波動光學(xué)-偏振2

1、1光的偏振光的偏振 (2) 25.4 5.4 雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象一一. .雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象 ( (透過方解石看字成雙像透過方解石看字成雙像) )象象折射現(xiàn)折射現(xiàn)o光光方解石晶體方解石晶體CaCO3雙雙e光光紙面紙面折射現(xiàn)折射現(xiàn)3 以入射線為軸轉(zhuǎn)方解石以入射線為軸轉(zhuǎn)方解石, ,光點(diǎn)光點(diǎn)o o不動，不動，e e 繞繞o o轉(zhuǎn)，用偏振片檢驗(yàn)，二者都是偏振光，轉(zhuǎn)，用偏振片檢驗(yàn)，二者都是偏振光，且偏振方向互相垂直。且偏振方向互相垂直。一束光入射到各向異性的媒質(zhì)中分成一束光入射到各向異性的媒質(zhì)中分成兩束光的現(xiàn)象。兩束光的現(xiàn)象。( (演示演示) ) 方解石方解石oee o 所以，所以，利用雙折射現(xiàn)象也

2、可以獲得線偏振光。利用雙折射現(xiàn)象也可以獲得線偏振光。4二二. .幾個重要的概念幾個重要的概念1.1.尋常光（尋常光（o o光）和光）和 非尋常光（非尋常光（e e光）光） 尋常光（尋常光（ordinaryordinary light light）：）： 遵從折射定律遵從折射定律orninsinsin21 非尋常光（非尋常光（extra-ordinary lightextra-ordinary light）：）： 一般不遵從折射定律一般不遵從折射定律constrie sinsin折射線一般不在入射面內(nèi)。折射線一般不在入射面內(nèi)。n1n2irore(各向異各向異性媒質(zhì)性媒質(zhì))自然光自然光o光光e光光

3、52. 2. 晶體的光軸晶體的光軸當(dāng)光當(dāng)光在晶體內(nèi)在晶體內(nèi)沿某個沿某個特殊方向特殊方向傳播時傳播時不發(fā)生雙折射，該方向稱為晶體的光軸。不發(fā)生雙折射，該方向稱為晶體的光軸。 例例. .方解石晶體方解石晶體是由平行六面體構(gòu)成的。是由平行六面體構(gòu)成的。 六面體每個面都是鈍角六面體每個面都是鈍角1021020 0和銳角和銳角78780 0的平行的平行 四邊形，四邊形，A A點(diǎn)和點(diǎn)和B B點(diǎn)是三個鈍角的會合點(diǎn)，點(diǎn)是三個鈍角的會合點(diǎn)， ABAB線與三條棱邊的夾角相等。線與三條棱邊的夾角相等。6如果將如果將A或或B磨平，使磨面與光軸垂直，磨平，使磨面與光軸垂直，當(dāng)光線垂直磨面入射時，無雙折射現(xiàn)象。當(dāng)光線垂直

4、磨面入射時，無雙折射現(xiàn)象。方解石晶體的光軸方解石晶體的光軸光軸光軸AB實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ABAB的方向即光軸的方向。的方向即光軸的方向。 7 只有一個光軸的晶體稱只有一個光軸的晶體稱單軸晶體單軸晶體， 如方解石、石英如方解石、石英, ,冰等；冰等； 有兩個光軸的晶體稱有兩個光軸的晶體稱雙軸晶體雙軸晶體, , 如云毋、硫磺，蘭寶石等。如云毋、硫磺，蘭寶石等。 （本章只討論單軸晶體的雙折射）（本章只討論單軸晶體的雙折射）3.3.主平面和主截面主平面和主截面 主平面：主平面：晶體中某條光線與晶體光軸構(gòu)成晶體中某條光線與晶體光軸構(gòu)成 的平面的平面, ,稱為該光線的主平面。稱為該光線的主平面。0光有光有0

5、光的主平面；光的主平面；e光有光有e光的主平面光的主平面.8O O 光振動光振動 其其主平面主平面; ; 實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)表明: e e光振動在其主平面內(nèi)光振動在其主平面內(nèi)o光，光，e光的主平面可能重合，光的主平面可能重合， 也可能不重合；也可能不重合；e光光光軸光軸e光的光的主平面主平面o光光光軸光軸o光的光的主平面主平面 主截面：主截面： 晶體表面的法線與晶體光軸構(gòu)成的平面。晶體表面的法線與晶體光軸構(gòu)成的平面。9三三. .晶體的主折射率，正晶體、負(fù)晶體晶體的主折射率，正晶體、負(fù)晶體 o o光的子波，各方向傳播光的子波，各方向傳播的速度相同為的速度相同為v v0 0，點(diǎn)波源波面，點(diǎn)波源波面為球面

6、為球面, ,振動方向始終垂直振動方向始終垂直其主平面其主平面.(.(如圖如圖) ) o o光只有一個光速光只有一個光速v vo o 一個折射率一個折射率n no o. .惠更斯研究雙折射現(xiàn)象提出惠更斯研究雙折射現(xiàn)象提出:在各向異性的在各向異性的晶體中晶體中,子波源會同時發(fā)出子波源會同時發(fā)出o光、光、e光兩種子波光兩種子波.00vcn vo t光軸光軸10 e e光的子波光的子波, ,各方向傳播的速度不同。各方向傳播的速度不同。 e e光在平行光軸方向光在平行光軸方向上的速度與上的速度與o o光的速度光的速度相同為相同為v v0 0; ;eevnc 點(diǎn)波源波面為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)波源波面為旋轉(zhuǎn)橢球面橢球面,

7、 ,振動方向振動方向始終在其主平面內(nèi)始終在其主平面內(nèi). .（如圖）（如圖）光軸光軸ve tvo t e e光在垂直光軸方向光在垂直光軸方向上的速度與上的速度與o o光的速度光的速度相差最大，記為相差最大，記為 v ve e，其相應(yīng)的折射率為其相應(yīng)的折射率為 n ne e. .11n n0 0 ，n ne e稱為晶體的主折射率稱為晶體的主折射率. . 正晶體正晶體： n ne en no o(v(ve e v vo o) )，如石英、冰等。如石英、冰等。 負(fù)晶體負(fù)晶體： n ne en no o(v(ve e v vo o) )，如方解石、紅寶石等。如方解石、紅寶石等。子波源子波源vo tve

8、t光軸光軸vo tve t光軸光軸 正晶體正晶體 (vo ve) 負(fù)晶體負(fù)晶體 (vo ve ) 子波源子波源12下面以負(fù)晶體下面以負(fù)晶體( (v ve e v vo o) ) 為例為例: :1. 1. 光軸光軸晶體表面，晶體表面， 自然光自然光 入射入射: :o o, , e e在方向上雖沒分開，在方向上雖沒分開，但速度上是分開的，仍但速度上是分開的，仍是兩束光。是兩束光。 還是有雙折射的。還是有雙折射的。四四. .晶體中光傳播方向的惠更斯作圖法：晶體中光傳播方向的惠更斯作圖法：在特殊情況下（入射面包含光軸或垂直在特殊情況下（入射面包含光軸或垂直光軸），可以按惠更斯作圖法在紙面上作圖，光軸）

9、，可以按惠更斯作圖法在紙面上作圖，找出找出o光，光，e光的傳播方向。光的傳播方向。作圖：作圖：- e oe o光軸光軸晶體晶體13若光軸垂直晶體表面，若光軸垂直晶體表面，還有沒有雙折射？還有沒有雙折射？一快（一快（ e e 光）一慢光）一慢(o(o光光) )兩束光。兩束光。e光光,o光的振動方向光的振動方向如何？如何？方法：先找它們的方法：先找它們的主平面。主平面。o光光 - 點(diǎn)點(diǎn)e光光 - 道道 e oe o光軸光軸晶體晶體142. 2. 光軸光軸晶體表面，且晶體表面，且 入射面，自然光斜入射入射面，自然光斜入射 此種情況下，在此種情況下，在入射面（紙面）內(nèi)，入射面（紙面）內(nèi)，o o光，光，

10、e e光都光都滿足折射定律滿足折射定律，nvrooci0sinsin nvreeeci sinsin作圖：作圖：-o光、光、e光的振動方向如何？光的振動方向如何？o光光 -道；道；e光光 - 點(diǎn)點(diǎn).晶體晶體 光軸光軸ir0reo ot e eteo ect即即153. 3. 光軸與晶體表面斜交，自然光光軸與晶體表面斜交，自然光 入射入射這正是前面雙折射現(xiàn)象演示中的雙折射情形。這正是前面雙折射現(xiàn)象演示中的雙折射情形。作圖作圖: -o光、光、e光的振動方向如何？光的振動方向如何？o e晶體晶體光軸光軸 e方解石方解石光軸光軸o eo注意注意: :此時此時e e光的波面不再與其傳播方向垂直了。光的波

11、面不再與其傳播方向垂直了。16五五. . 晶體偏振器件晶體偏振器件 1. 1. 晶體的二向色性、晶體偏振器晶體的二向色性、晶體偏振器某些晶體對某些晶體對o o光和光和e e光的吸收有很大差異，光的吸收有很大差異，這就是晶體的這就是晶體的二向色性二向色性. . 例如例如, ,電氣石電氣石對對o o光有強(qiáng)烈吸收，對光有強(qiáng)烈吸收，對e e光吸收光吸收 很弱，用它可產(chǎn)生線偏振光：很弱，用它可產(chǎn)生線偏振光：( (晶體偏振器晶體偏振器) )電氣石電氣石光軸光軸 光軸光軸e光光17天然晶體偏振器尺寸不大，成本高。天然晶體偏振器尺寸不大，成本高?，F(xiàn)今廣泛使用偏振片現(xiàn)今廣泛使用偏振片（人工使具有二向色性（人工使

12、具有二向色性的細(xì)微晶粒的光軸在塑料薄膜上定向排列）。的細(xì)微晶粒的光軸在塑料薄膜上定向排列）。2. 2. 偏振棱鏡偏振棱鏡偏振棱鏡可得高質(zhì)量的線偏振光。偏振棱鏡可得高質(zhì)量的線偏振光。 但利用晶體二向色性獲得的偏振光但利用晶體二向色性獲得的偏振光 不夠純，強(qiáng)度也不大。不夠純，強(qiáng)度也不大。（書上的例子自學(xué)）（書上的例子自學(xué)）18 對第一個棱鏡是對第一個棱鏡是o o光，光，它由光密它由光密光疏，光疏， 讓其入射角臨界角讓其入射角臨界角( (約約69690 0) )， 在交界面全反射在交界面全反射, ,被涂層吸收。被涂層吸收。 光軸光軸光軸光軸方解石方解石方解石方解石加拿大樹膠加拿大樹膠 (n = 1.

13、55)oe吸收涂層吸收涂層i 例例1. 格蘭格蘭-湯姆遜湯姆遜偏振棱鏡偏振棱鏡光軸的取向使光軸的取向使o光、光、e光對應(yīng)的光對應(yīng)的 恰是主折射率恰是主折射率no、 ne 。no (1.6584)n (1.55)ne(1.4864)19對第一個棱鏡是對第一個棱鏡是e e光，光，它絕大部分透射，并且它絕大部分透射，并且沿入射方向射出第二個棱鏡，即為所要的沿入射方向射出第二個棱鏡，即為所要的非常純的線偏振光。非常純的線偏振光。 ( (入射光可有約入射光可有約10 10 0 0 范圍內(nèi)偏差范圍內(nèi)偏差).). 光軸光軸光軸光軸方解石方解石方解石方解石加拿大樹膠加拿大樹膠 (n = 1.55)oe吸收涂層

14、吸收涂層ino (1.6584)n (1.55)ne(1.4864)20 例例2.2.沃拉斯頓棱鏡沃拉斯頓棱鏡光從棱鏡光從棱鏡1 1進(jìn)入棱鏡進(jìn)入棱鏡2 2時：時： o o光光( (點(diǎn)點(diǎn)) )變變e e光光 光密光密光疏光疏 折射角入射角折射角入射角; ; e e光光( (道道) )變變o o光光 光光疏疏光光密密 折射角入射角，折射角入射角， 二者分開。二者分開。進(jìn)入空氣后進(jìn)入空氣后, ,均是由光密均是由光密光疏，光疏， 可得到進(jìn)一步分開的二束線偏振光?？傻玫竭M(jìn)一步分開的二束線偏振光。12方解石方解石方解石方解石 oe光軸光軸光軸光軸（偏光分束鏡）（偏光分束鏡）no (1.6584)n (1.

15、55)ne(1.4864)215.5 5.5 橢圓偏振光和圓偏振光橢圓偏振光和圓偏振光一一. .橢圓偏振光和圓偏振光的獲得橢圓偏振光和圓偏振光的獲得1. 1.晶片：晶片：光軸平行表面的晶體薄片光軸平行表面的晶體薄片。通過厚度為通過厚度為d d的晶片，的晶片，o o、e e光產(chǎn)生相位差：光產(chǎn)生相位差： 2 dnnoe它正是它正是惠更斯作圖法惠更斯作圖法的例的例1(1(晶體中一快一慢晶體中一快一慢) )晶片也稱為晶片也稱為相位延遲器相位延遲器.ydxAAoAe 線偏振光線偏振光光軸光軸AAoAe 光軸光軸P22o o、e e光振幅關(guān)系：光振幅關(guān)系： cossinAAeAAo在晶體內(nèi)在晶體內(nèi), o

16、o、e e光的振動方向如何光的振動方向如何? ?先找主平面先找主平面: 0 0光振動是光振動是 其主平面其主平面; ;e e光振動在其光振動在其主平面內(nèi)主平面內(nèi). .迎著光看迎著光看,入射到晶片上的光振幅入射到晶片上的光振幅可分解為可分解為o光和光和e光兩個振幅如圖光兩個振幅如圖.有時常稱光軸為有時常稱光軸為e軸軸.ydxAAoAe 線偏振光線偏振光光軸光軸AAoAe 光軸光軸P23 從晶片出射的是兩束傳播方向相同、振動從晶片出射的是兩束傳播方向相同、振動方向相互垂直、頻率相等、有恒定相位差方向相互垂直、頻率相等、有恒定相位差的線偏振光，它們一般合成為一束橢圓偏振光的線偏振光，它們一般合成為一

17、束橢圓偏振光. .，2324 當(dāng)當(dāng) 時為圓偏振光。時為圓偏振光。2. 2. 波（晶）片波（晶）片對某個波長對某個波長 而言，當(dāng)而言，當(dāng)o o、e e光在晶片中的光在晶片中的光程差為光程差為 的某個特定倍數(shù)時，這樣的晶片的某個特定倍數(shù)時，這樣的晶片叫波晶片，簡稱波片。叫波晶片，簡稱波片。所以所以, 橢圓橢圓(圓圓)偏振光可用偏振光可用 晶片來獲得晶片來獲得.2424dnnoe 四分之一波片四分之一波片作用：從線偏振光獲得作用：從線偏振光獲得( (正正) )橢圓或圓偏振光橢圓或圓偏振光（或相反）（或相反）4圓圓(o(o光光,e ,e光分量的振幅相等光分量的振幅相等) )240，橢圓橢圓0 線偏振光

18、線偏振光(只有平行于光軸的分量只有平行于光軸的分量)2 線偏振光線偏振光(只有垂直于光軸的分量只有垂直于光軸的分量)25 ( (正正) )橢圓或圓偏振光橢圓或圓偏振光, ,經(jīng)經(jīng)1/41/4波片為什么可以波片為什么可以 獲得線偏振光呢獲得線偏振光呢? ?因?yàn)橐驗(yàn)? (正正) )橢圓或圓偏振光的兩個垂直分量橢圓或圓偏振光的兩個垂直分量已經(jīng)有了相位差已經(jīng)有了相位差 /2, /2, 經(jīng)經(jīng)1/41/4波片以后波片以后, ,又有又有 /2/2的的相位差相位差, ,所以出來的就是相位差為所以出來的就是相位差為0 0或或 的的線偏振光了線偏振光了. . 二分之一波片二分之一波片 2dnnoe26作用：可使線偏

19、振光的振動面轉(zhuǎn)過一個角度。作用：可使線偏振光的振動面轉(zhuǎn)過一個角度。 若入射點(diǎn)處若入射點(diǎn)處線偏振光分解的線偏振光分解的o o、e e光同相光同相 則出射點(diǎn)處仍是則出射點(diǎn)處仍是線偏振光線偏振光: : o o、e e光反相光反相 若線偏振光入射時若線偏振光入射時, , 出射光仍是線偏振光，出射光仍是線偏振光， 只是振動方向轉(zhuǎn)過只是振動方向轉(zhuǎn)過2 2 角角. .24 時，轉(zhuǎn)過時，轉(zhuǎn)過 當(dāng)當(dāng)若入射的是圓偏振光若入射的是圓偏振光(已有已有 /2),經(jīng)經(jīng)1/2波波片片(又有又有 ),出來仍是圓偏振光出來仍是圓偏振光,但是但是左旋左旋右旋右旋 A0入入A0出出A入入A出出Ae入入= Ae出入出入光軸光軸27若入射的是橢圓偏振光若入射的是橢圓偏振光,經(jīng)經(jīng) 1/2 波片波片,出來仍是出來仍是橢圓偏振光橢圓偏振光,但是旋轉(zhuǎn)的方向改變但是旋轉(zhuǎn)的方向改變,而且橢圓的而且橢圓的長軸轉(zhuǎn)過長軸轉(zhuǎn)過 2 角角. 全波片：全波片： 2