偏振与晶体双折射.pptx
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1、第五章 光的偏振光的偏振 1、阐明自然光、平面偏振光、部份偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光的概念及其检验方法。2、了解由反射、折射和二向色性晶体所产生的偏振;掌握布儒斯特定律的马吕斯定律。3、叙述单晶体双折射的特点,说明惠更斯作图法,阐明几种偏振仪器的作用。4、叙述1/4波晶片的作用,分析平行平面偏振光干涉的条件及其实现的方法。阐明偏振光的干涉及应用。5-1 光的偏振性光的偏振性 马吕斯定律马吕斯定律一一.光的偏振状态光的偏振状态1.1.线偏振光线偏振光E播播传传方方向向振振动动面面面对光的传播方向看面对光的传播方向看线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解EEyEx
2、yx 线偏振光的表示法:线偏振光的表示法: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2.自然光自然光自然光的光矢量在所有可能的方向上自然光的光矢量在所有可能的方向上,且振幅且振幅E相等相等.没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解一一束束自自然然光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、等幅的、不相干的线偏振光。等幅的、不相干的线偏振光。自然光的表示法:自然光的表示法:3.部分偏振光部分偏振光某一方向的光振动比与之相垂直方向的光振动占优某一方向的光振动比与之相垂直方向的光振动占优势的光势的光.部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光部部
3、分分偏偏振振光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、不不等幅的、不相干的线偏振光等幅的、不相干的线偏振光.部分偏振光的表示法:部分偏振光的表示法:垂直板面的光振动较强垂直板面的光振动较强平行板面的光振动较强平行板面的光振动较强4.圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光偏振面随时间旋转的光为圆或偏振面随时间旋转的光为圆或椭圆偏振光椭圆偏振光.迎着光线看迎着光线看,光矢量顺时针旋转为右旋偏振光光矢量顺时针旋转为右旋偏振光.右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光 y yx z传播方向传播方向 /2x某时刻左旋圆偏振光某时刻左旋圆偏振光E随随z的变化的变化E01.起偏和检偏起偏和检偏
4、2.偏振片偏振片二二.偏振片的起偏和检偏偏振片的起偏和检偏 如利用某些物质能吸收某一方向的光振动如利用某些物质能吸收某一方向的光振动,而让而让与这个方向垂直的光振动通过的性质与这个方向垂直的光振动通过的性质(二向色性二向色性)制制成起偏器成起偏器.检偏检偏:检验偏振光检验偏振光,起偏器也就是检偏器起偏器也就是检偏器.起偏起偏:从自然光获得偏振光从自然光获得偏振光.起偏原理起偏原理:利用某种光学的不对称性利用某种光学的不对称性.起偏器起偏器:起偏的光学器件起偏的光学器件.这种起偏器叫偏振片这种起偏器叫偏振片.非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光光轴光轴电气石晶片电气石晶片3.起偏示意图起偏示意图自然
5、光自然光I0线偏振光线偏振光 IP 偏振化方向偏振化方向(透光方向透光方向)4.4.检偏检偏用偏振器件分析、检验光的偏振态用偏振器件分析、检验光的偏振态.偏振化方向偏振化方向(透光方向透光方向)I?P待检光待检光思考思考:I不变不变?是什么光?是什么光I变,有消光变,有消光?是什么光?是什么光I变,无消光变,无消光?是什么光?是什么光当偏振片旋转时当偏振片旋转时.I0IPP E0 E=E0cos 消光消光马吕斯定律马吕斯定律(18091809)三三.马吕斯定律马吕斯定律例题例题 有两个偏振片有两个偏振片,一个用作起偏器一个用作起偏器,一个用作检偏器一个用作检偏器.当它们的偏振化方向之间的夹角为
6、当它们的偏振化方向之间的夹角为30时时,一束单色自一束单色自然光穿过它们然光穿过它们,出射光强为出射光强为I1;当它们的偏振化方向之间当它们的偏振化方向之间的夹角为的夹角为60时时,另一束单色自然光穿过它们另一束单色自然光穿过它们,出射强度出射强度为为I2,且且I 1=I2.求两束单色自然光的强度之比求两束单色自然光的强度之比.I10I10/2I1同理同理:取取 I1=I2两束单色自然光的强度比为两束单色自然光的强度比为:解解:由马吕斯定律由马吕斯定律i=i0 0 时,反射光只有时,反射光只有垂直于入射面的光振垂直于入射面的光振动动.自自然然光光反反射射和和折折射射后产生后产生部分偏振光部分偏
7、振光n1n2i ir线偏振光线偏振光n1n2i0i0r0S起偏振角起偏振角5-2 5-2 反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振 一一.反射时光的偏振反射时光的偏振且且布儒斯特定律布儒斯特定律(1812年年)i 0 0布儒斯特角或起偏角布儒斯特角或起偏角有有:i0 0+r0 0=90=90O O 由由 若若 n1 1 =1.00(=1.00(空气空气),n2 2=1.50(=1.50(玻璃玻璃),则:则:二二.玻璃片堆折射的偏振玻璃片堆折射的偏振当当i=i0 0时时自然光从空气自然光从空气玻璃玻璃玻璃片堆玻璃片堆i0(接近线偏振光接近线偏振光)I I05-3 双折射双折射 偏振棱镜偏振棱镜一一.
8、双折射的概念双折射的概念1.双折射现象双折射现象一束光线进入某种晶体一束光线进入某种晶体,产生两束折射光叫双折射产生两束折射光叫双折射.方解石方解石oee o n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光2.寻常光寻常光(o光光)和非寻常光和非寻常光(e光光)o o光光 :遵从折射定律遵从折射定律e e光光 :一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律3.晶体的光轴晶体的光轴 当当光光在在晶晶体体内内沿沿某某个个特特殊殊方方向向传传播播时时不不发发生生双双折折射射,该方向称为晶体的,该方向称为晶体的光轴光轴。例如,方解石晶体例如,方解石晶体(冰洲石冰洲石)光轴是一特殊的方向
9、光轴是一特殊的方向,凡平行于此方向的直线均为光轴凡平行于此方向的直线均为光轴.AB光轴光轴102主主截截面面:晶晶体体表表面面的的法法线线与与晶晶体体光光轴轴构构成成的的平平面面.如如图入射时图入射时,入射面就是主截面入射面就是主截面.4.主平面和主截面主平面和主截面e e光折射线也不一定在入射面内光折射线也不一定在入射面内.10971法线法线入射线入射线主截面主截面光轴光轴主平面主平面:晶晶体体中中光光的的传传播播方方向向与晶体光轴构成的平面与晶体光轴构成的平面.一般情况下一般情况下,o主平面与主平面与e主平面是不重合的主平面是不重合的.实验表明实验表明:o光是光矢量与光是光矢量与o主平面垂
10、直的线偏振光主平面垂直的线偏振光.4.主平面和主截面主平面和主截面光轴光轴光轴光轴e e光是光矢量与光是光矢量与e e主平面平行的线偏振光主平面平行的线偏振光.当光轴在入射面内时当光轴在入射面内时,主截面主截面,o主平面主平面,e主平面都重合主平面都重合.o光光法线法线e光光法线法线o光光e光光二二.惠更斯原理对双折射的解释惠更斯原理对双折射的解释1.1.晶体的主折射率,正晶体、负晶体晶体的主折射率,正晶体、负晶体vo t光轴光轴 在在双双折折射射晶晶体体中中,o o光光沿沿各各向向传传播播的的速速度度相相同同,故故o o波波波波面面为为球球面面;e e光光沿沿各各向向的的传传播播速速度度不不
11、同同,e e波波面为椭球面面为椭球面.两者沿光轴方向传播速度相同两者沿光轴方向传播速度相同.o光光:光轴光轴ve tvo t 正晶体正晶体 :ne no负晶体负晶体 :ne e ve)负晶体负晶体(vo ve)子波源子波源(ve vo o)e光光:n0 0,ne称为晶体的主折射率称为晶体的主折射率e波面波面 5-4 光在晶体中的波面及传播光在晶体中的波面及传播光轴光轴eO正晶体正晶体光轴光轴负晶体负晶体o波面波面正晶体正晶体负晶体负晶体OeCAB一一.尼科耳棱镜尼科耳棱镜ABCD102A(D)B(C)由方解石切由方解石切割再用树胶割再用树胶粘合而成粘合而成.尼科耳棱镜工作原理尼科耳棱镜工作原理
12、:自然光在自然光在AB面折射为面折射为o光和光和e光光,o光以约光以约76入射到入射到AC的加拿大树胶层上的加拿大树胶层上.被被AC面全反射面全反射.只有只有e光出射光出射,产生偏振光产生偏振光.5-6 偏振元件偏振元件o光光:而而i=76 69,全反射全反射.例题例题.两尼科耳棱镜的主截面间的夹角由两尼科耳棱镜的主截面间的夹角由30转到转到45.(1)当入射光是自然光时当入射光是自然光时,求转动前后透射光的强度之求转动前后透射光的强度之比比;(2)当入射光是线偏振光时当入射光是线偏振光时,求转动前后透射光求转动前后透射光的强度之比的强度之比.(1)入射光为自然光夹角为入射光为自然光夹角为30
13、时时夹角为夹角为45时时所以所以(2)入射光为线偏振光入射光为线偏振光夹角为夹角为30时时解解:尼科耳棱镜出射为振动面在主截面内的线偏振光尼科耳棱镜出射为振动面在主截面内的线偏振光.主截面即偏振化方向主截面即偏振化方向.夹角为夹角为45时时所以所以二、渥拉斯顿棱镜:二、渥拉斯顿棱镜:将两个直角的方解石棱镜沿斜边胶合起来。将两个直角的方解石棱镜沿斜边胶合起来。AB光在第一棱镜中不分开,但光线垂直于光轴,因而两束光传播光在第一棱镜中不分开,但光线垂直于光轴,因而两束光传播速度不同。第二棱镜的光轴垂直于第一棱镜,所以第一棱镜中速度不同。第二棱镜的光轴垂直于第一棱镜,所以第一棱镜中的的E光为第二棱镜中
14、的光为第二棱镜中的O光,由于光,由于none,相当于光由光疏介质入相当于光由光疏介质入射光密介质,折射线近法线;射光密介质,折射线近法线;而第一棱镜的而第一棱镜的O光为第二棱镜光为第二棱镜中的中的e光,相当于光由光密介光,相当于光由光密介质入射光疏介质,折射线远质入射光疏介质,折射线远离法线如图所示。离法线如图所示。三、波晶片三、波晶片 一一块块表表面面平平行行的的单单轴轴晶晶体体,其其光光轴轴与与晶晶体体表表面面平平行行时时,垂垂直直入入射射的的o o光光和和e e光光沿沿同同一一方方面面传传播播,我我们们把把这这样样的的晶体叫波晶片。晶体叫波晶片。光在真空中波长光在真空中波长 当两束光射出
15、晶体面,当两束光射出晶体面,1 1、四分之一波片、四分之一波片 (1)(1)定定义义:能能使使o o光光和和e e光光的的光光程程差差等等于于 的的晶晶片片称称四四分之一波片分之一波片 (2)(2)四分之一波片的厚度四分之一波片的厚度 正晶体正晶体 (3)(3)作用:产生附加位相差,作用:产生附加位相差,平面偏振光经,平面偏振光经1/41/4波片后,出射光是正椭圆偏振光波片后,出射光是正椭圆偏振光 讨论:讨论:(1 1)四分之一波片的厚度是波长的函数)四分之一波片的厚度是波长的函数 方解面,对于黄光,方解面,对于黄光,对于蓝光对于蓝光 (2 2)四分之一波片很薄,制造困难)四分之一波片很薄,制
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