第十四章 偏振.ppt

第三部分 光的偏振,*,18-14,偏振光的干涉及应用,18-13,光的双折射现象,18-12,反射和折射时光的偏振,18-11,自然光和偏振光 光的横波性质,马吕斯定律,教学基本要求,1.理解自然光和偏振光。,3.了解偏振光的获得方法和检验方法。,4.了解双折射现象。,2.理解布儒斯特定律和马吕斯定律。,光波是一种电磁波，电磁波是变化电场和变化磁场的传播过程。,传播方向,能够引起感光作用和生理作用的是电场矢量 。,电场矢量 称为,光矢量,，,矢量的振动称为,光振动,。,电振动、磁振动和光传播方向的相互关系,18-11,自然光和偏振光 光的横波性质马吕斯定律,1.,自然光,各方向上光振动的振幅相等的光,自然光所有光矢量都分解到相互垂直的这两个方向，则可表示为两个振幅相等、振动方向相互垂直的分振动。,一.自然光和偏振光,两分量大小一般不等,各方向光振动振幅相等,每一光矢量都可分解,x,传播方向,y,y,x,传播方向,所有光矢量的分量叠加综合效果,2.,线偏振光,只在一个固定方向有光振动,传播方向,传播方向,传播方向,传播方向,3.,部分偏振光,所有各方向都有光振动，,所有光矢量都分解到相互垂直的方向后，两方向的振幅不等。,4.,自然光、,线偏振光,和,部分偏振光的,图像,表示,振动垂直纸面的线偏振光,振动平行纸面的线偏振光,振动与纸面成角度的线偏振光,平行纸面的光振动较强的部分偏振光,垂直纸面的光振动较强的部分偏振光,自然光各方向振动强度相同,绳上横波通过狭缝显示出横波特性,二.起偏和检偏 光的横波性质,狭缝与振动同方向,狭缝与振动方向垂直,光源,自然光,起偏器,检偏器,线偏振光,偏振化方向,偏振化方向,自然光不能显示光的横波特性，把自然光变为偏振光的装置称为,起偏器,。,偏振片,偏振片仅容许某一特定方向的,光振动通过，而吸收其他方向的光振动。偏振片允许光振动通过的方向称为偏振片的,偏振化方向,。,自然光,线偏振光,偏振化方向,一些天然晶体和人造薄膜可以把自然光变为偏振光，称为偏振片。,偏振片,作为起偏器，也,能检测入射光的偏振特性，即作为检偏器。,偏振眼镜,旋转偏振片，可以检测入射光的偏振特性,此时无透射光,两偏振片偏振化方向平行,两偏振片偏振化方向垂直,如果透射光强有两个位置等于零，入射光为全偏振光（线偏振光）,当偏振片以光线为轴转动时,检偏方法与结果判断：,如果透射光强恒为入射光光强的一半，入射光是自然光,如果透射光强周期性变化，入射光是偏振光或部分偏振光,三,.,马吕斯定律,光强为,I,0,的,线偏振光入射到,偏振片,，,若,振动方向与偏器片的偏振化方向间的夹角是,，,透射光的光强为,光振动的分解,偏振化方向,入射光振动方向,A,0,I,0,I,传播方向,偏振片,入射光振动方向,透射光振动方向,偏振化方向,透射光强最大；,透射光强为零,。,自然光通过偏振片,I,0,I,传播方向,偏振片,透射光振动方向,偏振化方向,自然光,当自然光在两种介质分界面上反射、折射时，会发生偏振现象。,反射光、折射光都是部分偏振光,，在一定条件下反射光可以是全偏振光。,分界面法线与入射线构成的平面称为,入射面,。,法线,自然光入射,平行于入射面振动较强,垂直于入射面振动较强,n,1,n,2,18-12,反射和折射时光的偏振,反射光和折射光的偏振化程度与入射角,i,有关。当入射角,i,等于某一特定值,i,0,，,即,反射光为全偏振光，,i,0,称为起偏角（布儒斯特角）,布儒斯特定律,法线,自然光,i,0,角入射,部分偏振光,全偏振光,n,1,n,2,可以证明，当入射角等于全偏振角,i,0,时，反射光线与折射光线垂直。,光从空气射向玻璃时，,自然光,全偏振光,法线,偏振片,自然光以全偏振角从空气射向普通玻璃，入射光中垂直振动的能量只有约15%被反射，,为了增大折射光的偏振化程度，,可使用玻璃片堆。,玻璃片堆,自然光,全偏振光,部分偏振光,接近全偏振光,照相机偏振镜,的应用,未加偏振镜，强反射景象,加偏振镜后，获透射景象,入射光经各向异性介质（如石英晶体，方解石晶体等）折射后分成两束的现象。,一,.,双折射现象,o,光,e,光,晶体,分为两束,二,.,寻常光和非常光,非常光（,e,光）,折射光线不遵守折射定律，折射率不为常数，其折射线不一定在入射面内,寻常光（,o,光）,折射光线遵守折射定律，折射率为常数，其折射光线总在入射面内,18-13,光的双折射现象,三,.,光轴 主平面 主截面,光轴,沿晶体中某方向寻常光与非寻常光传播速度相等，此方向称为晶体的光轴。,产生双折射的原因：寻常光沿晶体中各个方向的传播速度相同，而非常光的传播速度随方向而变化。,102,o,102,o,方解石晶体的光轴,光轴,102,o,A,B,单轴晶体,只有一个光轴的晶体,双轴晶体,有两个光轴的晶体,光轴,o、e,光,主平面,晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。,主截面,晶体表面法线与晶体光轴构成的平面。,入射光,光轴,折射光,光轴,法线,折射光,入射光,主,平,面,主,截,面,o,光和,e,光都是线偏振光，但,o,光的振动方向垂直于自己的主平面，而,e,光的振动平行于自己的主平面。当入射光的入射面和晶体的主截面重合时，,o,光与,e,光的主平面相重合，,o,光与,e,光的振动方向相互垂直。,实验表明：,o,光,光轴,o,光的,主平面,e,光,光轴,e,光的,主平面,四.正单轴晶体、负单轴晶体,设,v,o,为,o,光传播速度，,v,e,为,e,光在垂直于光轴方向上的传播速度，,c,为真空中的光速，则,o,光在晶体内形成的子波波振面是球面（,o,光沿,各个方向的传播速度都相同）,v,e,v,O,光轴,v,e,v,O,光轴,双折射晶体中的波面,正晶体 负晶体,e,光在晶体内形成的子波波振面是以光轴为轴的旋转椭球面（,e,光沿各个方向传播的速度不相同）,以方解石为例，用作图法可以确定,o,光和,e,光在晶体内的传播方向,光轴平行晶体表面，自然光垂直入射,o,、,e,光,在,传播,方向上虽,相同,，但速度,不相等。,光轴,o,光,e,光,五.,惠更斯原理在双折射现象中的应用,光轴平行晶体表面，且垂直入射面,，,自然光斜入射,光轴,i,o,v,o,t,v,e,t,e,o,e,c,t,此时,e,光的波面不再与其波射线垂直了,光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射,光轴,o,光,e,光,自然光沿长边方向入射，出射,光为,振动方向与主截面平行的线偏振光。,尼科耳棱镜既可作起偏器，又可做检偏器。,22,68,光轴,方解石,o,e,o,e,六,.,尼科耳棱镜,格兰汤普森棱镜由两块光轴平行于底面的方解石直角棱镜组成，两棱镜的斜面相对胶合在一起。胶的折射率大于,n,e,，,小于,n,O,，,同时令,角,大于,o,光,在胶合面上的临界角。,o光,e光,光轴,光轴,光轴,光轴,胶合面,o光,e光,七,.,格兰汤普森棱镜,一.,椭圆偏振光和圆偏振光,如图线偏振光射向晶片,C,后，在晶体内分成,o,光、,e,光，相应的相位差为,d,晶片,C,单色自然光,偏振片,P,1,偏振化方向,光轴方向,A,e,A,o,*,18-14,偏振光的干涉及其应用,设出射,C,后两束偏振光的光矢量分别为,和,则,且,A,A,o,A,e,光轴,所以,若：,合成光为线偏振光,合成光为直椭圆偏振光,合成光为斜椭圆偏振光,合成为圆偏振光,1/4波片：能使,o,光、,e,光,出射时产生,(2,k,+1),/2,的相位差的波片。,d,光轴方向,A,e,A,O,二,.,波片,波片是厚度均匀，光轴与表面平行的晶体薄片,说明：,一束偏振光通过,/4,片后，出射的偏振状态由,（线偏振光振动方向与波片光轴的夹角）确定。当,=0,（或,90）,时，出射线偏振光；当,=45,时，出射圆偏振光；,为其他值时，出射光为椭圆偏振光。,椭圆偏振光（圆偏振光），经,/4,片后，变为线偏振光,如图，线偏振光通过半波片后，出射光仍为线偏振光，但其振动方向却移过,2,角。,A,e,出,=,A,e,入,A,O,入,A,O,出,A,入,A,出,光轴,波片：能使线偏振光出射时的两束线偏振光产生,(2,k,+1),的相位差，这样的波片称为,1/4,波片。,单色自然光经,P,1,后成为线偏振光，通过,P,2,后，又成为两束不相干的线偏振光，再经,P,2,后，就成为频率相同，振动方向相同而相位差恒定的相干光，从而产生偏振光干涉。,d,晶片,C,单色自然光,偏振片,P,1,偏振化方向,光轴方向,A,e,A,O,光轴方向,偏振片,P,2,三,.,偏振光的干涉,通过,P,2,两束相关光的振幅分别为产生,o,光、,e,光,两束光在晶体,P,2,中产生的相位差,通过,P,1,产生,o,光、,e,光,P,2,P,1,C,A,1,A,e,A,O,A,2O,A,2e,由于,A,1O,与,A,2e,方向相反，产生附加相位差,说明：,在偏振光干涉中,对一定波长的入射光来说，屏幕上的明暗由晶体厚度,d,决定；,用白光进行实验时在晶体中厚度均匀的情况下，屏上出现一定色彩合成的混合色，这称为显色偏振。,四,.,光弹效应(应力双折射效应),应力各向异性,v,各向不同,n,各向不同,在机械应力作用下，介质可由各向同性变为各向异性，从而产生双折射，这种现象称为光弹性效应。,P,1,P,2,d,F,S,F,干涉,有机玻璃,C,各处 不同,变,导致,改,变,，引起,干涉情况变。,在一定应力范围内：,导致,各处 不同,从而,出现干涉条纹,加,外力前,加,外力后,五.,旋光现象,当一束完全偏振光通过旋光物质时，其振动面会旋转一定角度，这种现象称为,旋光现象,。,旋光物质,l,其中：,旋光率,对于有旋光性的液体，,与液体的浓度,c,成正比：,测定糖浓度的糖量计就是据此原理制成的。,实验证明，旋光物质对线偏振光振动面的旋转角度与在物质中通过的距离成正比：,六.克尔效应与泡克耳效应,克尔效应：某些液体在外加电场,E,的作用下出现双折射现象，且,o,光与,e,光的折射率之差满足：,用途：,由于弛豫时间短（10,-,9,s），,可以作为高速光闸。,液体,电场,泡克耳效应：某些晶体在外加电场,E,的作用下出现双折射现象，且,o,光与,e,光的折射率之差满足：,磁性薄膜,检偏器,起偏器,聚焦透镜,激光器,信号放大器,信号输出,磁,光盘信息读出装置,七.磁旋光效应,当一束线偏振光照射在被磁化的界面上，其反射光或透射光的偏振面发生旋转，这种效应称为磁旋光效应。,