大学物理光的偏振.pptx

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,8.1,光偏振态,8.2,偏振片,起偏和检偏,8.3,反射和折射偏振,8.4,光双折射,8.5,偏振光干涉,8.6,人工双折射及其应用,第8章、,光偏振,（polarization of light）,作业：,练习册,选择题,填空题,计算题,1,第1页,光干涉和衍射现象显示了光波动特征，但还不能,完全断定光是纵波还是横波。,光偏振现象从试验上清楚地显示出光横波性，,这一点与光电磁理论预言一致。,偏振光波电矢量振动空间分布对于光传输方向失去,对称性现象。只有横波才能产生偏振现象，,故光偏振是光波动性又一例证。,利用光偏振现象创造了立体电影，摄影技术中用于消除无须要反射光或散射光。光在晶体中传输与偏振现象亲密相关，利用偏振现象可了解晶体光学特征，制造用于测量光学器件，以及提供诸如岩矿判定、光测弹性及激光调制等技术伎俩。,2,第2页,光是电磁波在人眼视觉范围内波段,400nm,760nm，,对应,红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光。,电磁波是横波,研究光振动方向特征即光偏振性。,光生理作用、感光现象，实际是电矢量（电场强度,E,矢量）,在起作用,。,通常把电矢量,E,称为光矢量,把电矢量,E,振动称为光振动。,1,光偏振态,3,第3页,简化,合成两个相互,垂直方向.,偏振光,部分偏振光,完全（线）偏振光,E,没有优势方向,自然光分解,4,第4页,5,第5页,一些物质对于光相互垂直分振动含有选择吸收性能,人造偏振片,偏振化方向允许光振动矢量经过方向,。,自然光经过偏振片,偏振光,起偏,明,明,但减弱,=/2,暗,假如入射光是部分偏振光,旋转偏振片,透射光有明暗改变,但不会出现全暗;,入射光是自然光,透射光无明暗改变,检偏,。,2,偏振片,起偏和检偏,假如入射光是完全（线）偏振光,6,第6页,起偏和检偏,7,第7页,证:,0,N,M,将,A,0,分解成,A,0,cos,A,0,sin,A,0,A,0,cos,A,0,sin,设：透射光强,I,，,入射光强,I,0,马吕斯定律,8,第8页,解:(1)自然光经过偏振片,A,光强被吸收二分之一,有:,N,1,N,2,60,0,I,0,I,1,I,2,例：有两块偏振片,A,和,B,偏振化方向夹角为,60,0,。,(1)入射光是自然光,设偏振片无吸收,求穿过,A,和,B,后透射光与入射光光强比;(2)入射光是线偏振光,振动方向与第一块偏振片偏振化方向夹角为,30,0,求穿过,A,B,后透射光与入射光光强比;(3)假如偏振片吸收系数为,0.1,再求(2)结果,.,9,第9页,光偏振现象在技术中有很多应用。比如拍摄水下景物或展览橱窗中陈列品照片时，因为水面或玻璃会反射出很强反射光，使得水面下景物和橱窗中陈列品看不清楚，摄出照片也不清楚假如在摄影机镜头上加一个偏振片，使偏振片透振方向与反射光偏振方向垂直，就能够把这些反射光滤掉，而摄得清楚照片；另外，还有,消除车灯眩光、立体电影,等等。,偏振片应用,10,第10页,1.,拍摄玻璃窗内物体时，,用偏振片去掉反射光干扰,11,第11页,2.,汽车夜间行车时为防止对方汽车灯光晃眼以确保行驶安全，能够在全部汽车车窗玻璃和车灯前装上与水平方向成45,角，而且向同一方向倾斜偏振片。,3.,偏振片可用于制成太阳镜和摄影机,滤光镜。观看,立体电影,眼镜片是由两,个偏振化方向相互垂直偏振片组成。,12,第12页,立体电影和偏振,你看过立体电影吗？你知道它道理吗？它就是应用光偏振现象一个例子：在观看立体电影时，观众要戴上一副特制眼镜，这副眼镜就是一对透振方向相互垂直偏振片这么，从银幕上看到景象才有立体感假如不戴这副眼镜看，银幕上图像就含糊不清了这是为何呢？,这要从人眼看物体说起人两只眼睛同时观察物体，不但能扩大视野，而且能判断物体远近，产生立体感这是因为人两只眼睛同时观察物体时，在视网膜上形成像并不完全相同，左眼看到物体左侧面较多，右眼看到物体右侧面较多，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体前后、远近，从而产生立体视觉,13,第13页,要看到立体电影，要在每架电影机前装一块偏振片，它作用相当于起偏器从两架放映机射出光，经过偏振片后，就成了偏振光左右两架放映机前偏振片透振方向相互垂直，因而产生两束偏振光偏振方向也相互垂直这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振方向不改变,观众用上述偏振眼镜观看，每只眼睛只看到对应偏振光图像，即左眼只能看到左机映出画面，右眼只能看到右机映出画面，这么就会像直接观看物体那样产生立体感觉这就是立体电影原理,立体电影,是用两个镜头如人眼那样从两个不一样方向同时拍摄下景物,像，制成电影胶片在放映时，经过两台放映机，,把用两台摄影机拍下两组胶片同时放映，使,这略有差异两幅图像重合在银幕上这时如,果用眼睛直接观看，看到画面是含糊不清,14,第14页,15,第15页,i,n,1,n,2,3,反射和折射偏振,试验发觉:,反射光和折射光普通都是部分偏振光,反射光中垂直于入射面光振动占优.折射光中平行于入射面光振动占优,.,n,1,n,2,i,0,当,i,为某一入射角,i,0,时，反射光成为完全偏振光,。,布儒斯特定律,16,第16页,两个相关结论,1.,入射角为,i,0,时,，,折射光与反射光垂直,。,证：,n,1,水,n,2,玻璃,i,0,所以，光从玻璃向水界面入射时布儒斯特角就是光从水向玻璃界面入射时图中所表示折射角,。,2.光从水向玻璃界面入射时布儒斯特角为,i,0,，,问光从玻璃向水界面入射时布儒斯特角为多少,？,17,第17页,玻璃堆,光从空气射向玻璃,线偏振光,18,第18页,巴托林（Erasmus Bartholin）（1625698）出生在丹麦罗斯基勃一个医生世家。他也像他父亲和弟兄一样都是医生，同时他在数学和物理学上也有贡献。从1657年到逝世，他在丹麦哥本哈根大学任医学教授。但使巴托林闻名于科学史事迹却与医学无关，而是在物理学上研究工作。,物理史话 双折射,1669年，巴托林得到了一块冰洲石。这是出产于冰岛方解石。他发觉，用冰洲石看到像都是双像。巴托林注意到，光线经过冰洲石变成了两条光线，他称这种折射现象为双折射。巴托林还发觉，当固定一个像时，另一个像围绕着它旋转。巴托林将这两条光线中固定像和“旋转像”对应光线分别称为寻常光线和非寻常光线。,看上去，双折射现象没有什么神奇地方，但巴托林自己不能解释它，他认为这与牛顿光学理论是矛盾。其实当初光波动说也不能解释，直到半个世纪之后，新波动说才解释了这种现象。,19,第19页,4,光双折射,一束入射光经一些晶体折射后可分成两束光线现象称为双折射。,1.寻常光和非常光,试验表明，双折射现象中两束折射光线都是,线偏振光，分别称为寻常光和非常光,。,寻常光（o光）：,遵从折射定律,非常光（,e,光）:,普通不遵从折射定律,折射面与入射面不一定重合。,20,第20页,用偏振片检验o光和,e,光，发觉它们都是偏振光，但振动方向不一样，为了便于描述o光和,e,光,偏振情况及其相互关系，,需要引入几个与晶体相关概念。,(1)光轴,o光在晶体中各方向上速度相同,折射率,n,=c/,u,相同;,e光各向速度不一样,折射率不一样.,在晶体中有一个确定,方向,o光和e光沿此方向传输速度相等,折射率相等,不发生双折射.,o,光折射率:,e,光折射率:,注意：光轴仅标志一定方向，,并不限于某一条特殊直线。,双折射实质是o光和e光在晶体中传输速度不一样。,21,第21页,1.在光轴方向,e光速度等于o,光速度，即,等于,v,o,2.在垂直光轴方向,o光e光两个速度差异最大;,与o光速度差异最大速度记做,v,e,且,v,e,为常数。,v,0,v,e,而且有以下两种情况,(2),负晶与正晶,凡属,v,0,n,e,）,晶体称为负晶,。,凡属,v,0,v,e,，（,即,n,0,n,e,）,晶体称为正晶。,定义：,为晶体对e光主折射率，即e光,在垂直于光轴方向折射率。,给出两个试验事实：,22,第22页,方解石,1.4864 1.6584,石英,1.5534 1.5443,（对波长为589.3,nm,钠黄光）,方解石晶体（负晶）,CaCO,3,石英（正晶）,23,第23页,光轴在入射面内,光轴垂直入射面,o,光子波面,一定是球面,e,光子波面,必定不是球面,是什么样呢?,o,光子波面,e,光子波面,e,光子波面是以光轴为轴旋转椭球面,v,0,v,e,o,光在晶体中各方向上速度相同,e,光各向速度不一样。,思索,在垂直光轴方向,o,光,e,光两个速度差异最大,.,e,光垂直于光轴方向传输时,，,v,e,为常数。,24,第24页,o,光振动方向垂直于该光线（在晶体中）与光轴组成平面。,e,光振动方向平行于该光线（在晶体中）与光轴组成平面。,即,o,光振动方向垂直于主平面,。,即,e,光振动方向在主平面内,。,(3)主平面,光线与光轴组成平面叫该光线主平面,25,第25页,o,光在晶体内任意点所引发波阵面是球面。,即含有各向同性传输速率。,e光在晶体内任意点所引发波阵面是椭球面。,沿光轴方向与o,光含有相同速率。,e,光波面,o,光波面,光轴方向,负晶如方解石CaCO,3,e,光波面,o,光波面,光轴方向,正晶如石英SiO,2,2.,惠更斯原理在双折射现象中应用,确定波阵面作图法,v,0,v,e,26,第26页,光轴,A,F,E,e,O,e,O,o光可用折射定律计算，e光不服从折射定律,双折射,平行光倾斜入射，光轴在入射面内，,光轴与晶体表面斜交,27,第27页,光轴,A,E,B,F,E,F,o光与e光沿同方向传输,平行光垂直入射，光轴在入射面内，,光轴平行晶体表面,o,光,与,e,光,含有,相互垂直,偏振方向,且,速度相差最大.,双折射,O,O,e,e,28,第28页,i,c,t,光轴,方解石晶体,v,o,t,v,e,t,o,e,o,e,光轴平行于晶体表面且垂直于入射面，,自然光斜入射,方解石是负轴晶体（,n,o,n,e,）,n,e,为晶体对e光主折射率，即e光,在垂直于光轴方向折射率。,v,0,n,e,)则依据折射定律，e光折射角大于o光折射角；,e光主平面现垂直图面，,e光振动方向在主平面内,所以e光振动方向以点表示。,e,光,o,光,o光振动方向垂直主平面，,o,光主平面现也垂直图面，,所以o光振动方向以线表示。,30,第30页,3.1 尼科尔棱镜结构,如图取长度适当方解石晶体,将其两端天然晶面加以适当研磨,将晶体剖开,再用加拿大树胶将剖面粘合组成一长方形棱镜。,3.2 尼科尔棱镜原理,利用棱镜双折射现象,将一束自然光分成寻常光和非常光,然后利用全反射原理把寻常光反射到棱镜侧壁上,只让非常光经过棱镜,从面而取得一束振动方向固定线偏振光。,3.晶体偏振器件,31,第31页,48,o,22,o,68,o,o,光,e,光,e,光,加拿大树胶,n=1.550,光轴,e,光,方解石,n,o,=1.6584,n,e,=1.4864,o光被吸收,!,全反射,中学知识,1.,当光线由光,密介质进入光疏介质，而角度大于临介角,C,。,2.,折射率,n,介质临介角,C,公式：,全反射,32,第32页,产生两束相互分开、振动相互垂直平面偏振光。,3.3 渥拉斯顿（Wollaston)棱镜结构：,3.4,渥氏棱镜作用,：,由两块光轴相互垂直方解石直角棱镜组成。,光轴,光轴,A,B,D,方解石是负轴晶体（,n,o,n,e,）,33,第33页,（1）,光在两块方解石中都是垂直光轴传输。,（2）,当自然光垂直入射,AB,表面后,，,在第一块棱镜中,o光,和e光,以不一样速度沿同一方向传输,。,方解石是负晶,n,o,n,树胶,n,e,（3）当它们先后进入第二块棱镜时，第一块棱镜中,o光,在第二块棱镜中变成,e光,，靠近法向;第一块棱镜中e光在第二块棱镜中变成o光，远离法向。,3.5,渥氏棱镜原理,A,B,34,第34页,5,*,偏振光干涉,1.圆偏振光和椭圆偏振光,两个,同频率相互垂直,线偏振光合成，依据它们相位差,和振幅决定了其合成结果为圆偏振，或为椭圆偏振光。,复习:,两个同频率相互垂直分运动位移表示式,消时间参数，得,合运动普通是在,2,A,1,(,x,向),、,2,A,2,(,y,向),范围内一个椭圆。,椭圆性质(方位、长短轴、左右旋,)在,A,1,、,A,2,确定之后,主要决定于,=,20,-,10,。,35,第35页,几个特殊情况：,36,第36页,d,线偏振光,光轴,1.1,椭圆偏振光和圆偏振光取得方法,线偏振光透过双折射晶片后形成o光和e光,（,两个同频率相互垂直线偏振光,），它们,相位差,和,振幅,决定了其合成结果为圆偏振，或为椭圆偏振光。,y,x,A,o,A,e,A,A,o,A,e,光轴,37,第37页,1.2,波片(又称相位延迟片),波片,是按一定要求切割（比如光轴平行于表面）晶体薄片。,经过厚为,d,晶片，,o、e,光产生,相位差,：,A,A,o,A,e,光轴,o光和e光,振幅,，与,晶片光轴和入射,线偏振光振动方向,夹角,相关：,38,第38页,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、相位差为,线偏振光，,A,A,o,A,e,光轴,经过厚为,d,晶片，,o、e,光产生相位差：,(1)四分之一波片,从线偏振光取得椭圆或圆偏振光,（,或相反,）,线偏振光,圆偏振光,线偏振光,椭圆偏振光,39,第39页,椭圆偏振光和圆偏振光定义：,光矢量,在沿着光传输方向前进同时，还绕着传输方向均匀转动。假如光矢量大小不停改变，使其端点描绘出一个椭圆，这种光称椭圆偏振光。假如光矢量大小保持不变，这种光称圆偏振光。,右旋偏振光中光矢量旋转示意图,Z,o,Y,40,第40页,(2)二分之一波片,在,/2,片前,1,3象限振动,过,/2,片后,2,4象限振动,使线偏振光振动面转过2,角度。,注意:,/2,波片,/4,波片 必须指明波长,经二分之一波片后，o光e,光,相位差为,，合成为,线偏振光,A,e入,=,A,e出,A,0入,A,入,光轴,A,e入,A,0出,A,出,A,e出,41,第41页,(3)椭圆偏振光与圆偏振光检偏,用四分之一波片和偏振片,P,可区分出,入射光是,1.,自然光或圆偏振光,2.,部分偏振光或椭圆偏振光,d,偏振片,P,偏振化方向,入射光,42,第42页,椭圆与圆偏振光检偏,用四分之一波片和偏振片,P,可区分出自然光和圆偏振光或部分偏振光和椭圆偏振光,(1)自然光与圆偏振光区分,结论：以入射光方向为轴转动偏振片光强无改变。,当入射光是自然光时：,I,o,I,1,I,2,自然光,o,e,光,偏振片,光轴,43,第43页,结论：以入射光方向为轴转动偏振片光强有改变，出现最大光强和消光现象。,当入射光是,圆偏振光时：,P,I,2,偏振片,I,o,C,圆偏振光,I,1,线偏振光,光轴,44,第44页,(2)部分偏振光与椭圆偏振光区分,当入射光是部分偏振光时：,结论：以入射光方向为轴转动偏振片光强有改变，但无消光现象。,I,o,I,1,I,2,部分偏振光,部分偏振光,偏振片,光轴,45,第45页,结论：以入射光方向为轴转动偏振片光强有改变，出现最大光强和消光现象。,当入射光是椭圆偏振光时：,光轴平行椭圆偏振光长轴或短轴放置,P,I,1,C,I,2,I,o,椭圆偏振光,线偏振光,偏振片,46,第46页,偏振光状态演示仪,演示装置偏振光状态演示仪包含光学减震平台一个、半导体激光器（650 nm）及固定架一套、起偏器和检偏器各一个、1/4波片（650 nm）一个、步进电机控制调整架三个、光电接收系统及调整架一个、电控箱一个（三路控制输出、两路输入和USB接口）、计算机及专用软件。,怎样区分出,入射光是,圆偏振光还是椭圆偏振光？,47,第47页,手动调整起偏器和检偏器，使它们偏振化方向相互垂直，,即接收屏上出现消光；,在起偏器和检偏器之间插入l/4波片，转动l/4波片，,重新使屏幕上出现消光状态；,l/4波片旋转45,将检偏器旋转，屏幕上便出现一条近乎水平直线，说明经过检偏器光为圆偏振光，,即光强不变,。,圆偏振光产生与判别,48,第48页,旋转检偏器,P,2,49,第49页,椭圆偏振光产生与判别,假如l/4波片旋角大于或小于45,，则检偏器旋转360,，屏幕上出现是一条余弦曲线，但曲线最低点光强不等于零，说明经过检偏器光为椭圆偏振光。,50,第50页,2.1 偏振光干涉装置,P,1,出射光为线偏振光，经,C,成为,o,、,e,两束偏振光，再经,P,2,后，发生干涉,。,2.,偏振光干涉,d,晶片,C,偏振片,P,2,单色,自然光,偏振片,P,1,偏振化方向,光轴方向,偏振化方向,51,第51页,2.2,偏振光干涉分析,（1）振幅关系,经过,P,2,后，两束光振动方向平行，振幅为：,d,晶片,C,偏振片,P,2,单色,自然光,偏振片,P,1,偏振化方向,光轴方向,偏振化方向,P,2,P,1,C,A,1,A,e,A,o,P,1,出射光为线偏振光，经,C,成为,o,、,e,两束偏振光，再经,P,2,后，发生干涉,。,A,2,o,A,2,e,52,第52页,经过晶体,C,后两束光是相干光，相位差为：,经过,P,2,后相位差为：,（2）,相位关系,相长干涉,相消干涉,P,2,P,1,C,A,1,A,e,A,o,A,2,o,A,2,e,53,第53页,若为单色光入射，且晶片,d,不均匀，则屏上出,现,等厚干涉条纹,。,若为白光入射，有以下情况：,如晶片,d,均匀，屏上因为某种颜色干涉相消，而,展现它互补色，这叫（显）,色偏振,。,如 晶片,d,不均匀，则屏上出现彩色条纹。,如 红色相消绿色；蓝色相消黄色。,任何两种彩色假如混合起来为白色，则这两种色互为互补色。,54,第54页,石英劈尖偏振光干涉（等厚条纹）,单色光入射，且晶片,d,不均匀，则屏上出,现等厚干涉条纹。,55,第55页,硫代硫酸钠晶片色偏振图片,若为白光入射，,如晶片,d,均匀，屏上因为某种颜色干涉相消，,而展现它互补色，这叫（显）,色偏振,。,如晶片,d,不均匀，则屏上出现彩色条纹。,56,第56页,色偏振是检验材料有没有双折射效应灵敏方法,用显微镜观察各种材料在白光下色偏振能够分析物质内部一些结构,偏光显微术,利用偏振光干涉看到结冰过程,57,第57页,利用偏振光干涉看到结冰过程,58,第58页,利用偏振光干涉看到结冰过程,59,第59页,6,人工双折射及其应用,各向同性非晶体和一些液体，在人为条件下，变成各向异性而产生双折射现象称人工双折射。,一、应力双折射：,塑料、玻璃等非晶体物质在机械力作用下产生变形时，能产生,各向异,性,性质，和单轴晶体一样，能够产生双折射。利用这种性质，,在工程上能够制成各种机械零件透明塑料模型，然后模拟零件受力情况,，,观察、分析偏振光色彩和条纹分布，从而判断零件内部应力分布。这种方法称为光弹性方法。,60,第60页,应力各向异性,v,各向不一样,n,各向不一样,在一定应力范围内：,光弹性效应,经,人为双折射产生,e,光与,o,光位相差为,P,1,P,2,d,S,干涉,有机玻璃,c,F,F,61,第61页,各处,F,/,S,不一样各处,不一样出现干涉条纹,F,/,S,变,变干涉情况变。,条纹越密集处，应力越集中,钓钩光弹图象,62,第62页,光测弹性学：利用光弹性效应来研究应力分布方法。,63,第63页,