁致旋光物质,B,旋转的角度,V,费德尔常量,当平面偏振光通过处于通电螺旋管磁场中的物质（水 、二硫化碳、食盐）时，振动面也会产生旋转，这种性质,磁致旋光,，这种现象叫,法拉第效应,对,磁致,旋光物质振动面的左旋或右旋,与光的传播方向是顺磁感强度方向还是 逆着磁感强度方向有关，光沿着磁感强,度方向与逆着振动面旋向相反,对,自然,旋光物质振动面的左旋或右旋,是由旋光物质本身决定的与光的传播,方向无关,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,