波动光学3课件.ppt

P.,*,/70,第十二章 波动光学,对传播方向不对称,对传播方向对称,横波,纵波,偏振横波的特征,光矢量在与传播方向垂直的平面内可取任意的方向，构成了对于光的传播方向的不对称性，叫偏振。,腰横扁担进不了城门,只有横波有偏振现象 而纵波无偏振问题,通光方向,线偏振光：,一束,光的光矢量,只沿含一个确定的方向,振动，叫做线偏振光，简称偏振光。,振动面：,光振动方向与传播方向所确定的那平面。,始终在 和传播方向所决定的振动面上，所以线偏振光也叫,平面偏振光,一个原子一次发光一定是偏振光。,12-5-2 偏振片 马吕斯定律,偏振片：,能吸收某一方向的光振动，而只让与之垂直方向上的光振动通过的一种透明薄片。,自,然,光,振,线,偏,光,偏振片,偏,振,化,方,向,偏振化方向：,允许通过的光振动方向。,偏振片的用途：,“起偏”和“检偏”,1、自然光通过偏振片后光强减为原来的二分之一；,2、旋转偏振片，屏幕上光强不变。,自然光,起偏,偏振光,检偏,偏振光,马吕斯定律：,光强为,I,1,的线偏振光，透过偏振片后，其透射强度为：,I,1,为入射光强，,I,2,为出射光强。,结论：当旋转检偏器一周时，会出现两次全明和两次全暗。,当光强为,I,0,自然光入射时，透射光的偏振方向为偏振片的偏振化方向，透射光强,I,为,马吕斯定律的验证实验：,线,偏,振,光,有两次消光现象,部分,偏振光,有两次极大极小,解:,例：已知自然光通过两个偏振化方向相交60的偏振片，透射光强为,I,1,，今在这两偏振片之间再插入另一偏振片，它的偏振化方向与前两个偏振片的偏振化方向均夹30角，则透射光强为多少？,例13.一束光由自然光和线偏振光混合组成，当它通过一偏振片时，发现透射光的强度随偏振片的转动可以变化到五倍。求入射光中自然光和线偏振光的强度各占入射光强度的几分之几？,解：,设入射光强度：,I,0,；自然光强度：,I,10,；,偏振光强度:,I,20,设通过偏振片后的光强分别为：,I,，,I,1,，,I,2,1、反射光中垂直振动强度大于平行振动强度,2、折射光中平行振动强度大于垂直振动强度,垂直、平行振动以入射面为准,12-5-3 反射光、折射光及散射光的偏振性,反射和折射光的偏振,布儒斯特角：,n,1,n,2,布儒斯特定律:,自然光以布儒斯特角入射到两不同介质表面，其反射光为线偏振光，光振动垂直于入射面。,起偏角,以布儒斯特角入射,线偏振光出射,液晶显示器屏幕出射的光是线偏振光，因此，将一块偏振片在其前面旋转会出现亮场和暗场。,偏振片的应用,立体电影,驾驶员戴上偏振太阳镜可以防止马路反射光的炫目。,照相机按上偏振镜可以产生不同的效果，看出来了吗？,用偏光镜消除了反射偏振光 使玻璃门内的人物清晰可见,流水画,光源透过旋转的起偏器，成为振动方向旋转变化的线偏振光，通过背面涂有偏振材料（检偏器）的画面，由于透过光的明暗变化，使画面中涂有偏振材料的部分“动了起来”。,12-6 光的双折射,12-6-1 光在晶体中的双折射,方解石晶体的双折射现象。,双折射现象：,一束光进入某种晶体后会出现两束折射光的现象。,检偏器检验表明：o光和e光都是线偏振光,寻常光线（o光）：恒遵守通常折射定律的光线。,ordinary ray,非常光线（e光）：不遵守通常折射定律的光线。,extraordinary ray,光轴,在晶体中存在一个特殊的方向，沿该方向不会产生双折射现象，这一方向称为,晶体的光轴,。,分类：单轴晶体,uniaxis crystal,只有一个光轴方向,方解石(冰洲石),石英,红宝石,云母 蓝宝石,硫磺,双轴晶体,biaxis crystal,有两个光轴方向,主平面：晶体中任意一条光线与光轴构成的平面。,实验表明：o,光的光振动垂直于它的主平面，e,光的光振动平行于它的主平面。,当入射光线正好在光轴与晶体表面法线所组成的平面内（即光轴位于入射面内）时，o,光和 e 光的主平面以及入射面三者重合，这个重合面称为主截面。,光轴,入射面,法线,o光的主平面,e,光的主平面,注意：光轴不是一条直线，而是一个方向。,主折射率,正晶体,负晶体,o 光在晶体中各个方向上的传播速度相同。,e,光在晶体中各个方向上的传播速度不同。,在光轴方向上，,e,光的传播速度与,o,光相同。,在垂直光轴的方向上，e,光的传播速度与,o,光相差最大,晶 体,n,o,n,e,晶 体,n,o,n,e,方解石,1.6584,1.4864,石英,1.5443,1.5534,电石气,1.669,1.638,冰,1.309,1.313,白云石,1.6811,1.500,硝酸钠,1.585,1.337,几种单轴晶体的折射率（对波长为589.3nm的钠光）,正晶体：石英、冰,负晶体：方解石、电气石、白云石、硝酸钠,正晶体,负晶体,C,A,B,由惠更斯原理解释双折射现象：,无双折射现象,光轴,光轴,由惠更斯原理解释双折射现象：,o光和e光都不折射，但速度和折射率不同，所以两波面并不重合。,o光、e光的一些性质,1、o光e光传播速度一般不同，但沿光轴方向传播方向速度相同（此时无双折射现象）,2、o光、e光均为偏振光，但振动面不同,o光始终在入射面内，在晶体中o光垂直主平面,e光一般不在入射面内，在晶体中e光平行主平面,3、入射光线在晶体主截面内时（三者合一），o光垂直e光。这是实际应用中常见的现象,4、o光、e光在双折射晶体内部才有意义，射出晶体以后就没有意义了,偏振棱镜,尼科耳棱镜,是将天然的方解石晶体按一定的要求加工成两块直角棱镜，然后再用特种树胶把它们粘合起来制成一块斜长方形的光学棱镜。,o,e,A,C,N,M,树胶的折射率：,o,光的折射率：,e,光的主折射率：,全反射,n,大,n,小,大于临界角,加拿大树胶,格兰-傅科棱镜：,格兰-傅科棱镜是尼科耳棱镜的改进型。将一块方解石晶体加工成直角长方体，再切成两个楔型，切开的两部分不用树胶粘合，而代以空气层。,o,光对空气层的临界角：,e,光对空气层的临界角：,光轴,渥拉斯棱镜,是将两块光轴互相垂直的直角方解石粘合而成。,自然光进入晶体1后，由于传播速度不同，产生双折射现象，由于o光、e光的折射率不同，进入晶体2后分成两束。由于晶体光轴互相垂直，晶体1中的o光进入晶体2后变成e光，而晶体1中的e光进入晶体2后则变成o光,12-6-2 椭圆偏振光和圆偏振光 波片,如果两个同频率的线偏振光，振动方向相互垂直，只要它们之间存在恒定的相位差，则在一般情况下两者叠加后其合振动光矢量的端点将描绘出一个椭圆，这样的光称为,椭圆偏振光。,如果合振动光矢量的端点描绘出的是一个圆，则这样的光称为,圆偏振光。,晶片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面与晶体的光轴平行。,正椭圆,线偏振光,正椭圆,线偏振光,椭圆偏振光,光矢量端点在垂直于光传播方向的截面内描绘出椭圆轨迹。检偏器旋转一周，光强两强两弱。,圆偏振光,光矢量端点在垂直于光传播方向的截面内描绘出圆形轨迹。检偏器旋转一周，光强无变化。,四分之一波片：,偏振光通过波片后，o光和e 光的光程差等于,4的奇数倍。,四分之一波片的最小厚度：,偏振光通过,四分之一波片,后出射的是,正椭圆,偏振光。,四分之一波片,线偏振光振动方向与四分之一波片的光轴方向成45角时，通过后线偏振光变为圆偏振光。,d,线偏振光振动方向与四分之一波片的光轴方向的夹角不为45 角时，则通过后线偏振光变为椭圆偏振光。,d,四分之一波片,圆偏振光通过四分之一波片后，变为线偏振光，其振动方向与光轴方向成45角。,d,椭圆偏振光通过四分之一波片后，变为线偏振光，其振动方向与光轴方向的夹角不等于45 角。,d,半波片的最小厚度：,线偏振光通过,半波片,后出射的o光和e光正好,反相位,，合成后仍是,线偏振光,，只是振动方向转过了2,。,半波片：,偏振光通过波片后，o光和e 光的光程差等于,2 的奇数倍。,d,圆偏振镜（CPL镜）。圆偏振镜是由一片线偏振镜（PL）与一片四分之一波片(为特殊双折射材料)，彼此胶合而成。该四分之一波片的光轴与线偏振镜的偏振光振动方向之间成45,夹角。光线自线偏振镜一端射入为正向，自四分之一波片一端射入为反向。正向射向圆偏振镜的自然光，先后通过线偏振镜和四分之一波片后，即成为圆偏振光。,各种光的偏振特性,入射光,检 偏 器 旋 转,部分偏振光？,椭圆偏振光？,有消光,线偏振光,I变,有消光,I不变,自然光？,圆偏振光？,/4,波,片,I变,无消光,无消光,椭圆偏振光,部分偏振光,I变,I不变,圆偏振光,自然光,第一步,第二步,偏振光的检验,12-6-3 偏振光的干涉,从偏振片P得到的线偏振光经过晶片C后，成为两束相互之间有相位差而振动方向互相垂直的o光和e光。(相位差不等于,的整数倍时，构成椭圆偏振光。),椭圆偏振光再穿过一个偏振片A后，由于偏振片只有一个偏振化方向，所以通过偏振片后，这两束互相垂直的同频率、相位差恒定的光，具有了同一个振动方向，因此这两束光成了相干的偏振光。,表示入射偏振光的光矢量，和 分别为 在平行和垂直于晶体主截面方向上的分量。和 表示o光和e光通过偏振片A时,在平行其偏振化方向的分振动，它们就是透过偏振片A的相干光。,若为复色光入射时，晶体对不同波长的光干涉条件各不相同，因此在检偏器后应看到不同的颜色，这种情况，我们称之为色偏振。,色偏振：,当白光照射时，由于偏振光干涉而出现彩色花样的现象。,白光入射,双折射晶体厚度均匀单一颜色,双折射晶体厚度不均匀色偏振,单色光入射,双折射晶体厚度均匀无干涉条纹,双折射晶体厚度不均匀有干涉条纹,取不同厚度的云母片将它们以各种图案贴在玻璃板上，并将其放在两个用白光照明的偏振片之间，出射光的颜色和亮度会发生变化。旋转上面的偏振片，可呈现彩色斑斓的图案花纹。,12-6-4 光弹效应与旋光现象,一.光弹效应,有些各向同性的非晶体透明材料（如玻璃、塑料等）本无双折射性质，但是当它们在受到机械外力时，其内部会产生应力分布，从而导致光学上的各向异性，出现双折射性质，这种现象称为,光弹效应,。,P,1,P,2,d,F,S,F,干涉,有机玻璃,C,应力各向异性,各向不同,n,各向不同,出现干涉条纹,透明介质插在两偏振片之间，不同地点因o光和e光的折射率不同会引起o光和e间不同的相位差，图片将呈现出反映这种差别的干涉图样。应力越集中地方，各向异性越强，干涉条纹越细密。在白光照射下，则显示出彩色的干涉图样。,电光效应,也叫电致双折射效应,(克尔效应),(1875年),l,+,-,45,45,P,1,P,2,克尔盒,d,不加电场液体各向同性P,2,不透光,加电场液体呈单轴晶体性质，,光轴平行,P,2,透光,二.旋光现象,旋光现象：,偏振光在通过某些物质后，其振动面会以光的传播方向为轴转过一个角度的现象。,旋光物质：,具有旋光性质的物质。,右旋物质：,迎着光线射来的方向观察，振动面按顺时针方向旋转的物质。,左旋物质：,振动面按逆时针方向旋转的物质。,旋光度（,）：,偏振光通过旋光物质后，其振动面转过的角度。,旋光度与偏振光通过旋光晶体的距离,d,成正比。,称为介质的旋光率,对于旋光溶液：,c,为溶液的浓度,线偏振光,检偏器,起偏器,自然光,样品室,旋光仪,磁致旋光：,某些磁性物质在外磁场的作用下出现旋光现象，称为,法拉第磁旋效应,。,实验表明，磁致旋光度与样品的长度,l,、所加磁感应强度,B,成正比。,V,称为,费尔德常量,，与物质的性质和光的波长以及温度等有关。,磁旋光玻璃又叫法拉第旋光玻璃，是一种新颖的高科技领域中重要的透明光学功能材料，它能使一束平行于磁场的线偏振光的偏振面发生旋转，磁旋光玻璃广泛地应用于光学、电学、磁学等高科技领域。是高新技术密集产品的核心材料。利用这种材料可以制作光纤通信中的光隔离器，磁光调制器，磁光开关。,