晶體光學(xué)講得好

1、1第五章第五章 光的偏振光的偏振 偏振光的分類偏振光的分類 馬呂斯定律馬呂斯定律 布儒斯特定律布儒斯特定律 光的雙折射現(xiàn)象光的雙折射現(xiàn)象 橢圓與圓偏振光的產(chǎn)生橢圓與圓偏振光的產(chǎn)生 偏振態(tài)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)偏振態(tài)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) 偏振光的干涉偏振光的干涉25-1 5-1 自然光和偏振光自然光和偏振光 一、光的偏振現(xiàn)象一、光的偏振現(xiàn)象 (1) 波振動(dòng)方向與傳播方向相同的稱縱波波振動(dòng)方向與傳播方向相同的稱縱波(2) 波振動(dòng)方向與波傳播方向相互垂直的稱橫波波振動(dòng)方向與波傳播方向相互垂直的稱橫波(3) 光振動(dòng)方向與運(yùn)動(dòng)方向構(gòu)成的平面稱為振動(dòng)光振動(dòng)方向與運(yùn)動(dòng)方向構(gòu)成的平面稱為振動(dòng)面面(4) (4) 縱波的振動(dòng)面不能確定

2、縱波的振動(dòng)面不能確定 ，振動(dòng)對(duì)傳播方向具，振動(dòng)對(duì)傳播方向具 有對(duì)稱性有對(duì)稱性 (5) 橫波的振動(dòng)面只有一個(gè)，振動(dòng)方向?qū)鞑シ较驒M波的振動(dòng)面只有一個(gè)，振動(dòng)方向?qū)鞑シ较?是不對(duì)稱的。是不對(duì)稱的。 (6) 振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性就稱為偏振振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性就稱為偏振 3 假定存在這樣的狹縫，垂直縫的方向光振動(dòng)被吸假定存在這樣的狹縫，垂直縫的方向光振動(dòng)被吸收，而平行狹縫方向的光振動(dòng)是不受影響，則轉(zhuǎn)收，而平行狹縫方向的光振動(dòng)是不受影響，則轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫，透過光將出現(xiàn)明暗強(qiáng)度的變化，這就是動(dòng)狹縫，透過光將出現(xiàn)明暗強(qiáng)度的變化，這就是偏振現(xiàn)象偏振現(xiàn)象。 光振動(dòng)的不同狀態(tài)，偏振光分為五種：自然光

3、、光振動(dòng)的不同狀態(tài)，偏振光分為五種：自然光、線偏振光（又稱平面偏振光）、部分偏振光、圓線偏振光（又稱平面偏振光）、部分偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。偏振光和橢圓偏振光。二、自然光二、自然光 自然光是指電矢量具有自然光是指電矢量具有空間分布的均勻性空間分布的均勻性，又，又有有時(shí)間分布的均勻性時(shí)間分布的均勻性，也就是在軸對(duì)稱的各個(gè)方，也就是在軸對(duì)稱的各個(gè)方向上電矢量的時(shí)間平均值是相等的。向上電矢量的時(shí)間平均值是相等的。 4圖圖 自然光示意圖自然光示意圖三、三、平面偏振光與部分偏振光平面偏振光與部分偏振光 光在傳播過程中電矢量的振動(dòng)只限于某一確定光在傳播過程中電矢量的振動(dòng)只限于某一確定振動(dòng)平面振動(dòng)平

4、面-平面偏振光平面偏振光，又稱，又稱線偏振光線偏振光。圖圖 線偏振光示意圖線偏振光示意圖 5部分線偏振光是介于自然光與線偏振光之間。部分線偏振光是介于自然光與線偏振光之間。圖圖 部分偏振光示意圖部分偏振光示意圖 minmaxminmaxIIIIP 偏振度偏振度： 其中其中Imax某一方向所具有的能量最大值，某一方向所具有的能量最大值，Imin為其為其垂直方向上具有的能量最小值。自然光的垂直方向上具有的能量最小值。自然光的P=0P=0；線線偏振光的偏振光的P=1P=1。 65-2 5-2 馬呂斯定律馬呂斯定律一、一、馬呂斯定律馬呂斯定律 (1) 光的偏振現(xiàn)象可用偏振片來觀察光的偏振現(xiàn)象可用偏振片

5、來觀察(2) 偏振片有一個(gè)特殊的方向，當(dāng)光振動(dòng)方向平行于偏振片有一個(gè)特殊的方向，當(dāng)光振動(dòng)方向平行于這個(gè)方向時(shí)，光才能通過。這個(gè)方向時(shí)，光才能通過。 P1、P2的夾角為的夾角為 ，由圖知：，由圖知：A/=Acos 與與A =Asin 則透射光的強(qiáng)度：則透射光的強(qiáng)度：I =A2cos2 =I0cos2 。 上述為上述為馬呂斯定律馬呂斯定律。 7自然光與部分線偏振光中獲取線偏振光常見方法：自然光與部分線偏振光中獲取線偏振光常見方法： （1 1）利用晶體的雙折射現(xiàn)象；）利用晶體的雙折射現(xiàn)象； （2 2）利用光的反射與折射；）利用光的反射與折射； （3 3）利用晶體的二向色性。）利用晶體的二向色性。二、

6、二向色性產(chǎn)生的線偏振光二、二向色性產(chǎn)生的線偏振光 二向色性是指有些晶體對(duì)不同方向振動(dòng)的電矢量二向色性是指有些晶體對(duì)不同方向振動(dòng)的電矢量具有選擇吸收的性質(zhì)。具有選擇吸收的性質(zhì)。 天然的二向色性晶體是電氣石。天然的二向色性晶體是電氣石。 人造的二向色性晶體是聚乙烯醇片，用碘浸染。人造的二向色性晶體是聚乙烯醇片，用碘浸染。 自然光與線偏振光經(jīng)過二向色性晶體的透射光為自然光與線偏振光經(jīng)過二向色性晶體的透射光為一束線偏振光。一束線偏振光。 85-3 5-3 反射與折射起偏反射與折射起偏12210101010cossincossinnniiiitgi一、反射光的偏振態(tài)一、反射光的偏振態(tài) 自然光入射到介質(zhì)界

7、面：自然光入射到介質(zhì)界面： （1 1）當(dāng)）當(dāng)i i1 1=0=0 ，9090 時(shí)，反射光仍然是自然光；時(shí)，反射光仍然是自然光； （2 2）在其他角度，反射光是部分偏振光，且它的）在其他角度，反射光是部分偏振光，且它的 平行分量總是小于垂直分量；平行分量總是小于垂直分量；（3 3）當(dāng)入射角滿足公式當(dāng)入射角滿足公式i1+i2=90 時(shí)，反射光為振時(shí)，反射光為振 動(dòng)垂直于紙面的線偏振光，這個(gè)特殊入射角動(dòng)垂直于紙面的線偏振光，這個(gè)特殊入射角 稱全偏振角（布儒斯特角），用稱全偏振角（布儒斯特角），用i10表示。表示。-布儒斯特布儒斯特定律定律 9二、透射光的偏振態(tài)二、透射光的偏振態(tài) 自然光以任意角入射介

8、質(zhì)界面發(fā)生折射，從介質(zhì)自然光以任意角入射介質(zhì)界面發(fā)生折射，從介質(zhì)透射出來的光總是部分偏振光，其平行于入射面透射出來的光總是部分偏振光，其平行于入射面的分量大于垂直分量。的分量大于垂直分量。5-4 5-4 光的雙折射現(xiàn)象光的雙折射現(xiàn)象一、一、雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象 (1) 光入射到各向異性的介質(zhì)中，同一束光折射后分光入射到各向異性的介質(zhì)中，同一束光折射后分成兩束折射光的現(xiàn)象稱為成兩束折射光的現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象。(2) (2) 雙折射光中，其中一束折射光按折射定律所指雙折射光中，其中一束折射光按折射定律所指定的方向傳播，稱為定的方向傳播，稱為尋常光尋常光（簡(jiǎn)稱（簡(jiǎn)稱o o光光）。）。21s

9、insinii(3)(3)一束折射光在晶體內(nèi)傳播方向不符合折射定律，一束折射光在晶體內(nèi)傳播方向不符合折射定律， 不是常數(shù)，不是常數(shù)，稱為稱為非常光非常光（簡(jiǎn)稱（簡(jiǎn)稱e e光光）。）。10二、光軸與主截面二、光軸與主截面 光沿一些特殊方向傳播時(shí)不發(fā)生雙折射現(xiàn)象，沿光沿一些特殊方向傳播時(shí)不發(fā)生雙折射現(xiàn)象，沿這些特殊方向任一條直線，叫做這些特殊方向任一條直線，叫做晶體的光軸晶體的光軸。 主截面主截面：包括晶體光軸和一條給定光線的平面稱：包括晶體光軸和一條給定光線的平面稱與這條光線對(duì)應(yīng)的晶體的主截面。與這條光線對(duì)應(yīng)的晶體的主截面。 o o光的振動(dòng)垂直于自己的主截面。光的振動(dòng)垂直于自己的主截面。 e e

10、光的振動(dòng)面平行于自己的主截面。光的振動(dòng)面平行于自己的主截面。三、三、o o光與光與e e光的相對(duì)光強(qiáng)光的相對(duì)光強(qiáng) 2)(tgnnIIeoeo 晶體中晶體中e e光與光與o o光的相對(duì)光強(qiáng)為：光的相對(duì)光強(qiáng)為： 2tgIIeoe e光與光與o o光光射出晶體后射出晶體后的相對(duì)光強(qiáng)為：的相對(duì)光強(qiáng)為： 11四、四、雙折射現(xiàn)象的解釋雙折射現(xiàn)象的解釋 o o光的光的振動(dòng)永遠(yuǎn)垂直于光軸，振動(dòng)永遠(yuǎn)垂直于光軸，在各個(gè)方向傳播速度在各個(gè)方向傳播速度是一致的，它的是一致的，它的波面是一個(gè)球面波面是一個(gè)球面； 非常光非常光e e光，振動(dòng)方向與光軸成不同的角度，傳光，振動(dòng)方向與光軸成不同的角度，傳播速度將隨傳播方向的改

11、變而改變，設(shè)振動(dòng)垂直播速度將隨傳播方向的改變而改變，設(shè)振動(dòng)垂直光軸的光傳播速度為光軸的光傳播速度為V Vo o，平行于光軸的光傳播速平行于光軸的光傳播速度為度為V Ve e，對(duì)于其他情況下，光傳播速度介于對(duì)于其他情況下，光傳播速度介于V Vo o與與V Ve e之間，則之間，則e e光的波面是一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球面光的波面是一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球面。 單軸晶體分兩類：?jiǎn)屋S晶體分兩類： （1 1）V Vo oVVe e，則旋轉(zhuǎn)橢球波面在球面波面內(nèi)，稱為則旋轉(zhuǎn)橢球波面在球面波面內(nèi)，稱為正晶體；正晶體；（2 2）V Vo o V = 21一、橢圓與圓偏振光一、橢圓與圓偏振光 )cos(kzwtAExx)cos( kz

12、wtAEyy 22222sincos2yyxxyyxxAEAEAEAE 橢圓偏振光可用兩列頻率相同、振動(dòng)方向相橢圓偏振光可用兩列頻率相同、振動(dòng)方向相互垂直，且沿同一方向傳播的線偏振光疊加得到互垂直，且沿同一方向傳播的線偏振光疊加得到，設(shè)光波沿，設(shè)光波沿z z軸方向傳播，有：軸方向傳播，有：消去消去wt-kzwt-kz可得：可得： 上上式是橢圓方程，它的主軸不在式是橢圓方程，它的主軸不在x x軸上。軸上。 22圖圖 橢圓偏振光示意圖橢圓偏振光示意圖 幾種特殊的情況幾種特殊的情況：12222yyxxAEAE2 k（1） ，k=0， 1， 上式所示的為正橢圓偏振光，特別當(dāng)上式所示的為正橢圓偏振光，特

13、別當(dāng)A Ax x=A=Ay y時(shí)，上時(shí)，上式即是圓偏振光的表達(dá)式。式即是圓偏振光的表達(dá)式。23（2） ，k=0， 1， kxxyxEAAE上式所表示的是線偏振光上式所表示的是線偏振光。 迎著光的傳播方向觀察，一個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的電矢量端點(diǎn)迎著光的傳播方向觀察，一個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的電矢量端點(diǎn)描出的橢圓沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，稱描出的橢圓沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，稱右旋橢圓偏振右旋橢圓偏振光光；電矢量端點(diǎn)描出的橢圓沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，；電矢量端點(diǎn)描出的橢圓沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，稱稱左旋橢圓偏振光左旋橢圓偏振光。 橢圓偏振光的物理圖象（右旋）：電矢量大小不橢圓偏振光的物理圖象（右旋）：電矢量大小不斷地變化，方向也不斷地改變，在某一時(shí)刻電矢

14、斷地變化，方向也不斷地改變，在某一時(shí)刻電矢量末端構(gòu)成一右旋螺線，迎著光觀察，則隨時(shí)間量末端構(gòu)成一右旋螺線，迎著光觀察，則隨時(shí)間的推移，整個(gè)螺線按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。的推移，整個(gè)螺線按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。 24二、橢圓、圓偏振光的產(chǎn)生二、橢圓、圓偏振光的產(chǎn)生 自然光經(jīng)尼科耳棱鏡或偏振片自然光經(jīng)尼科耳棱鏡或偏振片P P成為一束線偏成為一束線偏振光，然后垂直入射到一塊光軸平行于晶面的晶振光，然后垂直入射到一塊光軸平行于晶面的晶體薄片，則從晶體中射出，體薄片，則從晶體中射出，o o光與光與e e光將合成橢圓光將合成橢圓偏振光，其偏振類型決定于晶片厚度及入射線偏偏振光，其偏振類型決定于晶片厚度及入射線偏振光的振

15、動(dòng)面與晶片光軸夾角。振光的振動(dòng)面與晶片光軸夾角。 線偏振光垂直入射線偏振光垂直入射 /4/4波片，如果入射線偏振波片，如果入射線偏振光的振動(dòng)面與光軸成光的振動(dòng)面與光軸成4545 ，則從，則從 /4/4波片出射的光波片出射的光為為圓偏振光圓偏振光。 線偏振光垂直入射線偏振光垂直入射 /2/2波片，產(chǎn)生波片，產(chǎn)生線偏振光線偏振光，但透射光的振動(dòng)面將轉(zhuǎn)動(dòng)但透射光的振動(dòng)面將轉(zhuǎn)動(dòng)2 2 。 25三、三、自然光中產(chǎn)生橢圓或圓偏振光自然光中產(chǎn)生橢圓或圓偏振光 要使自然光轉(zhuǎn)化成橢圓偏振光，首先是使自然要使自然光轉(zhuǎn)化成橢圓偏振光，首先是使自然光通過一個(gè)偏振片，產(chǎn)生線偏振光，然后將它垂光通過一個(gè)偏振片，產(chǎn)生線偏振

16、光，然后將它垂直入射到一塊波晶片上。直入射到一塊波晶片上。 一個(gè)恰當(dāng)取向的起偏器和一塊波晶片的串接組一個(gè)恰當(dāng)取向的起偏器和一塊波晶片的串接組合叫做合叫做橢圓偏振器橢圓偏振器。 產(chǎn)生圓偏振光的則要求起偏器的透振方向與產(chǎn)生圓偏振光的則要求起偏器的透振方向與 /4/4波片的光軸成波片的光軸成4545 。透振方向與光軸成。透振方向與光軸成4545 的一個(gè)的一個(gè)起偏器和一塊起偏器和一塊 /4/4波片波晶片的串接組合叫做波片波晶片的串接組合叫做圓偏圓偏振器振器。265-7 5-7 偏振態(tài)的實(shí)驗(yàn)檢定偏振態(tài)的實(shí)驗(yàn)檢定 第一步第一步令待檢光通過偏振片，旋轉(zhuǎn)偏振片，觀察透射光令待檢光通過偏振片，旋轉(zhuǎn)偏振片，觀察透

17、射光的強(qiáng)度變化的強(qiáng)度變化觀察到觀察到的現(xiàn)象的現(xiàn)象有消有消光光強(qiáng)度無變化強(qiáng)度無變化強(qiáng)度有變化，但不出現(xiàn)強(qiáng)度有變化，但不出現(xiàn)消光消光結(jié)論結(jié)論線偏線偏振光振光自然光自然光或或圓偏圓偏振光振光部分偏振光部分偏振光或或橢圓偏振橢圓偏振光光 第二步第二步 偏振片前插入偏振片前插入 /4波片，旋轉(zhuǎn)偏振波片，旋轉(zhuǎn)偏振片，觀察透射光片，觀察透射光強(qiáng)度變化強(qiáng)度變化偏振片前插入偏振片前插入 /4波片，其波片，其光軸與第一步強(qiáng)度最大方光軸與第一步強(qiáng)度最大方向一致，旋轉(zhuǎn)偏振片，觀向一致，旋轉(zhuǎn)偏振片，觀察透射光強(qiáng)度變化察透射光強(qiáng)度變化觀察到觀察到的現(xiàn)象的現(xiàn)象 強(qiáng)度無強(qiáng)度無變化變化有消有消光光強(qiáng)度有變化強(qiáng)度有變化但不出現(xiàn)消

18、但不出現(xiàn)消光光有消光有消光結(jié)論結(jié)論 自然光自然光圓偏振圓偏振光光部分偏振光部分偏振光橢圓偏振橢圓偏振光光275-8 5-8 偏振光的干涉偏振光的干涉一、一、偏振光干涉實(shí)驗(yàn)偏振光干涉實(shí)驗(yàn) 兩塊共軸偏振片兩塊共軸偏振片P P1 1和和P P2 2之間放一塊厚度為之間放一塊厚度為d d的的波晶片，自然光經(jīng)過第一塊偏振片后成為線偏振波晶片，自然光經(jīng)過第一塊偏振片后成為線偏振光，在垂直入射到波晶片上，產(chǎn)生的光，在垂直入射到波晶片上，產(chǎn)生的o o光與光與e e光之光之間有不同的位相，第二塊偏振片間有不同的位相，第二塊偏振片P P2 2將兩束光引導(dǎo)將兩束光引導(dǎo)到相同的方向上，從而產(chǎn)生了干涉。到相同的方向上，

19、從而產(chǎn)生了干涉。圖圖 偏振光干涉實(shí)驗(yàn)裝置示意圖偏振光干涉實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 28二、二、偏振光干涉的強(qiáng)度分布偏振光干涉的強(qiáng)度分布sinsinsin12AAAoo coscoscos12AAAee sin1AAo cos1AAe 通過偏振片通過偏振片P P1 1后線偏振光振幅為后線偏振光振幅為A A1 1，波晶片光波晶片光軸夾角為軸夾角為 ，進(jìn)入波晶片后分解成，進(jìn)入波晶片后分解成o o光與光與e e光，它們光，它們的振幅為：的振幅為： ； 。偏振。偏振片片P P2 2的透振方向與波晶片光軸的夾角為的透振方向與波晶片光軸的夾角為 ，則兩束，則兩束透射光的振幅分別為透射光的振幅分別為：29A A2o2o

20、與與A A2e2e兩束光相干后的強(qiáng)度為：兩束光相干后的強(qiáng)度為：2sin2sin2sin)(coscos22221222222AAAAAIeoeo 其中其中是指從是指從P P2 2出射時(shí)兩束相干光的相位差，出射時(shí)兩束相干光的相位差，包括兩部分：包括兩部分：dnneo)(2 （1 1）波晶片所產(chǎn)生的相位差）波晶片所產(chǎn)生的相位差 ，d d為波晶片的厚度；為波晶片的厚度；（2 2）附加位相差）附加位相差 ，當(dāng)，當(dāng)P P2 2和和P P1 1的透振方向處于相同的的透振方向處于相同的象限時(shí)，不存在附加位相差象限時(shí)，不存在附加位相差 ，而而P P2 2和和P P1 1的透振方的透振方向處于不同的象限時(shí)，則存

21、在附加位相差向處于不同的象限時(shí)，則存在附加位相差 。 30兩種特殊情況：兩種特殊情況：2sin)2(sin1 2221/ AI2sin)2(sin2sin)2(sin)22(cos222122221AAI （1 1） 的情況下，即的情況下，即P P2 2和和P P1 1的透振方向相互的透振方向相互平行，則平行，則 2 （2 2） ，即，即P P2 2和和P P1 1的透振方向相互垂直，則的透振方向相互垂直，則 21/AII 可見：可見： ，說明平行偏振片與垂直偏，說明平行偏振片與垂直偏振片的干涉強(qiáng)度是互補(bǔ)的。振片的干涉強(qiáng)度是互補(bǔ)的。 31偏振光干涉的特點(diǎn)：偏振光干涉的特點(diǎn)：1.1.晶片厚度均勻，透過晶片各部分的兩種光有相同晶片厚度均勻，透過晶片各部分的兩種光有相同光程差，屏上強(qiáng)度相同，旋轉(zhuǎn)晶片，即改變光程差，屏上強(qiáng)度相同，旋轉(zhuǎn)晶片，即改變 ，強(qiáng)度發(fā)生變化，旋轉(zhuǎn)偏振片，強(qiáng)度也發(fā)生變化。強(qiáng)度發(fā)生變化，旋轉(zhuǎn)偏振片，強(qiáng)度也發(fā)生變化。2.2.一定材質(zhì)的波晶片，一定材質(zhì)的波晶片，與入射光波長(zhǎng)有關(guān)，白光與入射光波長(zhǎng)有關(guān)，白光入射，可能有幾種波長(zhǎng)光滿足相長(zhǎng)條件，另外幾入射，可能有幾種波長(zhǎng)光滿足相長(zhǎng)條件，另外幾種波長(zhǎng)光滿足相消條件，透射光呈一定顏色；旋種波長(zhǎng)光滿足相消條件