1、1,第五章 光的偏振Chap.5 Polarization of Light,2,主 要 内 容,5.1 自然光与偏振光5.2线偏振光与部分偏振光5.3光通过单轴晶体时的双折射现象5.4 光在晶体中的波面 5.5 光在晶体中的传播方向 5.6 偏振器件,3,5.7 椭圆偏振光和圆偏振光 5.8 偏振态的实验检验 5.9 偏振光的干涉,4,偏振态,5,5.1 自然光与偏振光一、光的偏振性 偏振：振动方向对于传播方向的不对称性。只有横波才有偏振现象。,6,线偏振光：光在传播过程中电矢量的振动只限于某一确定平面内（投影为直线）。振动面：电矢量和光的传播方向所构成的平面。,7,二、自然光 各个方向上电
2、矢量的时间平均值相等。 它可以看作是两个振幅相同、振动相互垂直的非相干的线偏振光的叠加。,8,9,三、部分偏振光(P. 217)：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势.,偏振度P：, if, if,10,起偏与检偏,5.2产生线偏振光的两种方法,11,一、由二向色性产生线偏振光,1. 二向色性： 是指有些晶体对不同方向振动的电矢量，具有选择吸收的性质。 偏振片：含有平行地排列起来的长链聚合物分子的薄膜, 具有二向色性.如：电气石（天然）、聚乙烯醇（人工）。透振方向：垂直于长链方向。,12,2 马吕斯定律（1880 年）,马吕斯定律:,13,二.利用布儒斯特定律产生线偏振光,布儒斯特定
3、律:,14,自然光以布儒斯特角入射到透明介质堆上时，透射光几乎是线偏振光，它的电矢量平行于入射面。 在偏振光分析和激光技术中，广泛地应用着反射起偏和透射起偏。,15,5.3光通过单轴晶体时的双折射现象产生线偏振光的第三种方法,引言: 光学各向异性介质的特点：1）二向色性：介质对不同的偏振方向的光 有不同的吸收系数。如偏振 片。2）光速(折射率)与光的偏振方向有关。 如某些晶体。,16,各向异性来源于介质的结构和原子相互作用的不对称性。 气体、液体：分子取向随机，宏观上表现为各向同性。 固体：如果微粒的相互作用对称，则表现为各向同性，不对称，则表现为各向异性。其中: 立方晶系的晶体，为各向同性（
4、如NaCl等），其它结构的晶体，为各向异性，如方解石（CaCO3），石英(SiO2)等.,17,一、双折射现象,同一束入射光折射后分成两束的现象。寻常光（ordinary ray）: 遵从折射定律；非常光（extraordinary ray）:不一定遵从折射定律。,18,二、光轴和主截面, 光轴：若改变入射光的方向，将发现在晶体内存在着一些特殊的方向，沿着这些特殊方向垂直入射的光并不发生双折射，这些特殊的方向就称为晶体的光轴。,A,B,C,D,19,注意：光轴仅标志一定的方向,并不特指某条直线。单轴晶体： 只有一个光轴的晶体。如方解石（碳酸钙、冰洲石）、石英（水晶）、红宝石等。双轴晶体： 有两
5、个光轴的晶体。如云母、硫磺、黄玉等。,20, 主平面： 包含晶体光轴和给定光线的平面 3. o,e光的性质 实验表明： 1）o光是线偏振光，振动方向 垂直于o光主平面. e光是线偏振光，振动方向 平行于e光主平面.2) 当光轴在入射面内或垂直于 入射面时， o, e光的振动方 向相互垂直。,21,5.4 光在晶体中的波面惠更斯对双折射现象的解释,o光沿着一切方向传播的速度都相同，o光的波面是一个球面。 e光它在不同方向有不同的传播速度。e光的波面是旋转椭球面。e光的传播方向不一定垂直于波面。,22,在单轴晶体中的点光源,发出两种波面:o光波面球面e光波面椭球面（以光轴为旋转轴）,相切于光轴,负
6、晶体v0ne,正晶体v0ve n0 ve n0 ve n0 ne) no=1.54425，ne=1.55336,(O光主折射率),(e光主折射率),36,作业(1)负晶体(已知v0 和ve )，平行光沿光轴斜入射，用作图法确定o,e光传播方向和偏振方向,写出作法.(2)正晶体(已知n0 和ne ) ，平行光垂直于光轴斜入射，用作图法确定o,e光传播方向和偏振方向,写出作法.,(1),(2),37,5.6 偏振器件,o光和e光的特点：,38,主 要 内 容,一、尼科耳棱镜二、沃拉斯顿棱镜三、波片,39,一、尼科耳棱镜, 原理： 利用双折射现象，将自然光分成 o 光和 e 光，再利用全反射把o光反
7、射到棱镜侧壁上，只让e光通过棱镜，从而获得一束振动方向固定的线偏振光。,40, 结构：,（疏）,41,就 e 光来说，树胶相对于方解石是光密介质；就 o 光来说，树胶相对于方解石是光疏介质。,沿图示方向传播时,ne=1.516, 光路：,e 光因nen加，不能产生全反射， 透射出来。, 入射光平行于棱AD,42, 入射光不是平行于AD 入射极限角 S MS0140 （ 见P233 例 5.6 ） 注意：在使用尼科耳时，应避免用高度会聚或发散的光束. 激光作为入射光束最为理想。,43, 应用： 尼科耳可以作为起偏器，也可以作为检偏器。 作为检偏器： 透射出尼科耳后的线偏振光(e光)的光强为：,为
8、入射线偏振光的振动方向与尼科耳棱镜主截面之间的夹角. 注: 通常用主截面A/BC / D来表示尼科耳出射光的振动方向，相当于偏振片的透振方向。,44, 自然光连续通过两个尼科耳： N1 起偏器，N2 检偏器， 两尼科耳主截面(e光)之间的夹角。,45,5. 傅科棱镜： 仅以空气层代替加拿大树胶。横截面相同时，长度较尼科耳短。 优点： 可用于紫外线（加拿大树胶对紫外线有强烈吸收，尼科耳对此波段不适应用）； 制造成本较低（临界角小,长度较尼科耳短）； 更坚固耐用（短）。,ico 37 0 i ne,故eo,因此,第二棱镜的e光向上偏, o光向下偏.,48,三、波 片,定义： 由单轴晶体切割成的光轴
9、平行于表面且能使 o 光和 e 光沿同一方向传播并产生一定相位差的薄片。2. 原理： 当一束振幅为A0 的平行光垂直入射到波片上时，在入射点分解成的 o 光和 e 光的相位是相等的。但光一进入晶体，由于 o光和 e光的传播速度不同，逐渐形成相位不同的两束光。,49,可见：两束光在波片内不同深度的各点不同。 当两束光射出波片后，其相位差即为：,光在波片传播的距离r 时的相位差为：,y,(重折射率),50,3. 种类： ,., 半波片：,51, 全波片：,此外还有 波片及任意波片等。,注：1）白光入射时, 某种波片 (材料和厚度一定)只适合特定的波长,对其它波长而言,并不是1/4波片. 2）晶片的
10、快(慢)轴：表示沿该方向振动的光的传播速度大(小)。方解石的快轴沿y方向，即e光为快光. 石英则相反. 晶片常只标快轴,不说明材料及光轴,必要时可配合检偏器等进行鉴定.,y,3) 各种波片应用，见后。,52,5.7 椭圆偏振光和圆偏振光,一、椭圆和圆偏振光的描述二、椭圆和圆偏振光的获得 三、自然光改造成椭圆或圆偏振光,53,一、椭圆和圆偏振光的描述, 椭圆偏振光： 椭圆偏振光指的是电矢量的端点在波面内描绘出的轨迹是椭圆；它可用两列频率相同、振动方向相互垂直、相位差恒定且沿同一方向传播的线偏振光的叠加描述。,54,.,主轴与x轴的夹角为 , 且:,55,椭圆的方向取决于相位差 。 迎着光传播的方
11、向观察，电矢量端点描出的椭圆沿顺（逆） 时针方向，则为右（左）旋椭圆偏振光。,.,56,57, 圆偏振光： 电矢量的端点在波面内描绘出的轨迹是圆。,(两个条件同时具备),58,例：P237,解:,这是半波片,59,解:,这是半波片,从半波片透射出的光波, y方向(e光)比x方向(o光)超前的相位为:,(右旋圆偏振光),结论: 半波片使左旋圆偏变右旋圆偏振光.,60,1) 1/2波片不改变偏振态种类,但前后振动关于光轴对称,= ,常用波晶片对偏振态的影响(对照图5-22):,61,常用波晶片对偏振态的影响(对照图5-22):,2) 1/4波片不改变斜椭圆偏振态,= /2,62,全波片对偏振态无影
12、响.4) 任意波片对振动方向沿快慢轴的线偏无影响, 任意波片对自然光和部份偏振光无影响,常用波晶片对偏振态的影响(对照图5-22):,63,作 业,P262 2、6 、8,64,二、椭圆和圆偏振光的获得,利用波片便可 (参见图5-17),.,y,65,特例：当入射线偏振光的电矢量振动方向与1/4波片的光轴成角 45o 时，,y,从1/4 波片出射的光为圆偏振光。,66,三、自然光改造成椭圆或圆偏振光,1. 自然界中大多数光源发出的光是自然光，如果把自然光直接入射到波片上，出射后，不可能得到椭圆偏振光。 2. 要使自然光转化为椭圆偏振光，首先必须通过一个偏振器产生线偏振光，然后将它垂直入射到一块
13、波片上。,67,一个恰当取向的起偏器和一块波片的串接组合椭圆偏振器。自然光通过椭圆偏振器后转化为椭圆偏振光。,68,3. 要使自然光转化为圆偏振光，首先必须通过一个偏振器和一块1/4波片，其次必须使起偏器的透振方向与1/4 波片的光轴成45o 角。 透振方向与光轴成 45o角的一个起偏器和一个 1/4波片的串接组合圆偏振器。 自然光通过圆偏振器后就转化成圆偏振光。,69,5.8 偏振态的实验检验,偏振光有五种不同的偏振态，它们对于人眼看起来是一样的，要决定光束的偏振态，必须借助于检偏器。,70,使用一块偏振片(尼科耳), 再附加一块 波片 ,可鉴别五种偏振态.,71,(续表),72,5.9 偏
14、振光的干涉,一、偏振光干涉的实验装置 二、线偏振光干涉的强度分布,73,一、偏振光干涉的实验装置,P1 ：把自然光转变为线偏振光.d ：分解光束(将入射线的偏振光分解成振动方向互相垂直的o光和e光)和相位延迟。P2 ：把两束光(o光和e光)的振动引导到相同方向上。,74,二、线偏振光干涉的强度分布, ：P1的透振方向与波片光轴 y 的夹角；：P2的透振方向与波片光轴 y 的夹角； ：从P2出射的两束光之间的相位差.,75,76,刚进入波片表面时，o光和e光的相位相等，,77,干涉相长：,干涉相消：,78,(1)P1和P2的透振方向互相平行时，,79,(2)P1和P2 的透振方向互相垂直，,+,
15、80,讨论： 1)单色光照射, d 一定, 绕z轴转动波片：,81,2)d一定，I=I() ，即透射光强随波长的不同而变化。,用白光照射时，仍有I/+I=常量，且出现彩色。平行偏振片和正交偏振片显色为互补色 。,显色偏振：偏振光干涉时出现彩色的现象 是检验双折射极为灵敏的方法.,82,作 业,习题： P263 15 、18补充：已知某光的可能是圆偏振光、线偏振光或椭圆偏振光，你如何进行鉴别？,83,小 结,一、五种偏振态：自然光：,.部分偏振光： 偏振度：,通过理想偏振片后，光强减为原来的一半,3.线偏振光：,84,3.线偏振光：,椭圆偏振光：,圆偏振光：,Ay,0, 右旋、顺时针， ve n
16、0 ne,o光振动方向垂直于o光主平面. e光振动方向平行于e光主平面.,87,四、偏振器件：尼科耳棱镜：可以作为起偏器，也可以作检偏器。沃拉斯顿棱镜：产生两束振向相互垂直的线偏光波片:, 片：, 片：, 片：,88,1) 1/2波片不改变偏振态种类,但前后振动关于光轴对称,= ,常用波晶片对偏振态的影响(对照图5-22):,89,常用波晶片对偏振态的影响(对照图5-22):,2) 1/4波片不改变斜椭圆偏振态,= /2,90,全波片对偏振态无影响.4) 任意波片对振动方向沿快慢轴的线偏无影响, 任意波片对自然光和部份偏振光无影响,常用波晶片对偏振态的影响(对照图5-22):,91,使用一块偏
17、振片(尼科耳), 再附加一块 波片 ,可鉴别五种偏振态.,五：偏振光的检验：,92,(续表),93,六、偏振光的干涉：,所以：,其中：,94,讨论题,区别横波与纵波的最明显标志是什么？2. 光有几种可能的偏振态？3. 你能说出几种获得线偏振光的方法？4. 马吕斯定律和布儒斯特定律的内容？5. 线偏振光的数学表达式为何？6. 椭圆偏振光的数学表达式为何？7. 圆偏振光的数学表达式为何？,95,8. 什么是双折射？如何确定o,e光的传播方向和振动方向. 常用的波片有哪几种？各对偏振态有何影响？ 怎样检验五种偏振态？12.干涉分哪几类？11.实现偏振光的干涉装置？各元件分别起什么作用？12 线偏振光
18、干涉强度分布的数学表达式为何？,96,讨论题答案,1. 答：区别横波与纵波的最明显标志是偏振。2. 答：光有五种可能的偏振态：自然光、线偏振 光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。 3. 答：获得线偏振光的方法主要有三类： 利用二向色性(偏振片)、 利用布儒斯特定律(反射起偏、透射起偏) 利用双折折射(尼科耳棱镜、傅科棱镜、沃 拉斯顿棱镜)。4. 答：马吕斯定律和布儒斯特定律：,97,5. 答：线偏振光的数学表达式为：,6. 答：椭圆偏振光的数学表达式为：,7. 答：圆偏振光的数学表达式为:,98,8.答：同一束入射光折射后分成两束的现象称为双折射。通过惠更斯作图法可确定o，e光方向和振向(略
19、),常用的波片： /4片，/2片， 片： /4片：能把圆偏振光线偏振光；也能使线偏振光椭圆、圆、线偏振光。它不改变斜椭圆偏振态 /2片：能把左旋圆偏振光右旋圆偏振光；线偏光入射线偏振光,但2. 即:不改变偏振态种类,但前后振动关于光轴对称 片： 入射线偏振光线偏振光。即:全波片对偏振态无影响.,99,9.答：使用一块偏振片(尼科耳), 再附加一块 波片 ,可鉴别五种偏振态(略)。 10.答：干涉有分波面干涉(杨氏)、分振幅干涉(等倾、等厚)和分振动面干涉（偏振光干涉）三类。11.答：P1：起偏；d：分解光束并产生；P2：取出平行分量。,100,12.答：线偏振光干涉强度分布的数学表达式为：,101,完,谢谢大家！,
