第五篇波動光學(xué).ppt

三 光的偏振 17 13自然光和偏振光 光波是電磁波 電磁波中起光作用的是電場矢量 光矢量 偏振態(tài) 光矢量的振動狀態(tài) 五種偏振態(tài) 自然光 線偏振光 部分偏振光 橢圓偏振光 圓偏振光 1 自然光在垂直于光傳播方向的平面內(nèi) 沿各個方向都有光振動 且各個方向光矢量的振幅相等的光 2 線偏振光光矢量只沿一個固定方向振動的光 又稱平面偏振光 振動面 光矢量 3 部分偏振光 在垂直于光傳播方向的平面內(nèi) 各方向都有光振動 但振幅不等的光 在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi) 光矢量以一定的頻率旋轉(zhuǎn) 4 圓偏振光和橢圓偏振光 橢圓偏振光 矢量端點軌跡為橢圓圓偏振光 矢量端點軌跡為圓 17 14起偏與檢偏馬呂斯定律 一 起偏與檢偏偏振片 吸收某方向光振動 而與其垂直方向的光振動能通過的裝置 偏振化方向 能通過光振動的方向 利用偏振片檢驗光線的偏振化程度 稱為檢偏 自然光通過偏振片后變?yōu)榫€偏振光 稱為起偏 起偏 檢偏 二 馬呂斯定律 馬呂斯定律 a 900或a 2700時 I 0光強(qiáng)最弱 檢偏 例1 兩平行放置的偏振片 偏振化方向成300角 自然光垂直入射后 透射光與入射光的強(qiáng)度之比為多少 分別討論無吸收和10 的吸收的情況 解 無吸收時 根據(jù)馬呂斯定律 10 吸收時 例2 強(qiáng)度分別為I1 I2的自然光和線偏振光同時垂直入射于偏振片P1 在E處觀察通過偏振片P2后的光強(qiáng) 1 P1任意放置后不動 將P2以光線方向為軸轉(zhuǎn)動一周 計算并討論在E處所觀察的光強(qiáng)變化情況 2 要在E處得到最大光強(qiáng) 應(yīng)如何實現(xiàn) 解 設(shè)P1 P2的偏振化方向夾角為 入射線偏振光振動方向與P1偏振化方向夾角為 對自然光 線偏振光 因I1 和I2 是非相干光 即在E處觀察到的光強(qiáng)隨P2的轉(zhuǎn)動而周期性變化 時 時 在E處得到最大光強(qiáng) 須同時滿足 則 17 15反射和折射時光的偏振 一 部分偏振現(xiàn)象 自然光在兩各向同性媒介分界面上反射和折射時 反 折射光均成為部分偏振光 特點 反射光垂直入射面的振動較強(qiáng) 折射光反之 二 布儒斯特定律 1812年布儒斯特發(fā)現(xiàn) 當(dāng)入射角為某特定值時 反射光為振動方向垂直于入射面的線偏振光 此時有 由折射定律 布儒斯特定律 說明 i i0時 反射光為線偏振光 而折射光仍然是部分偏振光 但此時偏振化程度最高 反射光光強(qiáng)較弱 折射光較強(qiáng) 讓自然光通過玻璃片堆 可使折射光的偏振化程度增加 玻璃片足夠多時 可使折射光為完全偏振光 例3 將一介質(zhì)平板放在水中 板面與水平面的夾角為 如圖 已知折射率n水 1 333 n介質(zhì) 1 681 要使水面和介質(zhì)面反射光均為線偏振光 求 解 如圖所示 根據(jù)布儒斯特定律 又 17 16光的雙折射現(xiàn)象 一 雙折射現(xiàn)象 o光 e光 尋常光 o光 遵守折射定律非常光 e光 不遵守折射定律 當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時 o光不動 e光圍繞o光旋轉(zhuǎn) 二 雙折射光的偏振特點 1 概念光軸 光線在晶體中沿某一方向傳播時不發(fā)生雙折射現(xiàn)象 這一方向稱為晶體的光軸 只有一個光軸 如方解石 石英 的晶體為單軸晶體 有兩個光軸 如云母 硫磺 的晶體為雙軸晶體 主截面 光軸和晶體表面法線組成的平面 主平面 某一光線 o光或e光 與光軸組成的平面 光軸 o光 e光 一般情況下 e光不一定在入射面內(nèi) o光和e光的主平面并不重合 主截面 o光主平面 e光主平面 o光和e光均為線偏振光 2 特點 o光的振動方向垂直于它自己的主平面 e光的振動方向平行于它自己的主平面 當(dāng)入射面是晶體的主截面時 o光和e光的主平面重合 此時o光與e光的振動方向相互垂直 三 雙折射現(xiàn)象的解釋 原因 o光在晶體內(nèi)的速度是各向同性的 而e光卻是各向異性的o光 子波波面為球形面 e光 子波波面為旋轉(zhuǎn)橢球面 正晶體 負(fù)晶體 惠更斯原理解釋 四 尼科爾棱鏡 一 橢圓偏振光和圓偏振光的獲得 17 17橢圓和圓偏振光波片 o光和e光同頻率 振動方向垂直 但無固定的位相差 o光和e光由同一光矢量分解而得 在傳播方向任一點它們有固定的位相差 穿過d厚度后 o光和e光得光程差為 當(dāng)D kp時 軌跡為一條直線 此時橢圓偏振光退化為線偏振光當(dāng)D kp時 軌跡為一橢圓 位相差為 討論 當(dāng)D kp p 2時 軌跡為正橢圓偏振光 若Ae Ao 軌跡為圓偏振光 此時q 450 二 四分之一波片 四分之一波片 l 4波片 晶體厚度恰能使o光和e光光程差為l 4的晶片 即 圓或主軸與波片光軸平行的正橢圓偏振光通過l 4波片后可變?yōu)榫€偏振光 或 位相差為的兩相互垂直諧振動的合成 經(jīng)波片 產(chǎn)生位相差 正橢圓 圓 透射時 三 二分之一波片 二分之一波片 l 2波片 晶體厚度恰能使o光和e光光程差為l 2的晶片 即 線偏振光通過l 2波片后仍為線偏振光 但振動方向與原方向相比轉(zhuǎn)過2q角 討論 圓偏振光通過l 2波片后仍為圓偏振光 但轉(zhuǎn)動方向與原來的相反 四 偏振光的檢驗 方法 第一步 讓光通過檢偏器 并讓檢偏器旋轉(zhuǎn)一周 則 線偏振光 兩次光強(qiáng)最大 兩次為零 部分偏振光和橢圓偏振光 兩次光強(qiáng)最大 兩次最小 但不為零 自然光和圓偏振光 光強(qiáng)始終不變 第二步 區(qū)別自然光與圓偏振光 部分偏振光與橢圓偏振光 圓偏振光和橢圓偏振光 由兩個有確定位相差的相互垂直的光振動合成而成 自然光和部分偏振光 不同振動面上的光振動彼此獨立 即兩個相互垂直的振動之間沒有恒定的位相差 基本方法 在檢偏器前加一塊l 4波片 區(qū)別自然光和圓偏振光 區(qū)別部分偏振光和橢圓偏振光 l 4波片的光軸方向平行于橢圓偏振光的長軸或短軸 經(jīng)l 4波片后橢圓偏振光變?yōu)榫€偏振光 可根據(jù)光強(qiáng)的變化進(jìn)行區(qū)別 一 偏振光干涉原理 17 18偏振光的干涉 經(jīng)晶片 o光和e光的位相差為 振動方向垂直 位相差固定 振幅為 經(jīng)檢偏器 o光和e光都沿檢偏器的偏振化方向振動 但振幅矢量方向相反 附加位相差 滿足相干條件 振幅為 振幅相等 兩相干偏振光總的位相差為 討論 D 2kp或 no ne d 2k 1 l 2 D 2k 1 p或 no ne d kl 干涉極大 視場最亮 干涉極小 視場最暗 白光入射則出現(xiàn)色彩 色偏振 晶片厚度不均勻時 出現(xiàn)干涉條紋 二 人工雙折射 各向同性非晶體在人為條件下 變?yōu)楦飨虍愋远a(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象 1 光彈性效應(yīng) 在機(jī)械力作用下產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象 實驗表明 k 比例系數(shù)