物理光學(xué)-第十四章光的偏振和晶體光學(xué)基礎(chǔ)課件

1、1 124 光學(xué)成像系統(tǒng)的衍射和分辨本領(lǐng) (Diffraction and resolving power of an optical system) 一、理想光學(xué)系統(tǒng)的衍射現(xiàn)象 1、定性解釋：S D L S D L1 L2 2 二、光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng) （Resolving power of an optical system）光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)是指光學(xué)系統(tǒng)分辨細(xì)微結(jié)構(gòu)的能力。 LS1 S2 S1 S2 d3 LS1 S2 S1 S2 LS1 S2 S1 S2 4 1、瑞利判據(jù)（Rayleighs criterion） 10.81當(dāng)一個(gè)象點(diǎn)的衍射光斑主極大和另一個(gè)像點(diǎn)的衍射的第一極小值重合時(shí)，

2、兩個(gè)像點(diǎn)剛好被分開(kāi)。5 2、幾種常見(jiàn)的光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)（1）望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)望遠(yuǎn)鏡的作用(角度的放大)2 S1 S2 7 （3）顯微物鏡的分辨本領(lǐng)S1 S2 S1 S2 D 2u l 顯微物鏡12.5 衍射光柵一、衍射光柵種類和光柵方程二、光柵的色散和自由光譜區(qū)11 第十三章 光的偏振光的偏振性:縱波：振動(dòng)方向 / 傳播方向橫波：振動(dòng)方向 傳播方向光的橫波偏振性在垂直傳播方向的平面內(nèi)， 有各種不同的振動(dòng)狀態(tài)。光的偏振態(tài)(polarization state)EvoH131 偏振光概述 偏振面：傳播方向與振動(dòng)方向( 矢量) 組成的平面。偏振光表示：偏振面C偏振面C部分偏振光 (partial

3、polarezation)： 在垂直傳播方向的平面內(nèi)，光矢量 在某一方向振動(dòng)較強(qiáng)，而垂直該方向的振動(dòng)較弱。 在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，光矢量按一定的頻率旋轉(zhuǎn)，若光矢量振幅不變，矢端掃出軌跡是圓圓偏振光若光矢量振幅不斷改變，矢端掃出軌跡是橢圓橢圓偏振光順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)右旋光逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)左旋光 y yx z傳播方向 /2x某時(shí)刻右旋圓偏振光E隨z的變化E 017 橢圓形狀的分析： 任意取向的橢圓偏振光橢圓偏振光線偏振光線偏振光18 右旋光與左旋光 1、右旋光：迎著光的傳播方向觀察，合矢量順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。2、左旋光：迎著光的傳播方向觀察，合矢量逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。任意一個(gè)偏振光都可表示為: a.光矢量互相垂直

4、b.沿同一方向傳播且位相差恒定 的兩個(gè)線偏振光的合成。 可分解為任意兩個(gè)方向互相垂直、振幅相等，沒(méi)有任何相位關(guān)系的光矢量分量（偏振光）。自然光？三如何檢驗(yàn)光的橫波性1）機(jī)械波的橫波性的檢驗(yàn)2）光波的橫波性的檢驗(yàn)（偏振片）1）自然光通過(guò)偏振片后的光強(qiáng)度若入射的自然光強(qiáng)為： 自然光旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，出射光強(qiáng)均為： 四、不同偏振狀態(tài)的光通過(guò)偏振片若入射的部分偏振光強(qiáng)為 旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，出射光強(qiáng)的變化為： 與 的振動(dòng)方向互相垂直，沒(méi)有消光現(xiàn)象出現(xiàn)部分偏振光2）部分偏振光通過(guò)偏振片后的光強(qiáng)度3）圓偏振光通過(guò)偏振片后的光強(qiáng)度若入射光強(qiáng)為： 旋轉(zhuǎn)偏振片P一周， 出射光強(qiáng)不變化 圓偏振光4）線偏振光通過(guò)偏振

5、片后的光強(qiáng)度若入射的線偏振光強(qiáng)為： 旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，出射光強(qiáng)的變化為： 線偏振光存在一個(gè)消光方向, 在垂直 P 的透振方向上27 驗(yàn)證馬呂思定律的實(shí)驗(yàn)裝置： 自然光(Natural light)起偏器(Polarizer)檢偏器(Analyser)P1P2Ecos 光電接收器(Photoelectric receiver)28 .起偏器檢偏器自然光線偏振光偏振光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器， 光強(qiáng)變化情況.起偏器檢偏器自然光線偏振光偏振光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器， 光強(qiáng)變化情況.起偏器檢偏器自然光線偏振光偏振光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器， 光強(qiáng)變化情況.起偏器檢偏器自然光線偏振光偏振光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器， 光強(qiáng)變化情況.起

6、偏器檢偏器自然光線偏振光偏振光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器， 光強(qiáng)變化情況消光比：最小透射光強(qiáng)和最大透射光強(qiáng)之比。例1 自然光 通過(guò)偏振化方向互相垂直的偏振片 。如果在 間平行插入另一偏振片 ， 與 偏振化方向夾角 ，求：（1）透過(guò) 后的光強(qiáng)？（2）定性畫出光強(qiáng)隨 的函數(shù)曲線，轉(zhuǎn)動(dòng)一周，通過(guò)光強(qiáng)出現(xiàn)幾次極大和極小值？解（1）（2）偏振片旋轉(zhuǎn)一周，通過(guò) 光強(qiáng)出現(xiàn)4次極大， 4次極小。36 五、 偏振光的產(chǎn)生（Production of polarized light） 1. Polarization by reflection 2. Polarization by transmission 3. Polar

7、ization by selective absorption 4. Polarization by scattering 5. Polarization by double refraction主要方法：反射和折射、二向色性、散射、雙折射132 光在晶體中的傳播 光束在某些晶體中傳播時(shí)，由于晶體對(duì)兩個(gè)相互垂直振動(dòng)矢量的光的折射率不同而產(chǎn)生兩束折射光，這種現(xiàn)象稱為雙折射 (Double Refraction)。一、晶體(Crystal)的雙折射(Birefringence)現(xiàn)象1. 雙折射現(xiàn)象38 39 2. 尋常光（Ordinary light, o光）和非尋常光 （ Extraordina

8、ry light ,e光）說(shuō)明：1o光和e光與晶體密不可分 2折射定律的含義 A. 折射角的關(guān)系，B. 入射光線和折射光線與法線同在一個(gè)平面。兩束折射光中，有一束光遵守折射定律，稱為尋常光（o光）；另外一束一般不遵守折射定律，稱為非尋常光（e光）。折射定律有兩個(gè)含義：40 二、晶體特性 方解石晶體（Calcite-CaCO3）頓隅41 1、光軸(Optical axis)： 在雙折射晶體中存在一個(gè)特殊的 方向，當(dāng)光束在這個(gè)方向傳播時(shí)不發(fā)生雙折射，此方向稱為晶體的光軸。一般記為zz即沿著z軸方向。在光軸方向上，o 光和 e 光都遵守折射定律。42 2、主平面(Principal plane)和主

9、截面(Principal section)：主平面：光線和光軸所組成的平面。 o光主平面：o光和晶體光軸組成的面為o光主平面。o光振動(dòng)方向垂直于o光主平面。 e光主平面：e光和晶體光軸組成的面為e光主平面。e光振動(dòng)方向平行于e光主平面。43 主截面(Principal section)： 包含光軸并與晶體表面垂直的平面。 光線在一般情況下入射晶體， o光和e光是不同面的。nn當(dāng)入射光在主截面內(nèi)時(shí)，o光e光主平面與主截面重合。44 3晶體的分類（Types of crystal）： 各向同性晶體（Isotropic crystal）：不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。如：NaCl 雙折射晶體（Anisotrop

10、ic crystal）： 單軸晶體（Uniaxial）：只有一個(gè)光軸方向的晶體。如：方解石(Calcite)、石英(Quartz)。 雙軸晶體（Biaxial）：有兩個(gè)光軸方向的晶體。 如：云母(Mica)等。45 4單軸晶體中波的傳播：xyz (光軸) 晶體中的波面(a) O光(b) e光47 5正負(fù)晶體： Vo Ve時(shí)為正晶體(Positive crystal)； Vo Ve時(shí)為負(fù)晶體(Negative crystal)。正晶體：no ne，e光波面（橢球面）在o光波面（球面）之內(nèi)。 負(fù)晶體：no ne，o光波面（球面）在e光波面（橢球面）之內(nèi)。 Optical axise光 光軸 o光

11、e光 o光 光軸 48 圖1-a） 光線在晶體主截面內(nèi)傾斜入射時(shí)的雙折射現(xiàn)象 （光軸在入射面內(nèi)）三、用惠更斯原理解釋雙折射現(xiàn)象(以方解石為例）49 圖2 光軸 optical axise e A o A A o A 入射光(Incident ray) E O E O 光線垂直入射時(shí)的雙折射現(xiàn)象50 圖2-a)e e A o A A o A O E O E 入射光(Incident ray) 光軸 optical axis光線垂直入射時(shí)的雙折射現(xiàn)象(晶體表面垂直于光軸)51 圖2-b-1)e e A o A A o A O E O E 入射光(Incident ray) 光軸 optical a

12、xis光線垂直入射時(shí)的雙折射現(xiàn)象(晶體表面平行于光軸)52 圖2-b-2）e e A o A A o A O E O 入射光(Incident ray) 光軸 optical axis光線垂直入射時(shí)的雙折射現(xiàn)象(晶體表面平行于光軸)53 圖1-b）、光線傾斜入射時(shí)的雙折射現(xiàn)象 （光軸垂直于入射面）例1、一束平行的鈉黃光以50的入射角從空氣射到方解石制成的厚度為4.20cm的平行平板的上表面上。設(shè)光軸與平板表面平行，并垂直入射面，試求o光和e光射到平板下表面時(shí)兩光束的分離量。已知對(duì)鈉黃光方解石的no=1.65836,ne=1.48641。133 晶體偏振器件 偏振器件 ：波片和偏振棱鏡e e A o A A o A O E O E 入射光(Incident ray) 光軸 optical axis1、1/4波片2、1/2波片3、全波片一、波片偏振光經(jīng)/4片后偏振態(tài)的變化（1）（2）A=0 B=0+/2（3）A=-/2 B=-/2+/2=0（4）A