波光光的偏振学习教案

会计学1波光波光(b un)光的偏振光的偏振第一页，共79页。25.1 光的偏振光的偏振(pin zhn)状态状态一一. 完全完全(wnqun)偏偏振光振光E播传方向振动面面对光的传播方向看线偏振光可沿两个相互线偏振光可沿两个相互(xingh)垂直的方向分垂直的方向分解：解：EEyEx yx1.线偏振光线偏振光（linearly polarized light） sinEEy cosEEx 表示法：表示法： 光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面第第2页页/共共79页页第1页/共79页第二页，共79页。3右旋圆偏振光 0 y yx z传播方向 /2x某时刻右旋圆偏振光 E 随 z 的变化E2. 圆偏振光圆偏振光（circularly polarized light）和和 线、圆和椭圆偏振光均称为线、圆和椭圆偏振光均称为(chn wi)完全完全偏振光。偏振光。椭圆偏振光（elliptically polarized light）左旋椭圆偏振光第第3页页/共共79页页第2页/共79页第三页，共79页。4为某个为某个(mu )确定值的线偏振光的合成。确定值的线偏振光的合成。右旋圆偏振光的合成右旋圆偏振光的合成(hchng)。圆和椭圆偏振光可看成(kn chn)是两束频率相同、传播方向一致、振动方向相互垂直、相位差反之，线偏振光则可以看成是两束频率相同、相位相同、振幅相同、传播方向亦相同的左、相位差相位差 /2或或3 /2x y yxx，y振幅相同，相位差不等于相位差不等于 0，和 2 /2，3 /2第第4页页/共共79页页第3页/共79页第四页，共79页。5二二. 自然光自然光（natural light）垂直垂直(chuzh)的、等幅的、不相干的线偏的、等幅的、不相干的线偏振光。振光。yxEE xyxIIII2 自然光的表示法：自然光的表示法：没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解一束(y sh)自然光可分解为两束振动方向相互非相干非相干第第5页页/共共79页页第4页/共79页第五页，共79页。6三三. 部分部分(b fen)偏振光偏振光表示法：表示法： 自然光和完全偏振光的混合，就构成自然光和完全偏振光的混合，就构成(guchng)了部分了部分最常讨论的部分最常讨论的部分(b fen)偏振光可看成是自然偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合，偏振光。分解分解非相干非相干平行板面的平行板面的光振动较强光振动较强 垂直板面的垂直板面的光振动较强光振动较强反射光反射光就是这种部分偏振光，就是这种部分偏振光，天空的散射光和水面的天空的散射光和水面的它可以分解如下：第第6页页/共共79页页第5页/共79页第六页，共79页。7四四. 偏振度偏振度（degree of polarization） pnptpIIIIIP Ip 部分偏振光中包含的完全部分偏振光中包含的完全(wnqun)偏偏振光的强度振光的强度It 部分部分(b fen)偏振光的偏振光的总强度总强度In 部分偏振光中包含部分偏振光中包含(bohn)的自然光的的自然光的强度强度完全偏振光完全偏振光 （线、圆、椭圆）（线、圆、椭圆） P = 1自然光自然光 （ 非偏振光）非偏振光） P = 0部分偏振光部分偏振光 0 P none no负晶体：负晶体：ne novot vet光轴点波源点波源votve t光轴evvcnee e光：光：oonv(ve vo)如：石英如：石英(shyng)、冰冰如：方解石、红宝石如：方解石、红宝石vot光轴光轴vetvot第第41页页/共共79页页第40页/共79页第四十一页，共79页。42 ee三三. . 单轴晶体中光传播单轴晶体中光传播(chunb)(chunb)的惠更斯作的惠更斯作图法图法 1. 光轴平行光轴平行(pngxng)晶体表面，自然光垂晶体表面，自然光垂直入射直入射光轴晶体 o、 e方向(fngxing)上虽没分开，下面以负晶体(ve vo)为例，介绍该方法：oo但速度上是分开的，这仍是双折射。这仍是双折射。 以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法，以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法，是研究光在晶体中传播的重要方法。第第42页页/共共79页页第41页/共79页第四十二页，共79页。43o e2. 光轴平行光轴平行(pngxng)晶体表面，且垂直入晶体表面，且垂直入射面，射面， 晶体(jngt)光轴reivotve eto ectoooncir vsinsinnreeeci vsinsin自然光斜入射在这种特殊在这种特殊(tsh)的情况下，对的情况下，对e 光也可光也可以用以用折射定律。r0第第43页页/共共79页页第42页/共79页第四十三页，共79页。443. 光轴与晶体表面光轴与晶体表面(biomin)斜交，自然光垂斜交，自然光垂直入射直入射 e方解石光轴o此时此时e e光的波面不再光的波面不再(b zi)(b zi)与其波射线垂与其波射线垂直了。直了。ooee晶体光轴这正是前面这正是前面(qin mian)演示演示的情形。的情形。注意：注意：第第44页页/共共79页页第43页/共79页第四十四页，共79页。455.5 椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光一一. 晶体晶体(jngt)起偏器件起偏器件 1. 晶体晶体(jngt)的二向色性、晶体的二向色性、晶体(jngt)偏振器偏振器 某些晶体某些晶体(jngt)对对o光和光和e光的吸收有很大差异，光的吸收有很大差异， 例如，电气石对例如，电气石对o光有强烈吸收，光有强烈吸收， 光轴光轴e光光电气石电气石光轴光轴对e光吸收很弱，用它就可以产生线偏振光。这叫晶体的二向色性（dichroism）。第第45页页/共共79页页第44页/共79页第四十五页，共79页。462 . 偏 振偏 振 ( p i n zhn)棱镜棱镜 偏光偏光(pin un)棱镜：棱镜： 光轴的取光轴的取向向(q xin)使使e光对应光对应的恰是的恰是 ne 。no（1.6584） n（1.55） ne（1.4864）i 临界角，临界角，o 光全反射了，光全反射了，e 光可通过。光可通过。偏振棱镜可由自然光获得高质量的线偏振光，可由自然光获得原方向的线偏振光如：如： 光轴光轴方解石方解石加拿大树胶 (n = 1.55)oe吸收涂层i格兰格兰 汤姆孙棱镜汤姆孙棱镜它又可分为它又可分为偏光棱镜偏光棱镜和和偏光分束棱镜。偏光分束棱镜。第第46页页/共共79页页第45页/共79页第四十六页，共79页。47 偏光偏光(pin un)分束棱镜：分束棱镜： 可由自然光获得(hud)分开的两束线偏振光。ee12方解石方解石o光光轴轴光轴光轴沃拉斯顿棱镜沃拉斯顿棱镜o如：如： 光进入到第光进入到第1块方解块方解石后，石后， o光和光和 e光在方光在方向向(fngxing)上没有上没有分开，分开，由于方解石2和方解石1二者光轴垂直，当光进入到方解石2时，o 光变成e光，e光变成o 光，于是两光束在界面处发生折射而分开。第第47页页/共共79页页第46页/共79页第四十七页，共79页。48二二. 晶体晶体(jngt)相移器件，圆和椭圆偏振光的起相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏偏1. 晶片晶片 相位相位(xingwi)延延迟片迟片晶片是光轴平行表面晶片是光轴平行表面(biomin)的晶体的晶体薄片。薄片。ydxAAoAe线偏振光光轴 AAoAe光轴P， sinAAo 振幅关系：振幅关系： cosAAe 椭圆偏振光椭圆偏振光d光轴晶片晶片从晶片出射的两束光由于出现相位差，而合成为一束椭圆偏振光。第第48页页/共共79页页第47页/共79页第四十八页，共79页。49 通过(tnggu)厚为d的晶片，o、e光产生相位差为： 2 dnnoe），（eoAA 4 23,2 则出射光为圆偏振光。则出射光为圆偏振光。若若且且ydxAAoAe线偏振光光轴 椭圆偏振光椭圆偏振光d光轴晶片晶片或圆偏振光或圆偏振光第第49页页/共共79页页第48页/共79页第四十九页，共79页。50 2. 波（晶）片波（晶）片 （1）四分之一波片）四分之一波片（quarter-wave plate）4 线偏振光线偏振光圆偏振光圆偏振光2 , 0 线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光可从线偏振光获得可从线偏振光获得(hud)椭圆或圆偏振光（或相反）椭圆或圆偏振光（或相反）（是对某个（是对某个(mu )确定波长确定波长 而而言的）言的）波片厚度波片厚度(hud)满满足足4 dnnoe2 240， 线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光第第50页页/共共79页页第49页/共79页第五十页，共79页。51（2）二分之一波片）二分之一波片2 dnnoe可使线偏振光振动可使线偏振光振动(zhndng)面转过面转过2 角度角度Ao入入Ao出出A入入A出出Ae入入= Ae出出光轴光轴（3）全波片）全波片2 dnnoe三三. 椭圆椭圆(tuyun)与圆偏振光的检与圆偏振光的检偏偏 用四分之一波片和偏振片可区分用四分之一波片和偏振片可区分(qfn)出自然出自然光和光和或部分偏振光和椭圆偏振光。圆偏振光，第第51页页/共共79页页第50页/共79页第五十一页，共79页。52 四分之一波片四分之一波片圆偏振光圆偏振光自然光自然光自然光自然光线偏振光线偏振光 偏振片（转动偏振片（转动(zhun dng)）线偏振光线偏振光 I不变不变线偏振光线偏振光I 变，有消光变，有消光以入射光方向以入射光方向(fngxing)为轴为轴 四分之一波片四分之一波片椭圆偏振光椭圆偏振光部 分 偏 振部 分 偏 振光光线偏振光线偏振光 偏振片（转动偏振片（转动(zhun dng)）线偏振光线偏振光I 变，有消光变，有消光 部分部分偏振光偏振光 光轴平行最大光强或最小光强方向放置光轴平行最大光强或最小光强方向放置线偏振光线偏振光I变变, 无消光无消光或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置第第52页页/共共79页页第51页/共79页第五十二页，共79页。53 如何如何(rh)区分由自然光和椭圆偏振光组成的区分由自然光和椭圆偏振光组成的 部分偏振光与由自然光和线偏振光组成部分偏振光与由自然光和线偏振光组成 的部分偏振光？的部分偏振光？ 思考思考(sko) 如何(rh)区分由自然光和圆偏振光组成的部分 偏振光与自然光？第第53页页/共共79页页第52页/共79页第五十三页，共79页。545.6 偏振光的干涉偏振光的干涉(gnsh)一一. 偏振光干涉偏振光干涉(gnsh)装装置置偏振化方向偏振化方向偏振片P2 单色自然光偏振片P1偏振化方向偏振化方向d晶片C光轴方向光轴方向二二. 偏振光干涉偏振光干涉(gnsh)的分的分析析1. 振幅关系振幅关系AoA2oP2P1CA1AeA2e在在P2 后：后：相干相干在P1 后： sin1AAo cos1AAe cossincos12 AAAoooeeAAAA212cossinsin 屏屏第第54页页/共共79页页第53页/共79页第五十四页，共79页。55通过通过(tnggu)晶体晶体C后：后：oecnnd 2此两束光合成为此两束光合成为(chngwi)一束椭圆偏振光。一束椭圆偏振光。再通过再通过(tnggu)P2 后：后：2 oecnnd 2. 相位关系相位关系), 2 , 1(,2122 knnkdkoe 相长干涉相长干涉 oennkdk )12( 相消干涉相消干涉 若单色光入射，若单色光入射，则屏上为等厚条纹。且d不均匀，（若（若P1、P2夹角小于夹角小于 ，则无附加相位差）第第55页页/共共79页页第54页/共79页第五十五页，共79页。56石英石英(shyng)劈尖的偏振光干涉（等厚劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）条纹）第第56页页/共共79页页第55页/共79页第五十六页，共79页。57于某种颜色干涉于某种颜色干涉(gnsh)相消，而呈现它的互补色，相消，而呈现它的互补色，三三. 色偏振色偏振（chromatic polarization）若白光入射，且晶片若白光入射，且晶片d 均匀均匀(jnyn)，若若d不均匀，则屏上出现彩色不均匀，则屏上出现彩色(cis)条纹。条纹。红色红色（656.2 nm）相消相消如：如：蓝色蓝色（485.4nm）相消相消 色偏振是检验材料有无双折射效应的灵敏方法，色偏振是检验材料有无双折射效应的灵敏方法，用显微镜观察各种材料在白光下的色偏振，分析物质内部的某些结构 偏光显微术。则：屏上由这叫（显）色偏振。绿色（492.1nm）；黄色（585. 3 nm）。可以第第57页页/共共79页页第56页/共79页第五十七页，共79页。58硫代硫酸钠晶片的色偏振图片硫代硫酸钠晶片的色偏振图片(tpin)第第58页页/共共79页页第57页/共79页第五十八页，共79页。59 5.7 人工人工(rngng)双折射双折射人为地造成人为地造成(zo chn)各向异性，而产生双各向异性，而产生双折射。折射。一一. 光弹效应光弹效应(xioyng)（photoelastic effect）应力应力各向异性各向异性SFknnoe 在一定应力范围内：在一定应力范围内：光弹效应也叫应力双折射效应。 v 各向不同 n各向不同FFP1P2 dS干涉有机玻璃C第第59页页/共共79页页第58页/共79页第五十九页，共79页。6022 SFdknndoe 各处各处 不同不同各处各处 不同不同出现干涉条纹，出现干涉条纹，SF 模模型型的的光光弹弹图图象象吊吊钩钩的的光光弹弹图图象象 变变 变变干涉情况变。干涉情况变。SF 第第60页页/共共79页页第59页/共79页第六十页，共79页。61二二. 电光电光(dingung)效应（效应（electro optic effect）电光电光(dingung)效应也叫电致双折射效效应也叫电致双折射效应。应。1.克尔效应克尔效应(xioyng) （kerr effect） （1875年）年）45P2盒内充某种液体，如硝基苯（盒内充某种液体，如硝基苯（C6H5NO2）l+-克尔盒dP145 不加电场不加电场液体各向同性液体各向同性P2不透光；不透光； 加电场加电场液体呈单轴晶体性质，液体呈单轴晶体性质，光轴平行电场强度光轴平行电场强度 P2透光。透光。E第第61页页/共共79页页第60页/共79页第六十一页，共79页。62222dUkkEnnoe 二次电光(dingung)效应k 克尔常数克尔常数(chngsh)，U 电压电压克尔效应克尔效应(xioyng)引起的相位差为：引起的相位差为： 2 22dkUllnnoek 则产生则产生2218V/m1044. 1 k硝基苯，若 l = 3cm，d = 0.8cm，对 = 600nm的黄光，时，时， k 克尔盒相当半波片，P2透光最强 。V1024 U。时的电压k= 第第62页页/共共79页页第61页/共79页第六十二页，共79页。63可 作 为可 作 为 ( z u w i ) 光 开 关 （ 响 应 时 间光 开 关 （ 响 应 时 间109s），）， 克尔盒的应用(yngyng)：克尔盒的缺点(qudin)：和加数万伏的高电压，用于高速摄影、激光通讯、光速测距、脉冲激光系统（作为Q开关）硝基苯有毒，需要极高的纯度故现在很少用。易爆炸，第第63页页/共共79页页第62页/共79页第六十三页，共79页。642. 泡克尔斯效应泡克尔斯效应(xioyng)（pockels effect）（1893年）年）。电光晶体+。-P1P2KK泡克尔斯盒光传播光传播(chunb)方向与电场方向与电场平行，平行， 21PP 电极电极(dinj)K和和 K透透明，明，晶体是单轴晶体，晶体是单轴晶体， 不加电场不加电场 P2 不透光。不透光。 加电场加电场晶体变双轴晶体晶体变双轴晶体了双折射效应了双折射效应原光轴方向附加 P2 透光。光轴沿光传播方向。第第64页页/共共79页页第63页/共79页第六十四页，共79页。65no o光在晶体(jngt)中的折射率；泡克尔斯效应泡克尔斯效应(xioyng)引起的相位引起的相位差：差：rUnop32 线性电光(dingung)效应r 电光常数；电光常数； 时，时，P2透光最强。透光最强。 p KH2PO4（KDP）、）、NH4H2PO4（ADP）等等 对对 = 546nm的绿光，的绿光， 如如KDP no =1.51， ，m/V106 .1012 r时时， p 。V106 . 73 UU 电压。激光调激光调Q，超高速开关（响应时间小于109s），数据处理显示技术，应用：单晶都具有线性电光效应。第第65页页/共共79页页第64页/共79页第六十五页，共79页。66后空翻动作后空翻动作(dngzu)高速摄影(shyng)图片：击高尔夫球击高尔夫球(go rfqi)的动作的动作第第66页页/共共79页页第65页/共79页第六十六页，共79页。67牛牛奶奶(ni ni)滴滴向向盘盘中中的的牛牛奶奶(ni ni)第第67页页/共共79页页第66页/共79页第六十七页，共79页。68子弹射穿苹果子弹射穿苹果(pnggu)的的瞬间瞬间第第68页页/共共79页页第67页/共79页第六十八页，共79页。69三三. 磁致双折射磁致双折射科顿科顿 穆顿（穆顿（Cotton-Mouton）效应）效应(xioyng)： 某些某些(mu xi)透明液体在磁场透明液体在磁场H作用下变为各向作用下变为各向异性，异性，HC2Hnnoe 二次效应二次效应(xioyng)需要很强的磁场才能观察到。需要很强的磁场才能观察到。性质类似于单轴晶体，光轴平行磁场。第第69页页/共共79页页第68页/共79页第六十九页，共79页。70 5 . 8 旋 光 现 象旋 光 现 象(xinxing)一一. 物质物质(wzh)的旋光性（的旋光性（optical activity） 除石英除石英(shyng)外，氯酸钠、乳酸、松节油、外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖的糖的 旋光物质 a 旋光率旋光率 lla 1811年，法国物理学家年，法国物理学家阿喇果阿喇果（Arago）其振动面能发生旋转，其振动面能发生旋转，发现，线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时，这称为这称为旋光现象。旋光现象。光轴光轴水溶液等也都具有旋光性。第第70页页/共共79页页第69页/共79页第七十页，共79页。71二二. 菲涅耳对旋光性的解释菲涅耳对旋光性的解释(jish) 线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确定线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确定(qudng)相位差的左相位差的左(L)、右、右(R)旋圆偏振光的合成。旋圆偏振光的合成。实验实验(shyn)表明，旋光率表明，旋光率 a 与旋光物质和入与旋光物质和入射波射波长有关，对于溶液，还和旋光物质的浓度有关。石英对石英对 = 589nm的黄光，的黄光，a = 21.75 /mm；而对而对 = 408nm的紫光，的紫光，a = 48.9 /mm 。 同一种物质也可以有同一种物质也可以有左旋体左旋体和和右旋体，右旋体，物质的旋光性是和物质原子排列结构有关的，原子排列互为镜像对称，原子排列互为镜像对称，它们的称为同分异构体。第第71页页/共共79页页第70页/共79页第七十一页，共79页。72RLRLnn vv 光通过光通过(tnggu)旋光物质后，旋光物质后，初相位初相位EELERO在出射面上在出射面上(min shn)：， 02 lnRR。 02 lnLLLR 则则），即即（设设RLLRnnvv 设入射时L、R初相为0，旋光物质旋光物质(wzh)长长为为l，同一时刻光通过光通过左旋左旋物质物质显然此物质为左旋体。显然此物质为左旋体。初相初相初相初相要滞后。ELERE入射面(a)出射面(b)ELERERL第第72页页/共共79页页第71页/共79页第七十二页，共79页。73由图示：由图示：LLR 2121LR 令令 )(LRnna 旋光率旋光率， la 则则 (a)(b) d出射面(b)ELERERLELERE入射面(a)21LR lnnLR )( 这既解释这既解释(jish)了旋光现象，了旋光现象，与物质(wzh)（由nR和nL反映）和入射波长有关。又说明(shumng)了旋光率a第第73页页/共共79页页第72页/共79页第七十三页，共79页。74三三. 量糖术量糖术对旋光溶液对旋光溶液(rngy)有有C 溶液溶液(rngy)的浓的浓度，度，“量糖计量糖计”可分析可分析(fnx)旋光（同分）异构体的成旋光（同分）异构体的成分，分，例如：氯霉例如：氯霉广泛用在化学和制药等工业中。广泛用在化学和制药等工业中。素天然品为左旋体，素天然品为左旋体，称合霉素，其中只左旋有疗效。分离出左旋品（左霉素），疗效同天然品。用量糖术可 a C = a 溶液的旋光率， = a C l a 溶液的比旋光率。合成品为左、右旋各半，第第74页页/共共79页页第73页/共79页第七十四页，共79页。75四四. 磁致旋光磁致旋光（magnetic opticity） l磁致旋光物质B旋转旋转(xunzhun)的角度的角度 BlV V 费 德 尔 常 量费 德 尔 常 量(chngling)，1154Tm1010 V水、二硫化碳、水、二硫化碳、食盐(shyn)、乙醇等 对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由都是磁致旋光物质。旋光物质本身决定的，与光的传播方向无关。第第75页页/共共79页页第74页/共79页第七十五页，共79页。76反射镜入射光左旋反射镜反射光左旋自然旋光物自然旋光物质质第第76页页/共共79页页第75页/共79页第七十六页，共79页。77反射镜反射光右旋B反射镜入射光左旋B 对磁致旋光物质，光沿对磁致旋光物质，光沿 与逆与逆 方向传播，方向传播，BB磁性旋光物质磁性旋光物质振动(zhndng)面旋向相反。 第第77页页/共共79页页第76页/共79页第七十七页，共79页。78光隔离器：光隔离器：这样可以这样可以(ky)消除反射光的干扰。消除反射光的干扰。磁致旋光效应磁致旋光效应(xioyng)的应用：的应用： 研究物质研究物质(wzh)结构结构 测电流和磁场测电流和磁场 磁光调制磁光调制 BPM磁致旋光物质磁致旋光物质令令 = 45，则 2 = 90，反射光通不过反射光通不过P第第78页页/共共79页页第77页/共79页第七十八页，共79页。79 “波动光学波动光学”全部全部(qunb)结束结束作业作业(zuy)：P245: 5.1, 5.2, 5.4, 5.5, 5.8, 5.9, 5.10, 5.11, 5.13, 5.15第第79页页/共共79页页第78页/共79页第七十九页，共79页。