光學教程 課件第五章3

1、12、n1n21、用惠更斯原理確定折射光的傳播方向、用惠更斯原理確定折射光的傳播方向. 一、單軸晶體內一、單軸晶體內o o光與光與e e光的傳播方向光的傳播方向3空氣空氣晶體晶體（1 1）光軸平行于入射面）光軸平行于入射面. .方解石方解石( (負）負）486. 1en658. 1on.486. 1658. 1eooennvv光軸光軸ABDeeoo2.用惠更斯作圖法確定光在晶體中的傳播方向用惠更斯作圖法確定光在晶體中的傳播方向 一、單軸晶體內一、單軸晶體內o o光與光與e e光的傳播方向光的傳播方向4(2)(2)光軸垂直于入射面光軸垂直于入射面, ,石英石英( (正正) ),55. 1en,5

2、4. 1on.55. 154. 1eooennvv空氣空氣晶體晶體光軸光軸ABDooeeOE 一、單軸晶體內一、單軸晶體內o o光與光與e e光的傳播方向光的傳播方向5a a 光軸平行于入射面光軸平行于入射面, ,垂直于晶體表面垂直于晶體表面空氣空氣方解石方解石n1n0、neAAo（e）光光光軸方向光軸方向o光光e光傳播方向相同，不發(fā)生雙折射，光傳播方向相同，不發(fā)生雙折射，傳播速傳播速度相同度相同 一、單軸晶體內一、單軸晶體內o o光與光與e e光的傳播方向光的傳播方向6b b 光軸平行于入射面光軸平行于入射面, ,平行于晶體表面平行于晶體表面空氣空氣方解石方解石n1n0、ne光軸方向光軸方向

3、AAo光光e光傳播方向相同，但光傳播方向相同，但傳播速度不同傳播速度不同o光e光光 一、單軸晶體內一、單軸晶體內o o光與光與e e光的傳播方向光的傳播方向7空氣空氣石英石英光軸光軸ooee C C 光軸垂直于入射面光軸垂直于入射面, ,平行于晶體表面平行于晶體表面, ,o光光e光傳播方向相同，但光傳播方向相同，但傳播速度不同傳播速度不同 一、單軸晶體內一、單軸晶體內o o光與光與e e光的傳播方向光的傳播方向89的偏振態(tài)有相位差，改變入射光使兩束光波晶片兩束光的傳播速度不同光束光分開，獲得線偏振使兩雙折射棱鏡兩束光都是線偏振光10一、一、 尼科耳棱鏡尼科耳棱鏡 11eoe(方解石方解石)一、

4、一、 尼科耳棱鏡尼科耳棱鏡 鈉光自然光鈉光自然光480光軸光軸加拿大樹膠加拿大樹膠涂黑涂黑710線偏線偏振光振光680486. 1en658. 1on全反射臨界角光入射角,70685. 155. 1sin761ciio122.作用：作用： 起偏器起偏器 檢偏器：檢偏器：透射出尼科耳后的線偏振光透射出尼科耳后的線偏振光（e光）的光強為：光）的光強為：符合馬呂斯定律2ocosII一、一、 尼科耳棱鏡尼科耳棱鏡 a. 平行尼科耳平行尼科耳b. 正交尼科耳：正交尼科耳：13o傅科棱鏡傅科棱鏡 光光軸軸 光光軸軸鈉光自鈉光自然光然光e線偏振光線偏振光一、一、 尼科耳棱鏡尼科耳棱鏡 14ADCB1 1、結

5、構、結構 光軸光軸方向方向光軸光軸方向方向ADCB兩棱鏡兩棱鏡光軸相互垂直光軸相互垂直 棱鏡棱鏡ADBADB主截面平行屏面主截面平行屏面棱鏡棱鏡CDBCDB主截面垂直屏面主截面垂直屏面棱鏡棱鏡ADBADB產生的產生的o o光光e e光不光不分開，但速度不同分開，但速度不同MN二、沃拉斯頓棱鏡二、沃拉斯頓棱鏡2 2、原理、原理15振動振動垂直于屏面的偏振光垂直于屏面的偏振光對對ADB為為o光，對光，對CDB為為e光光 ADCBMN2112,oenn光密光疏振動振動在屏面內偏振光在屏面內偏振光對對ADB為為e光，對光，對CDB 為為o光。光。光疏光密光疏光密 從從出射兩束彼此分開振動方向相互垂直的

6、偏振光出射兩束彼此分開振動方向相互垂直的偏振光 當當不很大時，兩束出射光幾乎對稱地分開不很大時，兩束出射光幾乎對稱地分開21 可證明可證明兩出射光夾角兩出射光夾角22arcsinoenntg二、沃拉斯頓棱鏡二、沃拉斯頓棱鏡16方解石制成的羅匈棱鏡方解石制成的羅匈棱鏡鈉光自然光鈉光自然光e eo o玻璃和方解石制成玻璃和方解石制成的偏振器的偏振器enn 鈉光自然光鈉光自然光e eo o二、沃拉斯頓棱鏡二、沃拉斯頓棱鏡17yxoP1 1、波片結構、波片結構光軸與晶體表面平行。光軸與晶體表面平行。zAAoAeoenn三三. 波片波片光軸方向光軸方向Ao光e光光dnndndneoeo)(22()oen

7、n d18 四分之一波片四分之一波片光程差光程差4)(dnneo位相差位相差2 取取()(21)4oenn dk 取取(21)(1,2)2kk 三三. 波片波片2)(dnneo ()(21)2oenn dk (21)(1,2)kk 全波片kdnneo)(2(1,2)kk 二分之一波片二分之一波片19光程差光程差: 122()oeddnn12dd: 可變可變 光程差可調可變光程差可調可變 四、可變位相延遲板四、可變位相延遲板1、 巴俾涅補償器巴俾涅補償器(Babinet)202、索列爾補償器、索列爾補償器(Soleil) 122()oeddnn四、可變位相延遲板四、可變位相延遲板2122一、圓偏

8、振光和橢圓偏振光概述一、圓偏振光和橢圓偏振光概述1、圓偏振光：、圓偏振光：光矢量的光矢量的大小不變，方向隨時間大小不變，方向隨時間以角速度以角速度 旋轉，其末旋轉，其末端軌跡是圓。端軌跡是圓。yxoPzAAoAexyz232.2.橢圓偏振光：橢圓偏振光：光矢量的方光矢量的方向和大小都在隨時間改變向和大小都在隨時間改變, ,光光矢量的端點描出一個橢圓。矢量的端點描出一個橢圓。一、圓偏振光和橢圓偏振光概述一、圓偏振光和橢圓偏振光概述xy24振動面振動面ZE25二、圓二、圓和和橢圓橢圓偏振光的描述偏振光的描述頻率相同頻率相同振動方向相互垂直振動方向相互垂直位相差恒定位相差恒定沿沿z z方向傳播方向傳

9、播的兩線的兩線偏振光的疊加偏振光的疊加)cos(kztAExx)cos(kztAEyy合成波的表達式為合成波的表達式為cos()cos()xxyyxxyyE eE eAtkz eAtkzeE xxAEkzt)cos(22)(1)(cos1)sin(xxAEkztkztsin)sin(cos)cos(kztkztAEyy26sin)(1cos2xxxxyyAEAEAE222sincos2)()(yxyxyyxxAAEEAEAE橢圓的一般方程橢圓的一般方程二、圓二、圓和和橢圓橢圓偏振光的描述偏振光的描述Ax-AxAy-AyOExEyEEx 在在Ax之間變化之間變化Ey在在Ay之間變化之間變化橢圓軸

10、與橢圓軸與x夾角夾角cos2222yxyxAAAAtg271.1.討論：討論：222sincos2)()(yxyxyyxxAAEEAEAE（1 1）=0=0或或22的整數倍：的整數倍：02)()(22yxyxyyxxAAEEAEAE0)(2yyxxAEAExxyyEAAE 直線方程直線方程（2 2）=(2k+1)(2k+1)xxyyEAAE直線方程直線方程=0=0 = 28（3 3） =/2/2及其奇數倍：例及其奇數倍：例=/2=/21)()(22yyxxAEAE標準橢圓方程標準橢圓方程若若Ax=Ay，圓偏振光圓偏振光1.1.討論：討論：222sincos2)()(yxyxyyxxAAEEAE

11、AE=/2292、橢圓偏振光的旋向迎光傳播方向迎光傳播方向合矢量順時針旋轉，合矢量順時針旋轉，右旋偏振光右旋偏振光合矢量逆時針旋轉，合矢量逆時針旋轉，左旋偏振光左旋偏振光判據判據在一個周期內在一個周期內0 2 左旋偏振光左旋偏振光右旋偏振光右旋偏振光二、圓二、圓和和橢圓橢圓偏振光的描述偏振光的描述30（a）=0 （b）0 /2（d）/2（e）= （f）0 3/2（g）=3/2（h）3/22（c）=/2二、圓二、圓和和橢圓橢圓偏振光的描述偏振光的描述311 1、橢圓、橢圓偏振器偏振器線偏振光垂直入射到波片上獲得橢圓線偏振光垂直入射到波片上獲得橢圓偏振光。偏振光。2 2、圓、圓偏振器偏振器垂直入射

12、到垂直入射到1/41/4波片，線偏振光的振動方向與光波片，線偏振光的振動方向與光軸成軸成4545，獲得圓，獲得圓偏振光。偏振光。yxzdExEyEO光軸方向三、圓三、圓和和橢圓橢圓偏振光的獲得偏振光的獲得3233一、平面偏振光一、平面偏振光的檢定的檢定方法：檢振器方法：檢振器光強變化光強變化有消光：有消光：平面偏振光平面偏振光 無消光無消光（待定）（待定）部分偏振光部分偏振光橢圓偏振光橢圓偏振光光強不變光強不變（待定）（待定）自然光自然光圓偏振光圓偏振光旋轉偏振片旋轉偏振片被檢光被檢光34二、自然光和圓偏振光的檢定二、自然光和圓偏振光的檢定旋轉偏振片旋轉偏振片 波片波片自然光自然光圓偏振光圓偏

13、振光自然光自然光線偏振光線偏振光光強變化且消光光強變化且消光圓偏振光圓偏振光光強不變?yōu)楣鈴姴蛔優(yōu)樽匀还庾匀还夥椒ǎ悍椒ǎ河糜?波片和檢振器波片和檢振器35三、部分偏振光和橢圓偏振光的檢定三、部分偏振光和橢圓偏振光的檢定旋轉偏振片旋轉偏振片 波片波片橢圓偏振光橢圓偏振光線偏振光線偏振光光強變化且消光光強變化且消光橢圓偏振光橢圓偏振光光強變化無消光光強變化無消光部分偏振光部分偏振光部分偏部分偏振光振光部分偏部分偏振光振光3637P2條件：頻率相同、振動方向在一條直線上、位相差恒定xoP1y光軸方向E1dzP P1 1 的作用：的作用：獲得線偏振光獲得線偏振光波片的作用：波片的作用：獲得有固定位相差

14、獲得有固定位相差P P2 2 的作用：的作用：使振動方向一致使振動方向一致一、一、 偏振光干涉典型的實驗裝置偏振光干涉典型的實驗裝置注意：注意：，取銳角取銳角38y yP P1 1P P2 2設設P P1 1 與與y y（波片光軸）的夾角為（波片光軸）的夾角為，P P2 2 與與y y的夾角為的夾角為A A1 1A Ae eA Ao oA A2e2e過過P P1 1 后振幅為后振幅為A A1 1過波片后分為過波片后分為sin1AAocos1AAeA A2o2o過過P P2 2后振幅為后振幅為A2 sinsinsin12AAAoocoscoscos12AAAee二、線偏振光干涉的強度分布二、線偏

15、振光干涉的強度分布cos22222222eoeoAAAAAI2sin2sin2sin)(cos2221 A39兩部分組成兩部分組成 由波片引起的位相差由波片引起的位相差dnneo)(2 由由P1 和和P2 透振方向引起的位相差透振方向引起的位相差yP1P2A1AeAoA2eA2o1、A2o和和A2e 方向相同方向相同2、A2o和和A2e 方向相反方向相反0)(20dnneoP1P2yA1A2eAoAeA2o二、線偏振光干涉的強度分布二、線偏振光干涉的強度分布40關于光強關于光強I 的討論的討論2221cos ()sin2 sin2 sin2IA P1 和和P2 的透振方向相互平行的透振方向相互

16、平行2sin2sin1 2221/ AI45cos1 22sin1 21221/AAI二、線偏振光干涉的強度分布二、線偏振光干涉的強度分布02/1IA23,2, 0I/ 取極大取極大45,43,4I/ 取極小取極小 恒定恒定波片厚度波片厚度 d 確定，確定，極值條件極值條件41221sin 2 (1 cos)2AI P1 和和P2 的透振方向相互垂直的透振方向相互垂直2sincossinsin112AAAocossincoscos112AAAeeoAA222221sin 2 cos2IA 45)cos1 (221AIP1P2yA1A2eAoAeA2o00I23,2, 0I=0，取極小，取極小4

17、5,43,4I取極大取極大極值條件極值條件二、線偏振光干涉的強度分布二、線偏振光干涉的強度分布2221cos ()sin2 sin2 sin2IA42yPxoPE1dz P1 和和P2 的相互垂直，的相互垂直， 明暗條紋條件)3 , 2 , 1(2)(2kkdnneo)3 , 2 , 1() 12()(2kkdnneo1cos1cos 暗條紋暗條紋明明條紋條紋三、線偏振光干涉條紋三、線偏振光干涉條紋221sin 2 (1 cos)2AI43石英劈尖的偏振光干涉（等厚條紋）石英劈尖的偏振光干涉（等厚條紋）4445各向同性物質外界作用各向異性物質各向異性物質外界作用物質的各向異性變化46一、一、光

18、的彈性效應（光的彈性效應（應力雙折射）應力雙折射）1、彈性效應：、彈性效應：各向同性的材料在受到應力的情況各向同性的材料在受到應力的情況下成為各向異性材料，并具有雙折射現象下成為各向異性材料，并具有雙折射現象P1P2 dSF干涉干涉有機玻璃有機玻璃CFoennC2Cd光軸與光軸與F F平行平行47二、電光效應二、電光效應（1 1）. .克爾效應克爾效應(Kerr )(Kerr )，二次電光效應，二次電光效應1.電光效應：電光效應：在各向同性介質中加電場使其現出各在各向同性介質中加電場使其現出各向異性，從而使光產生雙折射。向異性，從而使光產生雙折射。通電：單晶性質（光軸與通電：單晶性質（光軸與E

19、 E平行）平行） 檢偏起偏光軸克爾盒克爾盒+_N1EN2k k 克爾常數克爾常數 E E 電場強度電場強度2eokEnn48相位差為：相位差為：d d平板間距；平板間距；V V平板間的電勢差平板間的電勢差 222222()oeVLkE LkLdnn應用：應用：V V變，變， 變，光強變，光強I I變變二、電光效應二、電光效應49（2 2）普克爾斯（）普克爾斯（Pockels Pockels 效應），線性電光效應效應），線性電光效應33222oon LrnLEn rV位相差：位相差：二、電光效應二、電光效應可以通過改變電壓來控制位相，調制光強可以通過改變電壓來控制位相，調制光強50L線偏振光振動線偏振光振動面轉過的角度面轉過的角度（ 為旋光系數）為旋光系數）線偏振光在一些物質中傳播時，振動面會轉線偏振光在一些物質中傳播時，振動面會轉過一個角度，這種現象叫做過一個角度，這種現象叫做旋光現象旋光現象1P2PC旋光晶體旋光晶體單色光單色光L三、旋光效應三、旋光效應51四四. 磁光效應磁光效應-Faraday 效應效應 線偏振光通過放在磁場中透明介質（如玻璃）線偏振光通過放在磁場中透明介質（如玻璃）時發(fā)生旋光現象時發(fā)生旋光現象 。K l B 應用：調制器應用：調制器