偏振与晶体双折射.ppt

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,*,第五章,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 马吕斯定律,一,.,光的偏振状态,1.,线偏振光,E,播,传,方,向,振,动,面,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,E,E,y,E,x,y,x,线偏振光的表示法：,光振动垂直板面,光振动平行板面,2,.,自然光,自然光的光矢量在所有可能的方向上,且振幅,E,相等,.,没有优势方向,自然光的分解,一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。,自然光的表示法：,3.,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势的光,.,部分偏振光的分解,部分偏振光,部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光,.,部分偏振光的表示法：,垂直板面的光振动较强,平行板面的光振动较强,4.,圆偏振光和椭圆偏振光,偏振面,随时间旋转的光为圆或,椭圆偏振光,.,迎着,光线看,光矢量顺时针旋转为右旋偏振光,.,右旋椭圆,偏振光,y,y,x,z,传播方向,/2,x,某时刻左旋圆偏振光,E,随,z,的变化,E,0,1,.,起偏和检偏,2,.,偏振片,二,.,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,而让与这个方向垂直的光振动通过的性质,(,二向色性,),制成起偏器,.,检偏,:,检验偏振光,起偏器也就是检偏器,.,起偏,:,从自然光获得偏振光,.,起偏,原理,:,利用某种光学的不对称性,.,起偏器,:,起偏的光学器件,.,这种起,偏器,叫偏振片,.,非偏振光,线偏振光,光轴,电气石晶片,3.,起偏示意图,自然光,I,0,线偏振光,I,P,偏振化方向,(,透光方向,),4.,检偏,用偏振器件分析、检验光的偏振态,.,偏振化方向,(,透光方向,),I,?,P,待检光,思考,：,I,不变,？是什么光,I,变，有消光,？是什么光,I,变，无消光,？是什么光,当,偏振片旋转时,.,I,0,I,P,P,E,0,E=E,0,cos,消光,马吕斯定律,（,1809,）,三,.,马吕斯定律,例题,有两个偏振片,一个用作起偏器,一个用作检偏器,.,当它们的偏振化方向之间的夹角为,30,时,一束单色自然光穿过它们,出射光强为,I,1,;,当它们的偏振化方向之间的夹角为,60,时,另一束单色自然光穿过它们,出射强度为,I,2,且,I,1,=,I,2,.,求两束单色自然光的强度之比,.,I,10,I,10,/2,I,1,同理:,取,I,1,=,I,2,两束,单色自然光的强度比为,:,解,:,由马吕斯定律,i,=,i,0,时，反射光只有垂直于入射面的光振动,.,自然光反射和折射后产生,部分偏振光,n,1,n,2,i,i,r,线偏振光,n,1,n,2,i,0,i,0,r,0,S,起偏振角,5-2,反射和折射光的偏振,一,.,反射时光的偏振,且,布儒斯特定律,(,1812,年,),i,0,布儒斯特角或起偏角,有:,i,0,+,r,0,=90,O,由,若,n,1,=1.00(,空气,),，,n,2,=1.50(,玻璃,),，,则：,二,.,玻璃片堆折射的偏振,当,i,=,i,0,时,自然光从空气,玻璃,玻璃片堆,i,0,(,接近线偏振光,),I,I,0,5-3,双折射 偏振棱镜,一,.,双折射的概念,1,.,双折射现象,一束,光线进入某种晶体,产生两束折射光叫双折射,.,方解石,o,e,e,o,n,1,n,2,i,r,o,r,e,(,各向异,性媒质,),自然光,o,光,e,光,2,.,寻常光,(,o,光,),和非寻常光,(,e,光,),o,光,:,遵从折射定律,e,光,:,一般不遵从折射定律,3,.,晶体的光轴,当光在晶体内沿某个特殊方向传播时,不发生双折射,，该方向称为晶体的,光轴,。,例如，方解石晶体,(,冰洲石,),光轴是一特殊的方向,凡平行于此方向的直线均为光轴,.,A,B,光轴,102,主截面,:,晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面,.,如图入射时,入射面就是主截面,.,4.,主平面和主截面,e,光折射线也不一定在入射面内,.,109,71,法线,入射线,主,截面,光轴,主,平面,:,晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面,.,一般情况下,o,主平面与,e,主平面是不重合的,.,实验表明,:,o,光是光,矢量与,o,主平面垂直的线偏振光,.,4.,主平面和主截面,光轴,光轴,e,光是光,矢量与,e,主平面平行的线偏振光,.,当,光轴在入射面内时,主截面,o,主平面,e,主平面都重合,.,o,光,法线,e,光,法线,o,光,e,光,二,.,惠更斯原理对双折射的解释,1.,晶体的主折射率，正晶体、负晶体,v,o,t,光轴,在双折射晶体中,o,光沿各向传播的速度相同,故,o,波波面为球面,;,e,光沿各向的传播速度不同,e,波面为椭球面,.,两者沿光轴方向传播速度相同,.,o,光:,光轴,v,e,t,v,o,t,正晶体,:,n,e,n,o,负晶体,:,n,e,v,e,),负晶体,(,v,o,v,e,),子波源,(,v,e,v,o,),e,光:,n,0,，,n,e,称为晶体的主折射率,e,波面,5-4,光在晶体中的波面及传播,光轴,e,O,正晶体,光轴,负晶体,o,波面,正晶体,负晶体,O,e,C,A,B,一,.,尼科耳棱镜,A,B,C,D,102,A,(,D,),B,(,C,),由,方解石切割再用树胶粘合而成,.,尼科耳棱镜工作原理,:,自然光在,AB,面折射为,o,光和,e,光,o,光以约,76,入射到,AC,的加拿大树胶层上,.,被,AC,面全反射,.,只有,e,光出射,产生偏振光,.,5-6,偏振元件,o光:,而,i,=76,69,全反射,.,例题,.,两尼科耳,棱镜的主截面间的夹角由,30,转到,45,.(1),当入射光是自然光时,求转动前后透射光的强度之比,;(2),当入射光是线偏振光时,求转动前后透射光的强度之比,.,(1),入射光为自然光夹角为,30,时,夹角为,45,时,所以,(2),入射光为线偏振光,夹角为,30,时,解,:,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,.,夹角为,45,时,所以,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。,A,B,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,的,E,光为第二棱镜中的,O,光，由于,no,ne,相当于光由光疏介质入,射光密介质，折射线近法线；,而第一棱镜的,O,光为第二棱镜,中的,e,光，相当于光由光密介,质入射光疏介质，折射线远,离法线如图所示。,三、波晶片,一块表面平行的单轴晶体，其光轴与晶体表面平行时，垂直入射的,o,光和,e,光沿同一方面传播，我们把这样的晶体叫波晶片。,光在真空中波长,当两束光射出晶体面，,1,、四分之一波片,(1),定义：能使,o,光和,e,光的光程差等于 的晶片称四分之一波片,(2),四分之一波片的厚度,正晶体,(3),作用：产生附加位相差，平面偏振光经,1/4,波片后，出射光是正椭圆偏振光,讨论：,（,1,）四分之一波片的厚度是波长的函数,方解面，对于黄光，,对于蓝光,（,2,）四分之一波片很薄，制造困难,若 ，即 ，椭圆形状不变，因此通常使,o,光和,e,光的光程差等于的奇数倍的晶片称四分之一波片，,厚度：,2,、半波片,能使,o,光和,e,光的光程差等于 奇数倍的晶片，称半波片，其厚度,平面偏振光垂直入射到半波片而透射后，仍为平面偏振光。,如果入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为,，,则透射光仍为平面偏振光，振动面从原来的方位转动,2,角。,5.7,椭园偏振光和园偏振光,一、定义,由此类推，当晶体中产生双折射时，若,o,、,e,光沿同一方向传播，此时它们满足频率相同、振动方向相互垂直的条件，如能使位相差为定值，则当光连续通过晶体中任一点（该点上相差为恒定值）时，在过该点且垂直于传播方向的平面内，合光矢（针对某一时刻）的端点的投影将描出个一椭圆。即,o,、,e,光合振动矢量的大小、方向均随时间而变，在晶体内的整个传播过程中，合光矢量将以传播方向为轴，螺旋式向前传播。故称椭圆偏振光；若合振动矢量大小不变，仅方向随时间变化，称圆偏振光。,定义：,振动矢量端点描出椭圆的光称为椭圆偏振光，描出圆,的光称为圆偏振光；,面对传播方向,：,合光矢量端点沿逆时针描出椭圆（园），称为左旋椭圆（园）偏振光；,合光矢量端点沿顺时针描出椭圆（园），称为右旋椭圆（园）偏振光；,以上所说“合光矢量”是指在某一确定时刻，,o,、,e,光具有确定相差时的合光矢。,在此情况下，光振动对传播方向没有对称性，故属于偏振光。,园偏振光是椭圆偏振光在两振幅相等且相差为,/2,时的特例。,结论：任何两束沿相同方向传播、频率相等、振动面垂直且相,差为定值的光叠加时，都将形成椭圆（或园）偏振光。,二、产生,用一束平面偏振光垂直入射在一块光轴与表面平行的单轴晶体薄片,C,上，设,C,的光轴与入射的平面偏振光的振动方向成,角，在晶片,C,内产生双折射,，,且,o,、,e,光沿同一方向传播，振动矢量相互垂直。,振幅分别为：,在晶片内两个振动分别为：,晶体内距表面,r,处,o,、,e,光的位相差为：,o,、,e,光叠加后合振动满足：,这是合光矢端点描出的椭圆方程，椭圆的形状取决于,A,o,、,A,e,、,。,圆方程,射出晶体后，,o,、,e,光合成的椭圆偏振光具有确定的形状和取向，并在以后的传播中不再改变。,线偏光垂直入射到波晶片时，出射光是椭圆偏振光；当,=45,0,（,A,O,=,Ae,）,且波晶片为,1/4,波片（,=,+,/2,）,时，出射光是圆偏振光。,由自然光得到椭圆（园）偏振光：,N,1,N,2,起偏器,波晶片,椭圆偏振器：,园偏振器：,设晶片厚度为 ，则从晶片后表面出射后,o,、,e,光有恒定的位相差：,5.8,偏振态的实验检定,一、平面偏振光的检定：,方法：,让被检定的光通过一块偏振片（如尼科耳棱镜），以入射光为轴旋转偏振片。,判断：,若旋转一周有消光（即,）,现象出现，即为平面偏振光；若无消光现象出现，则不是平面偏振光。,原理：,马吕斯定律：,检偏器,P,二、,圆偏振光与自然光的检定：,判断：,旋转一周过程中，若有消光现象出现为圆偏振光；否则为自然光。,对于圆偏振光和自然光，用上面的方法观察到的现象均是光强在任一方向均不为零且无变化，故上法无法对二者进行检定。,方法：,在偏振片的前面加入一块四分之一波片，仍以入射光为轴旋转偏振片。,检偏器,P,1/4,原理：,已知圆偏振光中,o,、,e,光的位相差为,=/2,，通过四分之一波片后，又产生了,/2,的相差，则,o,、,e,光的总相差为,0,或 ，这样，通过四分之一波片后圆偏振光将变为平面偏振光，因此在旋转棱镜或偏振片时会有消光现象出现；而自然光通过四分之一波片后不会变为平面偏振光，故没有消光现象出现。,三、,椭圆偏振光与部分偏振光的检定：,让椭圆偏振光和部分偏振光通过一个偏振片时，旋转中均会出现光强大小变化但无消光的相同现象，无法区分。,方法：,在偏振片前放入一块四分之一波片，并设法使椭圆的一个轴与四分之一波片的光轴平行；以入射光为轴旋转偏振片。,检偏器,P,1/4,原理：,当椭圆偏振光任一主轴与四分之一波片光轴平行时，即为一正椭圆，如图,5,22,中（,c,）（,g,）,所示，,o,、,e,光相差为,/2,或,3/2,；经四分之一波片后又产生了,/2,相差，则最后的总相差为,0,或，成为一束平面偏振光，因而会有消光现象出现，而部分偏振光经四分之一波片后无法变为平面偏振光，故无消光现象。,判断：,旋转一周过程中，若有消光现象出现者是椭圆偏振光；否则为部分偏振光。,三、补偿器,1,、为什么要使用补偿器？,上述检验椭圆偏振光的实验中，若不用补偿器，必须事先知道 片的光轴方向，而且在实验过程中，必须使 的光轴精确地平行于椭圆的主轴（），这是很难办到的。为了克服这些困难，比较好的方法是采用补偿器。因为任何位置的椭圆可认为是由两个互相垂直的振动在位相差 的情况下合成的。要使这种椭圆偏振光变成平面偏振光，则应另行设法引进可以任意变更的位相差 作为补偿，目的是使 与 ，的总和等于,o,或 。,2,、巴俾涅补偿器,由两块光轴互相垂直的楔形石英组成，上楔中,o,光进入下楔，变为,e,光；,分别是光在上楔和下楔通过厚度,缺点：必须用极窄的光束。对于宽光束，互补偿器不同位置，位相差不同。,3,、索列尔补偿器,上楔可以左、右移动，从而改变,d,1,厚度，可以用宽光束。,5-7,偏振光的干涉,一、观察偏振光干涉的装置与实验结果,1,、实验装置,2,、实验结果,1,以单色光入射时，若波晶片厚度均匀，观察屏上得到一个光强均匀分布的光斑，转动任一器件，均可使光强发生变化；若将波晶片制成光劈状，并在,P,2,和屏之间置一透镜，屏上出现等厚干涉条纹。,2,以白光入射时，对于厚度均匀的波晶片，屏上出现某种颜色的光斑，转动任一器件，光斑颜色发生变化；使用光劈状晶片，则出现彩色条纹。,二、平面偏振光干涉的强度分布,从,P,2,出射的两,束光,A,2e,、,A,2o,位相联系,刚进入波晶片时，,e,光对,o,光位相的超前量为 ，（若 在二、四象限，）,o,光和,e,光穿过波晶片产生附加位相差 ，,在,P,2,上投影时位相差，若 同方向，；若 方向相反，,投影到,P,2,上的两个光振动在一条直线上，满足相干条件：,（两个同方向，同频率谐振动合成）,由此知，有关,三、单色偏振光干涉中的两个特殊情况,1,、,P,1,和,P,2,正交,以上关系代入（,1,）,（,2,）,（,3,）,2,、,P,1,和,P,2,平行,当,（,5,）,对于给定波晶片，,I,11,为极大时，,I,为极小,四、显色偏振,1,、什么叫显色偏振,偏振光干涉时出现彩色的现象，叫显色偏振,2,、解释：,对各种波长的光，差别极小，,d,一定，决定于,3,、互补色,由 知，两尼科耳平行时，某些波长加强到什么程度，两尼科耳正交时，这些波长的光就减弱到什么程度，白光照射，平行时出现的彩色与垂直时出现的彩色混合为白色。,任何两种彩色如果混合起来为白色，则这两种色互为互补色。,I,的颜色就是,I,11,的互补色。,4,、显色偏振的应用,1,鉴定物质的双折射性,2,寻找互补色,