波动光学光的偏振实用教案

17.3 17.3 光的偏振光的偏振(pin zhn)(pin zhn)2.偏振片 马吕斯定律(dngl) 布儒斯特定律(dngl) 晶体的双折射光轴与主平面3.光的偏振(pin zhn)态的检定,偏振(pin zhn)光的干涉1.光的偏振性与横波性光的种偏振态主要内容第1页/共40页第一页，共41页。17.3.1 光的偏振(pin zhn)状态横波(hngb)的偏振性振动面：光矢量E与传播(chunb)方向组成的平面。偏振: E的振动方向对传播方向的不对称性。面光矢量振动v0HE只有横波才有偏振现象17.3 光的偏振第2页/共40页第二页，共41页。偏振态: 光矢量在与光传播方向(fngxing)垂直的平面内的 振动状态。五种(w zhn)偏振态:自然光 线偏振光 部分偏振光 椭圆偏振光 圆偏振光17.3 光的偏振(pin zhn)第3页/共40页第三页，共41页。(1) 自然光没有优势方向自然光的分解一束自然光可分解为两束振动方向(fngxing)相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。yxEE yxIII 自然光的表示法：17.3.1 光的偏振(pin zhn)状态第4页/共40页第四页，共41页。(2) 线偏振光E播传方向振动面线偏振光可沿两个相互垂直(chuzh)的方向分解EEyEx yx sincosEEEEyx 面对光的传播方向看线偏振光的表示法： 光振动垂直板面光振动平行板面17.3.1 光的偏振(pin zhn)状态第5页/共40页第五页，共41页。(3) 部分(b fen)偏振光部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光可分解为两束振动(zhndng)方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。部分(b fen)偏振光的表示法： 平行板面的光振动较强垂直板面的光振动较强17.3.1 光的偏振状态第6页/共40页第六页，共41页。当迎着光线看振动矢量末端轨迹是椭圆(tuyun)或圆，这样的偏振光称为椭圆(tuyun)偏振光和圆偏振光。任一时刻振动仍在一个方向上。形成的原因：两个相互(xingh)垂直的线偏振光的叠加14-3节我们讨论过相互垂直的振动(zhndng)叠加。若两个频率相同，振动(zhndng)方向垂直，相位差固定的振动(zhndng)叠加时，合成后的轨迹是椭圆或是圆。(4)椭圆偏振光和圆偏振光17.3.1 光的偏振状态第7页/共40页第七页，共41页。(1).反射(fnsh)和折射光的偏振1n2ni r 自然光部分偏振光反射和折射(zhsh)过程会使入射的自然光一定程度的偏振化部分偏振光17.3.2 线偏振光的获得(hud):第8页/共40页第八页，共41页。 反射光的偏振化程度和入射角有关，当入射角等于某一特定值i0且满足120nni tg这时反射光成为线偏振光。布儒斯特定律0ir1n2n自然光线偏振光部分偏振光20 ri0i起偏振角布儒斯特角17.3.2 线偏振光的获得(hud):第9页/共40页第九页，共41页。利用(lyng)玻璃片堆产生线偏振光i0(接近线偏振光)玻璃片堆 最后获得两束振动(zhndng)面互相垂直的线偏振光17.3.2 线偏振光的获得(hud):第10页/共40页第十页，共41页。( 2 ) 双 折 射 现 象(xinxing) 对于(duy)各向异性晶体，一束光射入晶体后，可以观察到有两束折射光的现象。n1n2irore(各向异性媒质)自然光寻常光线(o光) -遵守(znshu)折射定律非常光线(e光) -不遵守折射定律o光和e光都是线偏振光。17.3.2 线偏振光的获得:第11页/共40页第十一页，共41页。光光双折射方解石 晶体(jngt)17.3.2 线偏振光的获得(hud):第12页/共40页第十二页，共41页。光光双折射方解石 晶体(jngt)17.3.2 线偏振光的获得(hud):第13页/共40页第十三页，共41页。光光双折射方解石 晶体(jngt)17.3.2 线偏振光的获得(hud):第14页/共40页第十四页，共41页。光光双折射方解石 晶体(jngt)17.3.2 线偏振光的获得(hud):第15页/共40页第十五页，共41页。晶体(jngt)的光轴与主平面 当光在晶体内沿某个特殊方向(fngxing)传播时不发生双折射，该方向(fngxing)称为晶体的光轴。“光轴”是一特殊的“方向”,不是指一条(y tio)直线。凡平行于此方向的直线均为光轴。单轴晶体：只有一个光轴的晶体双轴晶体：有两个光轴的晶体AB光轴10217.3.2 线偏振光的获得:第16页/共40页第十六页，共41页。主平面：晶体(jngt)中光的传播方向与晶体(jngt)光轴构成的平面e光光轴e光的主平面o光光轴o光的主平面o光的振动(zhndng)面垂直于o光的主平面e光的振动(zhndng)面在e光的主平面内17.3.2 线偏振光的获得:第17页/共40页第十七页，共41页。光在晶体光在晶体(jngt)中的波面中的波面单轴晶体中的波面单轴晶体中的波面(1)在各向同性介质中，点光源的波阵面是球面，单轴晶体中，在各向同性介质中，点光源的波阵面是球面，单轴晶体中，o光的波面光的波面也是球面。也是球面。(2)在单轴晶体中，在单轴晶体中，e光的波面是以光轴为转轴的旋转椭球面光的波面是以光轴为转轴的旋转椭球面.即即:e光沿各个光沿各个方向的速度不同，沿光轴方向的速度也为方向的速度不同，沿光轴方向的速度也为O；沿垂直于光轴方向的速度；沿垂直于光轴方向的速度与与vo差别最大，以差别最大，以e表示；沿其它表示；沿其它(qt)方向的光速介于方向的光速介于o与与e之间。之间。(3)把把o光、光、e光在单轴晶体内的波面画在一起，则两个波面在光轴方向处相光在单轴晶体内的波面画在一起，则两个波面在光轴方向处相切。（如图）切。（如图）17.3.2 线偏振光的获得(hud):第18页/共40页第十八页，共41页。17.3.2 线偏振光的获得(hud):第19页/共40页第十九页，共41页。有两种类型的双折射晶体有两种类型的双折射晶体 VoVe，(垂轴之间的垂轴之间的e光波速为光波速为Ve),则称则称 正晶体正晶体,以石英以石英(shyng)代表，在正晶体内，椭球波面内切于球面波面之内。代表，在正晶体内，椭球波面内切于球面波面之内。 vove,称负晶休，以冰洲石（方解石）为代表，在负晶体内，椭球波面外切称负晶休，以冰洲石（方解石）为代表，在负晶体内，椭球波面外切于球面波面之外。于球面波面之外。17.3.2 线偏振光的获得(hud):第20页/共40页第二十页，共41页。起偏器：若有一个光学元件，能以某种方式起偏器：若有一个光学元件，能以某种方式(fngsh)选择自然光中的一束平面偏选择自然光中的一束平面偏振光，而摒弃另一束平面偏振光，这种器件称为起偏器。振光，而摒弃另一束平面偏振光，这种器件称为起偏器。(3)由二向色性产生的线偏振光由二向色性产生的线偏振光二向色性晶体：具有选择性吸收的性质二向色性晶体：具有选择性吸收的性质.例例:电气石电气石,它有特殊的方向称为它有特殊的方向称为“光轴光轴”,沿光轴方向振动的光几乎不吸收，对垂直沿光轴方向振动的光几乎不吸收，对垂直于光轴方向振动的光强烈吸收。于光轴方向振动的光强烈吸收。光轴可理解为光轴可理解为“透光轴透光轴”。把能透过电矢量振动的方向称为它的透振方向。把能透过电矢量振动的方向称为它的透振方向。偏振片：利用人工方法制造二向色性多晶薄膜。偏振片：利用人工方法制造二向色性多晶薄膜。17.3.2 线偏振光的获得(hud):第21页/共40页第二十一页，共41页。偏振片的起偏和检偏起偏：使自然光（或非偏振光）变成线偏振光的过程(guchng)。检偏：检查(jinch)入射光的偏振性。偏振化方向自然光偏振片线偏振光I?P待检光I 不变？是什么(shn me)光I 变，有消光？是什么光I 变，无消光？是什么光17.3.2 线偏振光的获得:第22页/共40页第二十二页，共41页。起偏器. . . .自然光自然光通过旋转的检偏器，光强不变. . . .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17.3.2 线偏振光的获得(hud):第23页/共40页第二十三页，共41页。17.3.3. 马吕斯定律(dngl)I0IPP E0E=E0cos 20cosII 0max0III ， 02 I， 马吕斯定律(dngl)（1809）消光(xio un)-线偏振光的振动方向与检偏器的偏振化方向 之间的夹角。第24页/共40页第二十四页，共41页。 例17-11 若自然光的光强为 ,让它通过两个偏振化方向(fngxing)成 角的平行放置的偏振片,求透过第二个偏振片的光强.0I060解：自然光通过(tnggu)第一个偏振片后成为线偏振光,其光强为 应为入射自然光的一半,即:20II I根据(gnj)马吕斯定律,透过第二个偏振片的光强为860cos2cos00202IIII17.3.3. 马吕斯定律第25页/共40页第二十五页，共41页。 例17-12 用尼科尔棱镜观察部分偏振光，当尼科尔棱镜相对于最大光强位置(wi zhi)转过600 角时，光强减弱为一半。试求组成此部分偏振光的自然光和线偏振光的强度之比。解：设自然光光强为I0 偏振光光强为I。光强最大时，偏振光振动方向(fngxing)与棱镜的偏振化方向(fngxing)相同。2max0III当尼科尔转过600 时，光强减为一半(ybn)。260cos202max0III两式联立得：II0强度之比1：1.检偏器线偏振光17.3.3. 马吕斯定律第26页/共40页第二十六页，共41页。（1）什么是椭圆(tuyun)偏振光和圆偏振光？当迎着光线看振动矢量末端轨迹是椭圆(tuyun)或圆，这样的偏振光称为椭圆(tuyun)偏振光和圆偏振光。任一时刻振动仍在一个方向上。形成的原因(yunyn)：两个相互垂直的线偏振光的叠加14-3节我们讨论过相互垂直的振动叠加。若两个频率相同，振动方向垂直，相位差固定的振动叠加时，合成(hchng)后的轨迹是椭圆或是圆。0424317.3.4 椭圆偏振光和圆偏振光第27页/共40页第二十七页，共41页。（2）椭圆偏振光和圆偏振光的产生(chnshng)方法 一束偏振光入射到光轴平行于晶体表面(biomin)、厚度为d的晶体上。也可分成o光和e光，且两光相位恒定，振动方向垂直。cossin00EEEEoeE0EoEe相位差：dnn22eo)(相位差决定(judng)于晶体厚度 自然光入射到晶体上可分成o光和e光，但这两束光相位是不断变化的不能叠加为椭圆和圆。光轴17.3.4 椭圆偏振光和圆偏振光第28页/共40页第二十八页，共41页。 波片2)(dnn2eo当时，)( 4eonndo光和e光两光叠加形成正椭圆偏振光；若o光和e光振幅(zhnf)相同，即= 45 0 则为圆偏振光。 波片dnn2eo)(当时，)(2eonndo光和e光两光叠加形成(xngchng)线偏振光。注意：波片的厚度(hud)是与波长对应的，不同的光波有不同厚度(hud)的1/4波片或1/2波片。17.3.4 椭圆偏振光和圆偏振光第29页/共40页第二十九页，共41页。17.3.5 偏振光的检验(jinyn)1.利用检偏器（偏振片或偏光棱镜）检偏的原理利用检偏器（偏振片或偏光棱镜）检偏的原理自然光（经偏振片）变成线偏振光；旋转检偏器，光强无变化自然光（经偏振片）变成线偏振光；旋转检偏器，光强无变化线偏振光（经偏振片）变成线偏振光；旋转检偏器，光强有变，且有消光现象线偏振光（经偏振片）变成线偏振光；旋转检偏器，光强有变，且有消光现象.部分偏振光（经偏振片）变成线偏振光；旋转检偏器，光强有变，但无消光现象部分偏振光（经偏振片）变成线偏振光；旋转检偏器，光强有变，但无消光现象.圆偏振光（经偏振片）变成线偏振光；旋转检偏器，光强无变，如同圆偏振光（经偏振片）变成线偏振光；旋转检偏器，光强无变，如同(rtng)观察观察自然光自然光.椭圆偏振光（经偏振片）变成线偏振光；旋转检偏器，光强变化，无消光现象，如同椭圆偏振光（经偏振片）变成线偏振光；旋转检偏器，光强变化，无消光现象，如同(rtng)观察部分偏振光。观察部分偏振光。第30页/共40页第三十页，共41页。结论结论:五种五种(w zhn)偏振态的光波通过（检偏器）透射光均为线偏振光；偏振态的光波通过（检偏器）透射光均为线偏振光；仅由一个检偏器，只能把线偏振光区分开来；仅由一个检偏器，只能把线偏振光区分开来；仅由一个检偏器，无法区分自然光和圆偏振光，也无法区分部分偏振光和仅由一个检偏器，无法区分自然光和圆偏振光，也无法区分部分偏振光和椭圆偏振光椭圆偏振光17.3.5 偏振光的检验(jinyn)第31页/共40页第三十一页，共41页。2.五种偏振五种偏振(pin zhn)光的光通过光的光通过 波片后，偏波片后，偏振振(pin zhn)态的变化态的变化4自然光变成自然光部分(b fen)偏振光变成部分(b fen)偏振光线偏振光变成 正椭圆偏振光(0o ,45o,90o) 圆偏振光(45o) 线偏振光（0o,90o)圆偏振光变成线偏振光正椭圆偏振光变成线偏振光17.3.5 偏振光的检验(jinyn)第32页/共40页第三十二页，共41页。分两步：分两步： 先用一只检偏器区分线偏振光，虽然一只检偏器无法区分自然光与圆偏振光，无法先用一只检偏器区分线偏振光，虽然一只检偏器无法区分自然光与圆偏振光，无法区分部分区分部分(b fen)偏振光偏振光 椭圆偏振光，但可把二者归为一组。椭圆偏振光，但可把二者归为一组。 再借助再借助 片和检偏器进一步区分自然光和圆偏振光，部分片和检偏器进一步区分自然光和圆偏振光，部分(b fen)偏振光和椭圆偏振光和椭圆偏振光偏振光3.五种偏振(pin zhn)态的检定: （用一只检偏器和一个已知光轴的 片）4417.3.5 偏振光的检验(jinyn)第33页/共40页第三十三页，共41页。 方法：在检偏器之前插入 片，旋转检偏器 看光强如何(rh)变化？第一组：第一组： 自然光经四分之一波片变成自然光，旋转检偏器光强无变化自然光经四分之一波片变成自然光，旋转检偏器光强无变化(binhu)圆偏振光经四分之一波片变成线偏振光，旋转检偏器光强变化圆偏振光经四分之一波片变成线偏振光，旋转检偏器光强变化(binhu)，且有消，且有消光现象光现象第二组：第二组： 部分偏振光经四分之一波片变成部分偏振光，旋转检偏器，光强变化部分偏振光经四分之一波片变成部分偏振光，旋转检偏器，光强变化(binhu)但但无消光现象无消光现象正椭圆偏振光经四分之一波片变成线偏振光，旋转检偏器，光强有变化正椭圆偏振光经四分之一波片变成线偏振光，旋转检偏器，光强有变化(binhu)且有消光现象且有消光现象（令长短轴分别平行、垂直于波片的光轴）（令长短轴分别平行、垂直于波片的光轴）417.3.5 偏振光的检验(jinyn)第34页/共40页第三十四页，共41页。1.实现实现(shxin)平行线偏振光干涉的实验装置平行线偏振光干涉的实验装置17.3.6 偏振光的干涉(gnsh)第35页/共40页第三十五页，共41页。由由P2 出射的出射的e 光、光、o 光两相干光的光程光两相干光的光程(un chn)差为：差为：2.平面(pngmin)偏振光干涉的强度分布002 ()oenn d (1)如图：光强为22222222cosoeoeIAAAA A17.3.6 17.3.6 偏振光的干涉偏振光的干涉(gnsh)(gnsh)第36页/共40页第三十六页，共41页。17.3.6 偏振光的干涉(gnsh)第37页/共40页第三十七页，共41页。(2)(2)讨论讨论(toln)(toln)：1)1)晶片厚度均匀晶片厚度均匀, ,出射的光线有相同出射的光线有相同(xin tn)(xin tn)的位相差，屏幕上光强均匀，当转的位相差，屏幕上光强均匀，当转动任一元件，透光强随之变化，但无干涉条纹。动任一元件，透光强随之变化，但无干涉条纹。2)2)若晶片厚度不均匀，则晶片不同厚度处若晶片厚度不均匀，则晶片不同厚度处o o光、光、e e光产生不同的位相差，在屏幕上将形光产生不同的位相差，在屏幕上将形成等厚干涉条纹。成等厚干涉条纹。2 2() (21) oeknn dk相长相消2 2() (21) oeknndk相长相消17.3.6 偏振光的干涉(gnsh)第38页/共40页第三十八页，共41页。17.3 17.3 光的偏振主要光的偏振主要(zhyo)(zhyo)内容总内容总结结1、光的五种(w zhn)偏振态: 自然光 线偏振光 部分偏振光 椭圆偏振光 圆偏振光2、线偏振光的获得(hud):布儒斯特定律120nntgi 3、双折射现象: o光、e光、光轴、主平面4、二向色性晶体，马吕斯定律：20cosII 第39页/共40页第三十九页，共41页。谢谢您的观看(gunkn)！第40页/共40页第四十页，共41页。NoImage内容(nirng)总结17.3 光的偏振。第1页/共40页。当迎着光线看振动矢量末端轨迹是椭圆或圆，这样(zhyng)的偏振光称为椭圆偏振光和圆偏振光。反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化。“光轴”是一特殊的“方向”,不是指一条直线。沿其它方向的光速介于o与e之间。(3)把o光、e光在单轴晶体内的波面画在一起，则两个波面在光轴方向处相切。17.3.3. 马吕斯定律。光强最大时，偏振光振动方向与棱镜的偏振化方向相同。强度之比1：1第四十一页，共41页。