大物课件光的偏振

第19章光的偏振19.1自然光和偏振光1线偏振光（完全）线偏振光光波的横波性偏振态平面偏振振动平面光是电磁波，电磁波是横波，光矢量的振动方向总是和光的传播方向垂直，光矢量的振动方向对传播方向而言具有不对称性，称为光的偏振。3部分偏振光2自然光在垂直光传播方向的平面内，光矢量大小在所有可能方向上都相等，各光矢量之间没有固定的位相关系，这种光称为自然光。自然光等效于任意两个互相垂直的、彼此独立的（无确定位相关系）、振幅相等的光振动之和。互相垂直的两方向上的光振动光强各占自然光总光强的一半，即自然光的图示：部分偏振光是介于偏振光和自然光之间的情形，一般地，部分偏振光都可看成自然光和线偏振光的混合。椭圆偏振光:合成椭圆偏振光.圆偏振光:合成光振动矢量末端轨迹是圆。4椭圆偏振光和圆偏振光可以看成频率相同，振动方向互相垂直，且有固定位相差的两列线偏振光的合振动满足椭圆方程：光的光矢量在沿着光的传播方向前进的同时，还绕着传播方向均匀转动。起偏器和检偏器自然光入射到偏振片，透射光为线偏振光。透射线偏振光光矢量的振动方向为通光方向，或透光轴，也叫偏振化方向。1.起偏器和检偏器起偏器：能产生线偏振光的装置。检偏器：能检验线偏振光的装置起偏器也可作为检偏器检偏：旋转检偏器，每转过90o交替出现极大和消光，则入射光为线偏振光。19.2起偏和检偏马吕斯定律2.二向色性——产生线偏振光方法之一对互相垂直的两个光振动有选择吸收的这种性能。称为二向色性3.马吕斯定律透过光振幅A是入射振幅Ao在透光轴上的投影，即起偏器和检偏器二向色性则透过的线偏振光的光强I与入射线偏振光光强Io的关系为….马吕斯定律式中α为入射光振动方向与透光轴的夹角。1.布儒斯特定律——产生线偏振光的方法之二自然光在两种各向同性介质分界面反射和折射时，一般情况反射光和折射光都将成为部分偏振光。19.3反射和折射起偏布儒斯特定律应用：立体电影=在以特殊的入射角i0入射时，反射光成为完全偏振光，其光振动方向垂直入射面。当以起偏角i0入射时，反射线与折射线互相垂直，即入射角i0为起偏角，或布儒斯特角....布儒斯特定律推论：由布儒斯特定律由折射定律比较上面两式，得1）.玻璃片堆自然光以起偏角i0入射时，反射光皆为振动方向垂直入射面的线偏振光，总的反射光强增大，而折射光也近似成为完全线偏振光。玻片堆关于反射光的光强：当自然光以起偏角i0入射时，反射光虽然是完全偏振的，但光强较弱。例如，自然光以i0由空气射入玻璃，平行入射面的光振动全部被折射；垂直入射面的光振动约85%也被折射，反射的只占约15%,仅占入射光总能量的7%。2.布儒斯特定律应用3）.测量不透明介质的折射率，如珐琅，釉质等在水边照相时，水面的反射光很强，因是偏振光，用偏振镜减少入射光。2）.偏振滤光镜例2:让入射的线偏振光依次通过偏振片Ｐ1和Ｐ2．Ｐ1和Ｐ2的偏振化方向与原入射光光矢量振动方向的夹角分别是α和β．欲使最后透射光振动方向与原入射光振动方向互相垂直，并且透射光有最大的光强，问α和β各应满足什么条件？解:(1)见图，只有让β＝90°，才能使通过Ｐ1和Ｐ2的透射光的振动方向（A2）与原入射光振动方向（A0）互相垂直，即β＝90°。A0P1P2(2)据马吕斯定律，透射光强Ｉ＝（Ｉ0ｃｏｓ2α）ｃｏｓ2（90°－α）＝Ｉ0ｃｏｓ2αｓｉｎ2α＝Ｉ0ｓｉｎ2（２α）／４欲使Ｉ为最大，则需使２α＝90°，即α＝45°例3：有三个偏振片堆叠在一起，第一块与第三块的偏振化方向相互垂直，第二块和第一块的偏振化方向相互平行，然后第二块偏振片以恒定角速度绕光传播的方向旋转，如图所示。设入射自然光的光强为I0。试 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ：此自然光通过这一系统后，出射光的光强为I=I0(1-cos4t)/16.p1p2p3I0I解:经过P1,光强由I0变为I0/2P2以转动,P1,P2的偏振化方向的夹角=tP2以转动,P2,P3的偏振化方向的夹角=/2-t例4：一块玻璃的折射率为n=1.55一束自然光以角入射到玻璃 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面，求角为多少时反射光为完全偏振光？证明在下表面反射并经上表面透射的光也是完全偏振光。解：根据布儒斯特定律由折射定律：可得：n1n2n1角满足布儒斯特定律一.晶体的双折射现象一束光射入各向异性的晶体，折射光分成两束的现象，叫双折射现象1.晶体的光轴——产生线偏振光的方法之三双折射的两束光都是完全线偏振光。其中一束遵守折射定律，叫寻常光（o光）；另一束一般不遵守折射定律，叫非常光（e光）。二.晶体光学性质简介晶体内部的一个特殊方向，称为晶体的光轴。19.4晶体双折射偏振棱镜图方解石晶体光轴图o光和e光光振动方向和光轴的夹角决定光束在晶体中的传播速度。晶体界面的法线与晶体光轴所构成的平面称为晶体的主截面。o光：光振动方向始终与光轴垂直，o光在晶体中的传播速度和折射率恒定，因而遵守折射定律。只有一个光轴的晶体称为单轴晶体，有两个光轴的晶体称为双轴晶体，下面仅讨论单轴晶体。晶体中某光线的传播方向和晶体光轴方向构成的平面，叫做该光线的主平面。e光：光振动方向和光轴夹角在晶体中发生变化，传播速度和折射率也随之改变，因而不遵守折射定律。2.晶体的主截面3.主平面o光的振动方向垂直主平面，所以始终与光轴垂直。当入射光在主截面内，即入射面与主截面重合时，o光和e光的主平面重合，都在主截面内。e光的振动方向在主平面内，因而传播方向改变，其振动方向和光轴夹角也随之变化。4.晶体的主折射率正晶体与负晶体①o光的速度为vo，o光的折射率为e光在垂直光轴方向的速度，即e光的振动方向与光轴平行时的速度用ve表示，此时e光的折射率为称no和ne为晶体的主折射率。光轴方向负晶体O光e光②正晶体：即的晶体，如石英、碳、冰等。负晶体：即的晶体，如方解石、红宝石、白云石等。三.用惠更斯作图法说明双折射现象图(b):光沿光轴传播时,不发生双折射.e光,o光传播方向与传播速度相同.图(c)光轴平行于晶体表面时:e光,o光传播方向相同,但速度不同;e光振动方向平行于光轴,o光振动方向垂直于光轴.四.1/4波片和1/2波片光轴和其表面平行的晶体薄片，称为晶片。线偏振光垂直入射到晶片上，晶体中的o光和e光虽然传播方向相同，但经过波片后，o光和e光产生光程差:式中d为晶片厚度位相差:1.1/4波片晶片厚度满足关系式的晶片称为1/4波片。2.1/2波片晶片厚度满足的晶片称为1/2波片。五.偏振棱镜加拿大树胶n=1.55方解石主折射率no=1.6584,ne=1.4864一.椭圆偏振光和圆偏振光的产生1.椭圆偏振光的产生自然光—起偏器—1/4波片—椭圆偏振光oeEoEe起偏器波片自然光oed2.圆偏振光的产生：自然光—起偏器—1/4波片—圆偏振光（1/4波片光轴与入射线偏振光的振动面成45o角）19.5圆偏振光和椭圆偏振光二.偏振光的获得和检验1.偏振光的获得1)线偏振光：2)椭圆偏振光：从自然光获得线偏振光，用起偏器、波片、玻片堆、偏振片、尼科耳棱镜等。自然光通过起偏器和一个波片即可。2.检验偏振光设入射光有以下五种：自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。第一步第二步令入射光通过偏振片I，改变I的透振方向，观察透射光强变化。观察现象观察现象结论结论有消失线偏振光有消失圆偏振光无消失自然光强度无变化自然光或圆偏振光a.令入射光依次通过四分之一波片和偏振片II，改变II的透振方向P2，观察透光强度变化。有消失无消失椭圆偏振光部分偏振光强度有变化，但无消光部分偏振光或椭圆偏振光b.四分之一波片的光轴方向必须与椭圆主轴重合。偏振光的干涉为分振动面干涉，它把某一点的光矢量沿互相垂直的两方向分解，两分振动经过不同的光程相遇后，再设法把光振动引入同一方向上来，而产生干涉。一.偏振光干涉装置两偏振片中间再放一波片就构成偏振光干涉装置。1.偏振片p1：产生线偏振光。2.波片:①分振动面:把入射的线偏振光分解为o光e光；②位相延迟:o光和e光射出波片时，产生位相差3.偏振片p2：把波片中射出的o光和e光再引到同一方向上来。19.6偏振光的干涉二.偏振光的干涉原理A1AeAoA2eA2op1p2Cα如图所示，p1、p2表示两正交偏振片的偏振化方向，C表示晶片光轴方向。在p1、p2正交时两相干光总的位相差上式等号右边第一项是通过晶片产生的，第二项为由几何投影产生的附加位相差，有无这一项由p1和p2的夹角具体而定。当加强减弱k=1,2,...或加强减弱k=1,2,...干涉结果与光的波长、晶片厚度及晶片主折射率差三者都有关系。①用单色光入射时，当晶片厚度不均匀，视场出现干涉条纹，当晶片厚度均匀，则无干涉条纹。②当白光入射，晶片厚度一定，视场将出现一定的彩色，这种现象称为色偏振。一些各向同性的非晶体或液体，在人为条件下，变成各向异性，因而产生双折射现象称为人工双折射。一.应力双折射（光弹效应）在内应力或外机械应力作用下，非晶体物质产生各向异性而产生的双折射现象。二.电光效应非晶体或液体在强外电场作用下产生的双折射现象。19.7光弹效应和电光效应a）克尔效应：折射律差值和电场强度平方正比：电压U变化，光程差δ随之变化，从而使透过p2的光强也随之变化。克尔效应的产生和消失所需时间极短，约为10-9s，因此可做成几乎没有惯性的光断续器，广泛应用于高速摄影、激光通信和电视等装置中。19.8旋光现象线偏振光沿一些晶体光轴方向通过，或线偏振光通过一些液体时，其偏振面会发生旋转，这种现象叫旋光现象。一.晶体和液体的旋光性b）泡克耳斯效应：线性电光效应。材料：磷酸二氢钾（KDP晶体)、铌酸锂（LiNbO3)、砷化镓（GaAs)1.对晶体：线偏振光偏振面转过的角度θ与光线在晶体中通过的路程l成正比，即例如，石英对λ=589nm黄光，α=21.75o/mm,对λ=408nm紫光α=48.9o/mm。不同晶体旋光率不同，同种晶体旋光率还与波长有关，称为旋光色散。式中α为旋光率。2.对溶液:蔗糖水溶液在20oC时，对λ=589nm的黄光，其旋光率为偏振面转过的角度θ与光线在液体中通过的路程l成正比，也和溶液的浓度C成正比，即式中α’为液体或溶液的旋光率。二.磁致旋光左旋右旋样品长度磁感应强度费尔德常数利用磁致旋光的这一特点，可制成光隔离器，即只允许光从一个方向通过，而不能反向通过的光阀门。光的偏振视频例6:用自然光源以及起偏器和检偏器各一件，如何鉴别下列三种透明片：偏振片，半波片和1/4波片。Nx（1）（1）先鉴别出偏振片：如图（1）放置。绕轴旋转N，若转到某一角度无光透出，则X为偏振片。（2）在余下两片中鉴别出1/2波片如图放置。自然光经起偏器M后成为线偏振光。设该线偏振光的振动方向与波片X的光轴夹角为θ，半波片使入射线偏振光变为振动方向转过2θ的出射线偏振光。因此，当X绕轴转到不同位置时，皆在Ｎ绕轴转动到某一位置时，无光从N透出，则X为半波片。解：M,N为已知的起偏器和检偏器，x为待检片。另一个为1/4波片。MXNp1eo例7：一方解石晶体的表面与其光轴平行，放在偏振化方向相互正交的偏振片之间，晶体的光轴与偏振片的偏振化方向成450角。试求：（1）要使=500nm的光不能透过，则晶片的厚度至少多大？（2）若两偏振片的偏振化方向平行，要使=500nm的光不能透过，晶片的厚度又为多少？已知晶片的no=1.658,ne=1.486.解：（1）如图（a)所示，要使光不透过检偏器，则通过检偏器的两束光须因干涉而相消，通过p2时两光的光程差为由干涉条件，P2P1G450(a)当k=1时，镜片厚度最小，为（2）图（b)可知，当p1，p2平行时，通过p2的两束光没有附加相位差，因而有当k=0时，此时晶片厚度最小，P2P1G450(b)例8:一块厚0.025mm的方解石晶片，其表面与光轴平行，放置在两正交偏振片之间。从第一块偏振片射出的线偏振光垂直入射在晶片上，振动方向与晶片光轴方向成45o角。试问在透过第二块偏振片的光可见光谱（400~700nm)中，缺少那些波长？如果两块偏振片的透振方向互相平行，则透射光中缺少那些波长？假定双折射率no-ne=0.172可看作常量。NNMMCCA1AoAeA2eA2o透过N的两相干光位相差为（2k+1)π时相消，即解：第一种情况：两偏振片M和N正交，晶片C与M,N透光轴成45o角，如图。满足上式的波长λ即在透射光中缺少的光波波长，在400~700nm的可见光范围内，有：第二种情况：M,N平行（将没有附加光程差）M,NCA1AeAoA2e,A2o透过N的两相干光相消时，有在400~700nm的可见光范围内：