复旦大学《大学物理》课件-光的偏振(1).pptx

2 一一、自然光和自然光和偏振光偏振光 一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的等幅的、不相干不相干的光振动的光振动。自然光的表示法：自然光的表示法：光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上，既有既有时间分布的均匀性时间分布的均匀性，又有空间分布的均匀性又有空间分布的均匀性。1.1.自然光自然光 3 振动面振动面：光的振动方向与光的传播方向构成的平面。：光的振动方向与光的传播方向构成的平面。偏振偏振:波波的振动方向相对传播方向的不对称性。的振动方向相对传播方向的不对称性。光矢量光矢量 振动面振动面 v 0 H E 光的偏振态光的偏振态:光矢量在与光传播方向垂直的光矢量在与光传播方向垂直的 平面内的振动状态。平面内的振动状态。2.线偏振光和线偏振光和部分偏振光部分偏振光 偏振方向偏振方向:光矢量光矢量 的方向的方向 4 光波的光矢量方向始终不变，光波的光矢量方向始终不变，只沿一个固定方向振动。只沿一个固定方向振动。一束一束线偏振光线偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的等幅的、相干相干的线偏振光的线偏振光。E Ey Ex y x 线偏振光线偏振光(完全偏振光完全偏振光)E 播播 传传 方方 向向 振振 动动 面面 5 线偏振光的表示法：线偏振光的表示法：光振动平行板面光振动平行板面 光振动垂直板面光振动垂直板面 6 部分偏振光部分偏振光是是自然光与自然光与线偏振光线偏振光的混合的混合 部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的不等幅的、不相干不相干的线偏振光的线偏振光。部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法：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 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 7 偏振度：偏振度：讨论：讨论：部分偏振光部分偏振光 自然光自然光 完全偏振光完全偏振光 自然光强度自然光强度 完全偏振光强度完全偏振光强度 8 椭圆偏振光椭圆偏振光：光矢量末点的运动轨迹是正椭圆或斜：光矢量末点的运动轨迹是正椭圆或斜 椭圆。在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向椭圆。在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向 旋转的称为左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为旋转的称为左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为 右旋偏振光。右旋偏振光。圆偏振光圆偏振光 3.椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光 线偏光线偏光 椭圆偏振光椭圆偏振光 9 椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光，椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光，均可等效均可等效 为两个具有恒定相位差、相同振动频率、振动方向为两个具有恒定相位差、相同振动频率、振动方向 相互垂直的线偏振光。相互垂直的线偏振光。10 二二、起偏和检偏起偏和检偏 起偏起偏：使自然光（或非偏振光）变成线偏振光的过程。：使自然光（或非偏振光）变成线偏振光的过程。检偏检偏：检查入射光的偏振性。：检查入射光的偏振性。透透 光光 轴轴 方方 向向 自然光自然光 偏振片偏振片 线偏振光线偏振光 1 1、偏振片的起偏和检偏、偏振片的起偏和检偏 将待检查的入射光垂直入将待检查的入射光垂直入射偏振片，缓慢转动偏振射偏振片，缓慢转动偏振片，观察光强的变化，确片，观察光强的变化，确定光的偏振性。定光的偏振性。11 线偏振光通过旋转的检偏器，线偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化，有消光现象光强发生变化，有消光现象 12 自然光通过旋转的检偏器，光强不变。自然光通过旋转的检偏器，光强不变。13 部分偏振光通过旋转的检偏器，部分偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化。光强发生变化。14 自然光通过起偏器，成为线偏光自然光通过起偏器，成为线偏光 注意自然光通过偏振片后光强的变化注意自然光通过偏振片后光强的变化 15 I?P 待检光待检光 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 16 如果入射线偏振光的光强为如果入射线偏振光的光强为I1，透过检偏器后，透过检偏器后，透射光的光强透射光的光强I为为 三、三、马吕斯马吕斯定律定律 -线偏振光的振动方向与检偏器的透射轴方向线偏振光的振动方向与检偏器的透射轴方向 之间的夹角。之间的夹角。E1 E1cos 检偏器检偏器 透射轴透射轴 线偏振光线偏振光 振动方向振动方向 消光消光 17 光强的调制。在透振方向正交的起偏器光强的调制。在透振方向正交的起偏器M和检偏器和检偏器 N 之间，之间，插入一片以角速度插入一片以角速度 旋转的理想偏振片旋转的理想偏振片 P，入射自然光强为，入射自然光强为 ,试求由系统出射的光强是多少？试求由系统出射的光强是多少？每旋转偏振片每旋转偏振片P一周，输出光强有“四明四零”。一周，输出光强有“四明四零”。t=00,900,1800,2700时，时，输出光强为零。输出光强为零。t=450,1350,2250,3150时，时，输出光强为输出光强为 。18 四、布儒斯特定律四、布儒斯特定律-反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振 自然光自然光 部分部分 偏振光偏振光 反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化 2nr部分部分 偏振光偏振光 19 这时反射光成为其振动方向垂直于入射面的线偏振光。这时反射光成为其振动方向垂直于入射面的线偏振光。布儒斯特定律布儒斯特定律 反射光的偏振化程度和入射角有关，当入射角等反射光的偏振化程度和入射角有关，当入射角等于某一于某一特定值特定值i0且满足且满足 2n自然光自然光 线偏振光线偏振光 部分偏振光部分偏振光 起偏振角起偏振角 布儒斯特角布儒斯特角 20 利用玻璃片堆产生线偏振光利用玻璃片堆产生线偏振光 ib(接近线偏振光接近线偏振光)玻璃片堆玻璃片堆 最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光 21 方解石晶体 实验一 在在各向同性的介质中各向同性的介质中S是点物是点物S 的象的象 天然的方解石晶体是双折射晶体天然的方解石晶体是双折射晶体 实验二 A B S S 1 1、双折射现象双折射现象 五五、晶体晶体的双折射的双折射 22 光光 光光 当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时 o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转 双双 折折 射射 纸面纸面 方解石方解石 晶体晶体 23 光光 光光 双双 折折 射射 当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时 o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转 纸面纸面 方解石方解石 晶体晶体 24 光光 光光 当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时 o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转 双双 折折 射射 纸面纸面 方解石方解石 晶体晶体 25 光光 光光 当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时 o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转 双双 折折 射射 纸面纸面 方解石方解石 晶体晶体 26 对于各向异性晶体，一束光射入晶体后，可以对于各向异性晶体，一束光射入晶体后，可以观察到有两束折射光的现象。观察到有两束折射光的现象。n1 n2 i ro re(各向异各向异 性媒质性媒质)自然光自然光 寻常光寻常光：对于晶体一切方向：对于晶体一切方向都具有相同的折射率都具有相同的折射率(即波即波 速相同），且在入射面内传速相同），且在入射面内传播，简称它为播，简称它为O光。光。寻常光线寻常光线(o光光)-遵守折射定律遵守折射定律 非常光非常光：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且 不一定在入射面内传播，简称为不一定在入射面内传播，简称为 e 光。光。非常光线非常光线(e光光)-不遵守折射定律不遵守折射定律 o光和光和e光都是线偏振光。光都是线偏振光。27 2 2 、光轴与主平面光轴与主平面 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双不发生双折射折射，该方向称为该方向称为晶体的光轴晶体的光轴。“光轴光轴”是一是一特殊的特殊的“方向方向”,不是指一条直线不是指一条直线。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。单轴晶体单轴晶体：只有一个光轴的晶体：只有一个光轴的晶体 双轴晶体双轴晶体：有两个光轴的晶体：有两个光轴的晶体 A B 光轴光轴 102 28 主平面：主平面：晶体中晶体中某条光线某条光线与与晶体光轴晶体光轴构成的平面构成的平面。e光光 光轴光轴 e光的光的 主平面主平面 o光光 光轴光轴 o光的光的 主平面主平面 o光的振动面光的振动面垂直垂直于于o光的主平面光的主平面 e光的振动面在光的振动面在e光的主平面内光的主平面内 主折主折射率射率:o光的传播速率用光的传播速率用 表示表示,其其折射率折射率用用 表示表示.e光沿垂直于光光沿垂直于光轴方向上的轴方向上的传播速率用传播速率用 表示表示,折射率用折射率用 表示表示,29 双折射现象的应用双折射现象的应用 3.尼科耳棱镜尼科耳棱镜 光轴在光轴在ABCD平面内方向与平面内方向与AB成成480，入射面取，入射面取ABCD面面 两块特殊要求加工的直角方解石，如图：两块特殊要求加工的直角方解石，如图：加拿大树胶的折射率加拿大树胶的折射率n=1.55，O光入射角大于其临界角光入射角大于其临界角arc sin(1.55/1.658)=69012，被全反射，在，被全反射，在BD处为涂黑层所吸收。处为涂黑层所吸收。出射偏振方向在出射偏振方向在ABCD平面平面内的偏振光内的偏振光。方解石的折射率方解石的折射率n0=1.658,486.1enA B D C e 760 O 220 680 480 30 六六.晶体相移器件，晶体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏圆和椭圆偏振光的起偏 波片波片(波晶片波晶片)相位延迟片相位延迟片 波片波片是光轴平行表面的晶体薄片。是光轴平行表面的晶体薄片。.晶面晶面 光轴光轴 d o e 31 Ao Ae 光轴光轴 P d y x 线偏振光线偏振光 光轴光轴 通过厚为通过厚为d的晶片，的晶片，o、e光产生光程差和相位差：光产生光程差和相位差：cossinAAAAeo 振幅关系振幅关系 从晶片出射的是两束从晶片出射的是两束传播方相同传播方相同、振动方向相互垂振动方向相互垂直直、频率相等频率相等、相位差相位差 的线偏振光，它们合成为的线偏振光，它们合成为一束一束椭圆偏振光椭圆偏振光。32 (1)(1)四分之一波片四分之一波片 线偏振光线偏振光圆偏振光圆偏振光 线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光 从线偏振光获得椭圆或圆偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）（或相反）线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光 33(2)(2)二分之一波片二分之一波片 使线偏振光振动面转使线偏振光振动面转过过2 2 角度角度 A0入入 A0出出 A入入 A出出 Ae入入=Ae出入出入 光轴光轴