物理光学专题知识讲座省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

物 理 光 学(6-2)(6-2)华中科技大学光电学院华中科技大学光电学院王英王英第1页hSP1P2晶片通光轴通光轴DDxyP2P1DD21DBACDE图6272 偏振和通光轴关系O6.2.7 偏振光干涉两束满足干涉条件偏振光在叠加区域内产生干涉条纹现象叫偏振光干涉现象。用途：检验晶片参数第2页6.2.7.1平行偏振光干涉1、试验装置aP1起偏器自然光bP2检偏器yx晶片偏振光干涉现象：在两偏振片P1，P2之间插入一块厚度为d波晶片，三元件平面彼此平行，光线正入射到这一系统上，直接用眼睛或屏幕观察其强度随各元件取向改变。第3页波晶片波晶片:单轴晶体表面与晶体光轴平行晶片；给定快轴快轴；轴定义:负单轴：正单轴：ydx光轴光轴振动方向与光轴垂直，o光振动方向与光轴平行，e光第4页2 原理分析设晶片快慢轴分别为沿x轴和y轴方向。起偏后线偏振光：E=a exp(ikz)则：它在晶体快慢轴上投影分别为：这两个分量经过晶片后位相差为xyP1ExEya椭圆偏振光椭圆偏振光第5页椭圆偏振光椭圆偏振光沿P2透光轴分量能透射出来。则透射光复振幅可表示为：xyP1P2ExEybEE”第6页此两透射出检偏器光束满足干涉条件，能够干涉I与，相关当给定，I伴随，改变而改变。第7页1、当第一项与晶片参数无关。是在不存在晶片条件下由马吕斯定律决定背景光。第二项代表了因为晶片各向异性所引发干涉效应。它与光波波长及晶片厚度相关。第8页利用此装置可得到以下试验现象：v当波片厚度均匀时，单色光入射，屏幕上照度是均匀，转动任何一个元件，屏幕上强度都会改变；v白光入射时，屏幕上出现彩色，转动任何元件时，屏幕上颜色发生改变；v若波晶片厚度不均匀（如尖劈状），屏幕上出现干涉条纹。v用一块透明塑料代替波晶片，可能有干涉条纹，也可能没有，但给塑料加应力后，就出现干涉条纹，条纹随所加应力大小而改变。能够经过等厚干涉效应，了解待测晶片均匀性。能够经过等厚干涉效应，了解待测晶片均匀性。第9页6.2.7.2 会聚偏振光干涉：采取会聚偏振光照射晶片，能同时看到全部入射角下干涉现象。v轴上光没有双折射,不干涉；v斜入射光产生o双折射e光,出现干涉;v不一样入射角，oe在M上是等倾圆环,等色线；P1L21晶片L31P2L4M第10页第11页第12页第13页 Frequency changed through optical nonlinear effects to generation new frequency.What does the index of refraction mean?Linear Region:Efield nBneABCD第37页680710光轴S1770130自然光v利用双折射将自然光分成寻常光和非常光v利用全反射把寻常光反射到棱镜壁上，只让非常光经过棱镜,nonBnev孔径角约为140v不适合用于高度会聚或发散光束v入射光束与出射光束不在一条直线上第38页eO吸收层2.2.格兰棱镜格兰棱镜v端面与底面垂直v光轴既平行于端面，也平行于斜面，即与图面垂直v两块方解石：（1）可用加拿大树胶胶合；（2）也可用空气层代替；只是角不一样而已：v有胶合层=76030,孔径角130v无胶合层=38.50,孔径角7.50v有胶合层缺点：（1）树胶对紫外吸收很厉害（2）易被大功率激光所破坏no(1.6584)n(1.55)ne(1.4864)第39页ABCDOe光轴方向3.3.渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜v由两直角棱镜组成，材料“方解石”（或水晶）v特点：两光轴相互垂直。v功效：能产生两束相互分开、振动方向相互垂直线偏光。v原因：进入第一晶体和第二晶体线偏光中寻常光与非常光交换。不大时，出射两光线对称法线，夹角：第40页6.3.2 6.3.2 波片（波晶片，位相延迟片）波片（波晶片，位相延迟片）v波片是单轴晶体表面与晶体光轴平行晶片；给定快轴快轴；负单轴：正单轴：ydx光轴光轴AAoAea a光轴光轴P振动方向与光轴垂直，o光振动方向与光轴平行，e光第41页v传输方向不变，波片内速度不一样；v波片厚度d，则o光和e光经过波片光程不一样，出射产生位相差。即两个垂直偏振光位相差。v如：正单轴ydxAAoAea a线偏振光线偏振光光轴光轴AAoAea a光轴光轴P第42页1.1.1/41/4波片：波片：从线偏振光取得椭圆或圆偏振光（或相反）从晶片出射是两束传输方相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差偏振光，它们合成为一束椭圆偏振光。2a12a2y第43页2.2.1/21/2波片（半波片）：波片（半波片）：v椭圆偏振光不改变端点轨迹，但改变旋向。v线偏振光：光矢量方向改变，原与快轴夹角角将向快轴方向转过2 角。a aa aA0入入A0出出A入入A出出Ae入入=Ae出入出入光轴光轴第44页3.3.全波片全波片：v注：所谓1/4波片，半波片，全波片都是针对某一特定波长而言，故上述关系都只对某一特定波长成立。三、赔偿器：三、赔偿器：v波片只能产生固定位相差，赔偿器能够产生连续改变位相差。第45页vo tve t 负晶体负晶体(vo ve)vo tve t光轴光轴 负晶体负晶体(vo ve)进入下层，o，e光交换第46页 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）线偏振光线偏振光 I不变不变线偏振光线偏振光I变变,有消光有消光以入射光方向为轴以入射光方向为轴 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光部分偏振光线偏振光线偏振光 偏振片（转动）偏振片（转动）线偏振光线偏振光I变变,有消光有消光 部分部分偏振光偏振光光光轴轴平平行行最最大大光光强强或或最最小小光光强强方方向向放放置置或或光轴平行椭圆偏振光长轴或短轴放置光轴平行椭圆偏振光长轴或短轴放置线偏振光线偏振光I变变,无消光无消光用四分之一波片和偏振片用四分之一波片和偏振片P P可区分出自然光和圆偏可区分出自然光和圆偏振光或部分偏振光和椭圆偏振光振光或部分偏振光和椭圆偏振光第47页6.3.4 偏振器件矩阵表示：偏振光经过偏振器件后，偏振态会发生改变。偏振器件琼斯矩阵就是变换矩阵。琼斯表示法最主要应用，在于计算偏振光经过偏振器后偏振态改变。设入射光光矢量为 经过偏振器出射光矢量为 偏振器G起着Ei和Et之间变换作用。偏振器件EiEtG第48页一个偏振器件特征能够用矩阵G来描述。矩阵G称为该器件琼斯矩阵线性光学范围第49页若偏振光相继经过几个偏振器，它们琼斯矩阵分别为G1,G2,Gn,则出射光琼斯矢量可由矩阵相乘得到。即偏振器件G1EiEt=GnG2G1Ei偏振器件G1偏振器件G1G1EiG2G1Ei第50页1、与x轴夹角线偏振器xy透光轴A1A1cosB1sinB1y分量B1透过偏振器振幅R2=B1sinX:R2cosY:R2sinX分量A1透过偏振器振幅R1=A1cosX:R1cosY:R1sin输入输出xy透光轴A2R1sinR1cosB2第51页例2、快轴x夹角d位相延迟波片xy快轴A1A1cosB1sin慢轴B1A1sin-B1cos输入A1,B1在快慢轴上分量R1,R2慢轴分量d位相延迟R1,R2输出A2,B2R1,R2各自在x,y轴上分量之和第52页xy快轴A1A1cosB1sin慢轴B1A1sin-B1cos进入波片（坐标变换）：出波片：（相位延迟）G1第53页快轴与x夹角d位相延迟波片琼斯矩阵：第54页6.3.56.3.5、琼斯矩阵本征矢量、琼斯矩阵本征矢量琼斯矩阵本征矢量，代表一个特殊偏振态，是一个经过该器件后偏振态不变矢量。是指满足以下条件特殊矢量v是一个复常数，称为本征值。表示本征矢量在经过该器件后振幅变成原来倍h，位相改变了f。第55页6.5晶体非线性光学效应晶体非线性光学效应线性光学：当E不是很大时，介质极化正比于E；非线性光学：当E很大时，介质极化正比于E，E2,E3；,2,3分别是一阶、二阶、三阶极化率。第56页第57页非线性光学系数各向异性晶体中，一个方向光场不但引发该方向极化，而且还引发其它两个方向极化。所以就是一个把P和E联络起来二阶张量。线性极化（9）：同理：非线性二次极化（27）：非线性高次极化：第58页倍频效应：倍频效应：设晶体内有两列光波：第59页说明二次效应包含：和频、差频、基频倍频。第60页频率为1与2二束光作用于介质，引发介质二阶非线性极化，产生频率为3=1+2极化波。在L 处产生光强为：式中，k=k3-k1-k2。v入射光强给定后，I 3与非线性介质几何性质、光学性质相关；同时还与k相关。v k=0为相位匹配条件。相当于相互作用光波动量守恒。v倍频情况：k3=2k1第61页普通而言，因为材料色散，n1=n2 条件是不存在，除非采取特殊技术.如：利用晶体双折射，气体中反常色散特征以及在波导中利用模色散特征。这里主要讨论讨论晶体双折射方法。单轴晶体中，传输着两个特定偏振态光。其中一个折射率不随传输方向而变，其值总是为n0，一个随传输方向改变，其值n()e 从n0 改变到ne。只要选取适当传输方向，使得n0()=n(,2)e(或n0(2)=n(,)e，便可实现倍频过程中相位匹配。第62页Lets go to next section!第63页