高等光学偏振光学课件

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,高等光学,研究生课程,光的偏振态及其表示方法,光在介质分界面上的反射和折射,第二章 偏振光学,内容提要,光的偏振态及其表示方法,偏振光概述及分类,完全偏振光的表示方法（椭圆、邦加球、斯托克斯参量）,相位波片,旋光现象,第二章 偏振光学,光学现象,什么是偏振？,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,光矢量,振动面,v,0,H,E,什么是偏振？,（,1,）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,（,3,）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，均偏振相关,（,5,）某些材料具有旋光特性,偏振有关的特性,（,1,）光的频率非常高，,f=10,14,HZ,（,100THZ,）；相对地，人耳听到的声波频率为,20HZ20kHZ,，普通电磁波频率一般低于,10,7,HZ,。光频远大于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,1.,自然光,偏振光的分类,2.,线偏振光,4.,圆偏振光,5.,椭圆偏振光,3.,部分偏振光,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,随机，即不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。,光矢量,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。,1.,自然光,自然光,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固定方向上振动的光波,光振动平行板面,光振动垂直板面,完全偏振光,线偏光,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。,沿,x-y,坐标光强分量,x,y,O,E,E,x,E,y,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,振,化,方,向,自然光,偏振片,线偏振光,起偏和检偏,（,1,）用二向色性晶体（电气石晶体、硫酸碘奎宁晶体）,（,2,）导电线栅,-,拉直的细电导体,(,金属、碘原子,)-,平行电场分量吸收，垂直分量透过,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器,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,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,偏振光通过旋转的检偏器,光强发生变化,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变，矢量端点的轨迹为圆,4.,椭圆偏振光,电矢量绕着传输方向匀速旋转，矢量端点的轨迹为椭圆,完全偏振光,圆,/,椭圆偏光,5.,部分偏振光,分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的线偏振光。,电矢量振幅在不同方向上有不同大小，称部分偏振光，它,介于自然光与线偏振光之间,部分偏振光的偏振度,偏振光的分类,部分偏振光,偏振光的分类表述,A:,振幅，,k:,波矢量，,:,角频率，,0,:,初始相位,波数,实部（实际电场）,光的电场表示（,x-y,垂直方向两个分量，沿,z,方向传输）,（恒定相位差,(,）,x,y,0,E,E,x,E,y,椭圆函数,描述光的偏振态的参数,Circular Polarization Demo,：,总光强恒定,椭圆函数可等效为,线偏光,右旋光,左旋光,圆偏光,Linear,Circular and Elliptical Polarization Animation:,振幅相等,r,=,A,y,/,A,x,=1,，相位差,对应的光的偏振态,振幅不等,r,=,A,y,/,A,x,=2,，相位差,对应的光的偏振态,(r,),主轴方向：方位角,椭圆度：椭圆形状,椭圆度正负号,“,”,表示旋光方向，如上所述,偏振椭圆表示法,(,),光的偏振态的表示方法,(r,),线偏光和圆偏光的电场空间分布示意图,庞加莱球（,Poincar,，邦加球）：光的偏振态的几何表示,光的偏振态的表示方法,庞加莱球（,Poincar,，邦加球）,（,1,）球坐标,(S,1,S,2,S,3,),与光的偏振态一一相对应,（,2,）线偏光：赤道,(S,1,90,o,S,3,),如,x,偏振：,(1,/2,0)y,偏振：,(1,/2,),（,3,）右旋圆偏光：北极,(1,0,S,0,),左旋圆偏光：南极,(1,0,S,0,),（,4,）右旋光：北半球,(,S,3,0),左旋光：南半球,(,S,3,0),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,特点：,（,1,）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、自然光及部分偏振光,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，而斯托克斯参量既表示光的偏振，又表示光强,(S,1,S,2,S,3,):,邦加球上的直角坐标点,光的偏振态的表示方法,相位波片（相位延迟片）,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快轴，与之垂直的光矢量方向即为慢轴,负单轴晶体时，,e,光比,o,光速度快，快轴在,e,光矢量方向即光轴方向，,o,光光矢量方向为慢轴，正晶体正好相反,波片产生的,相位差,是,慢轴方向光矢量相对于快轴方向光矢量的相位延迟量,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；不改变入射光的偏振态,特点：增加,的,相位延迟,（,1,）使线偏振光的偏振方向旋转一定角度,（,2,）使圆偏振光的旋转方向发生逆转,（,3,）使椭圆偏振光旋转方向逆转,同时长轴转过一定角度,2,、半波片,相位波片,半波片,特点：增加,/2,的,相位延迟,（,1,）可使线偏振光变成圆或椭圆偏振光,（,2,）使圆或椭圆偏振光变成线偏振光,3,、,1/4,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,（,2,）可改变入射光的偏振态；自然光经波片后仍是自然光,（,3,）为了达到改变偏振态的目的，可使波片的快（慢）轴与入射光矢量有一定夹角，以便在两个互相垂直的光矢量间引入一定的位相延迟,相位波片,*,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一定的角度，这种现象称为,振动面的旋转,，也称,旋光现象,。,.,.,未放置,C,，,P,2,后视场黑暗,放置,C,后，旋转,P,2,一定角度，视场又变黑暗,1,、,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。,右旋物质 左旋物质,2,、,振动面的旋转角,与波长有关，,波长给定则与旋光物质的厚度,l,有关。,3,、,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,-,莫顿效应,*,旋光现象,汽车车灯,偏振光的应用,LCD,液晶显示器,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,3D,电影,