偏振與晶體雙折射

偏振與晶體雙折射第1頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§5-1光的偏振性馬呂斯定律一.光的偏振狀態(tài)1.線偏振光E播傳方向振動面·面對光的傳播方向看線偏振光可沿兩個相互垂直的方向分解第2頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月EEyEx

yx線偏振光的表示法：·····光振動垂直板面光振動平行板面2.自然光自然光的光矢量在所有可能的方向上,且振幅E相等.第3頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月沒有優(yōu)勢方向自然光的分解一束自然光可分解為兩束振動方向相互垂直的、等幅的、不相干的線偏振光。自然光的表示法：···3.部分偏振光某一方向的光振動比與之相垂直方向的光振動占優(yōu)勢的光.第4頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光可分解為兩束振動方向相互垂直的、不等幅的、不相干的線偏振光.部分偏振光的表示法：······垂直板面的光振動較強平行板面的光振動較強··4.圓偏振光和橢圓偏振光第5頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月偏振面隨時間旋轉(zhuǎn)的光為圓或橢圓偏振光.迎著光線看,光矢量順時針旋轉(zhuǎn)為右旋偏振光.右旋橢圓偏振光

y

yx

z傳播方向

/2x某時刻左旋圓偏振光E隨z的變化E0第6頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1.起偏和檢偏2.偏振片二.偏振片的起偏和檢偏如利用某些物質(zhì)能吸收某一方向的光振動,而讓與這個方向垂直的光振動通過的性質(zhì)(二向色性)制成起偏器.檢偏:檢驗偏振光,起偏器也就是檢偏器.起偏:從自然光獲得偏振光.起偏原理:利用某種光學(xué)的不對稱性.起偏器:起偏的光學(xué)器件.第7頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月這種起偏器叫偏振片.···非偏振光線偏振光光軸電氣石晶片3.起偏示意圖自然光I0線偏振光IP···偏振化方向(透光方向)4.檢偏用偏振器件分析、檢驗光的偏振態(tài).第8頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月偏振化方向(透光方向)I?P待檢光思考：I不變？是什么光I變，有消光？是什么光I變，無消光？是什么光當(dāng)偏振片旋轉(zhuǎn)時.第9頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月I0IPP

E0E=E0cos——消光馬呂斯定律（1809）三.馬呂斯定律第10頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月例題有兩個偏振片,一個用作起偏器,一個用作檢偏器.當(dāng)它們的偏振化方向之間的夾角為30o時,一束單色自然光穿過它們,出射光強為I1;當(dāng)它們的偏振化方向之間的夾角為60o時,另一束單色自然光穿過它們,出射強度為I2,且I

1=I2.求兩束單色自然光的強度之比.第11頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月??I10I10/2I1同理:取I1=I2兩束單色自然光的強度比為:解:由馬呂斯定律第12頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月i

=i0時，反射光只有垂直于入射面的光振動.自然光反射和折射后產(chǎn)生部分偏振光?????????n1n2iir線偏振光······n1n2i0i0r0·S起偏振角··§5-2反射和折射光的偏振

一.反射時光的偏振第13頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月且—布儒斯特定律(1812年)i0—布儒斯特角或起偏角有:i0+r0=90O

由

若n1

=1.00(空氣)，n2=1.50(玻璃)，則：第14頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月二.玻璃片堆折射的偏振當(dāng)i=i0時自然光從空氣→玻璃玻璃片堆············i0(接近線偏振光)··················II0第15頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§5-3

雙折射偏振棱鏡一.雙折射的概念1.雙折射現(xiàn)象一束光線進(jìn)入某種晶體,產(chǎn)生兩束折射光叫雙折射.···

方解石oeeo···n1n2irore(各向異性媒質(zhì))自然光o光e光2.尋常光(o光)和非尋常光(e光)o光:

遵從折射定律e光:一般不遵從折射定律第16頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.晶體的光軸當(dāng)光在晶體內(nèi)沿某個特殊方向傳播時不發(fā)生雙折射，該方向稱為晶體的光軸。第17頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月例如，方解石晶體(冰洲石)光軸是一特殊的方向,凡平行于此方向的直線均為光軸.AB光軸102°主截面:晶體表面的法線與晶體光軸構(gòu)成的平面.如圖入射時,入射面就是主截面.4.主平面和主截面e光折射線也不一定在入射面內(nèi).第18頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月109o71o法線入射線主截面光軸主平面:晶體中光的傳播方向與晶體光軸構(gòu)成的平面.一般情況下,o主平面與e主平面是不重合的.實驗表明:o光是光矢量與o主平面垂直的線偏振光.4.主平面和主截面第19頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月?光軸光軸e光是光矢量與e主平面平行的線偏振光.當(dāng)光軸在入射面內(nèi)時,主截面,o主平面,e主平面都重合.o光???法線e光法線???o光e光二.惠更斯原理對雙折射的解釋1.晶體的主折射率，正晶體、負(fù)晶體第20頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月························vot光軸在雙折射晶體中,o光沿各向傳播的速度相同,故o波波面為球面;e光沿各向的傳播速度不同,e波面為橢球面.兩者沿光軸方向傳播速度相同.o光:光軸vetvot第21頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

正晶體:

ne>no負(fù)晶體:

ne<no子波源votvet光軸votvet光軸

正晶體

(vo>ve)

負(fù)晶體(vo<ve)子波源(ve<vo)(ve>vo)e光:n0，ne稱為晶體的主折射率第22頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月e波面§5-4光在晶體中的波面及傳播光軸eO正晶體光軸負(fù)晶體o波面正晶體負(fù)晶體Oe第23頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月CAB第24頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月一.尼科耳棱鏡ABCD102oA(D)B(C)由方解石切割再用樹膠粘合而成.尼科耳棱鏡工作原理:自然光在AB面折射為o光和e光,o光以約76o入射到AC的加拿大樹膠層上.被AC面全反射.只有e光出射,產(chǎn)生偏振光.§5-6

偏振元件第25頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月o光:而i=76o>69o,全反射.例題.兩尼科耳棱鏡的主截面間的夾角由30o轉(zhuǎn)到45o.(1)當(dāng)入射光是自然光時,求轉(zhuǎn)動前后透射光的強度之比;(2)當(dāng)入射光是線偏振光時,求轉(zhuǎn)動前后透射光的強度之比.第26頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)入射光為自然光夾角為30o時夾角為45o時所以(2)入射光為線偏振光夾角為30o時解:尼科耳棱鏡出射為振動面在主截面內(nèi)的線偏振光.主截面即偏振化方向.第27頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月夾角為45o時所以第28頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月二、渥拉斯頓棱鏡：將兩個直角的方解石棱鏡沿斜邊膠合起來。AB光在第一棱鏡中不分開，但光線垂直于光軸，因而兩束光傳播速度不同。第二棱鏡的光軸垂直于第一棱鏡，所以第一棱鏡中的E光為第二棱鏡中的O光，由于no>ne,相當(dāng)于光由光疏介質(zhì)入射光密介質(zhì)，折射線近法線；而第一棱鏡的O光為第二棱鏡中的e光，相當(dāng)于光由光密介質(zhì)入射光疏介質(zhì)，折射線遠(yuǎn)離法線如圖所示。第29頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、波晶片一塊表面平行的單軸晶體，其光軸與晶體表面平行時，垂直入射的o光和e光沿同一方面?zhèn)鞑ィ覀儼堰@樣的晶體叫波晶片。

——光在真空中波長

第30頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)兩束光射出晶體面，1、四分之一波片

(1)定義：能使o光和e光的光程差等于的晶片稱四分之一波片

(2)四分之一波片的厚度

正晶體

(3)作用：產(chǎn)生附加位相差，，平面偏振光經(jīng)1/4波片后，出射光是正橢圓偏振光第31頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

討論：（1）四分之一波片的厚度是波長的函數(shù)方解面，對于黃光，

對于藍(lán)光（2）四分之一波片很薄，制造困難若，即，橢圓形狀不變，因此通常使o光和e光的光程差等于的奇數(shù)倍的晶片稱四分之一波片，厚度：第32頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、半波片能使o光和e光的光程差等于奇數(shù)倍的晶片，稱半波片，其厚度

平面偏振光垂直入射到半波片而透射后，仍為平面偏振光。如果入射時振動面和晶體主截面之間的夾角為θ，則透射光仍為平面偏振光，振動面從原來的方位轉(zhuǎn)動2θ角。第33頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.7橢園偏振光和園偏振光一、定義

由此類推，當(dāng)晶體中產(chǎn)生雙折射時，若o、e光沿同一方向傳播，此時它們滿足頻率相同、振動方向相互垂直的條件，如能使位相差為定值，則當(dāng)光連續(xù)通過晶體中任一點（該點上相差為恒定值）時，在過該點且垂直于傳播方向的平面內(nèi)，合光矢（針對某一時刻）的端點的投影將描出個一橢圓。即o、e光合振動矢量的大小、方向均隨時間而變，在晶體內(nèi)的整個傳播過程中，合光矢量將以傳播方向為軸，螺旋式向前傳播。故稱橢圓偏振光；若合振動矢量大小不變，僅方向隨時間變化，稱圓偏振光。第34頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

定義：振動矢量端點描出橢圓的光稱為橢圓偏振光，描出圓的光稱為圓偏振光；

面對傳播方向：合光矢量端點沿逆時針描出橢圓（園），稱為左旋橢圓（園）偏振光；合光矢量端點沿順時針描出橢圓（園），稱為右旋橢圓（園）偏振光；以上所說“合光矢量”是指在某一確定時刻，o、e光具有確定相差時的合光矢。

在此情況下，光振動對傳播方向沒有對稱性，故屬于偏振光。

園偏振光是橢圓偏振光在兩振幅相等且相差為π/2時的特例。結(jié)論：任何兩束沿相同方向傳播、頻率相等、振動面垂直且相差為定值的光疊加時，都將形成橢圓（或園）偏振光。第35頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月二、產(chǎn)生

用一束平面偏振光垂直入射在一塊光軸與表面平行的單軸晶體薄片C上，設(shè)C的光軸與入射的平面偏振光的振動方向成角，在晶片C內(nèi)產(chǎn)生雙折射，且o、e光沿同一方向傳播，振動矢量相互垂直。振幅分別為：在晶片內(nèi)兩個振動分別為：晶體內(nèi)距表面r處o、e光的位相差為：o、e光疊加后合振動滿足：

這是合光矢端點描出的橢圓方程，橢圓的形狀取決于Ao、Ae、。第36頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月—圓方程

∴射出晶體后，o、e光合成的橢圓偏振光具有確定的形狀和取向，并在以后的傳播中不再改變。線偏光垂直入射到波晶片時，出射光是橢圓偏振光；當(dāng)θ=450（AO=Ae）且波晶片為1/4波片（=+π/2）時，出射光是圓偏振光。由自然光得到橢圓（園）偏振光：N1N2起偏器波晶片橢圓偏振器：園偏振器：

設(shè)晶片厚度為，則從晶片后表面出射后o、e光有恒定的位相差：第37頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.8偏振態(tài)的實驗檢定一、平面偏振光的檢定：方法：讓被檢定的光通過一塊偏振片（如尼科耳棱鏡），以入射光為軸旋轉(zhuǎn)偏振片。判斷：若旋轉(zhuǎn)一周有消光（即）現(xiàn)象出現(xiàn)，即為平面偏振光；若無消光現(xiàn)象出現(xiàn)，則不是平面偏振光。原理：馬呂斯定律：檢偏器P第38頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月二、圓偏振光與自然光的檢定：判斷：旋轉(zhuǎn)一周過程中，若有消光現(xiàn)象出現(xiàn)為圓偏振光；否則為自然光。

對于圓偏振光和自然光，用上面的方法觀察到的現(xiàn)象均是光強在任一方向均不為零且無變化，故上法無法對二者進(jìn)行檢定。方法：在偏振片的前面加入一塊四分之一波片，仍以入射光為軸旋轉(zhuǎn)偏振片。檢偏器P1/4第39頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月原理：

已知圓偏振光中o、e光的位相差為=/2，通過四分之一波片后，又產(chǎn)生了/2的相差，則o、e光的總相差為0或，這樣，通過四分之一波片后圓偏振光將變?yōu)槠矫嫫窆?，因此在旋轉(zhuǎn)棱鏡或偏振片時會有消光現(xiàn)象出現(xiàn)；而自然光通過四分之一波片后不會變?yōu)槠矫嫫窆猓蕸]有消光現(xiàn)象出現(xiàn)。第40頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月三、橢圓偏振光與部分偏振光的檢定：

讓橢圓偏振光和部分偏振光通過一個偏振片時，旋轉(zhuǎn)中均會出現(xiàn)光強大小變化但無消光的相同現(xiàn)象，無法區(qū)分。方法：在偏振片前放入一塊四分之一波片，并設(shè)法使橢圓的一個軸與四分之一波片的光軸平行；以入射光為軸旋轉(zhuǎn)偏振片。檢偏器P1/4第41頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月原理：當(dāng)橢圓偏振光任一主軸與四分之一波片光軸平行時，即為一正橢圓，如圖5－22中（c）（g）所示，o、e光相差為/2或3/2；經(jīng)四分之一波片后又產(chǎn)生了/2相差，則最后的總相差為0或，成為一束平面偏振光，因而會有消光現(xiàn)象出現(xiàn)，而部分偏振光經(jīng)四分之一波片后無法變?yōu)槠矫嫫窆?，故無消光現(xiàn)象。判斷：旋轉(zhuǎn)一周過程中，若有消光現(xiàn)象出現(xiàn)者是橢圓偏振光；否則為部分偏振光。第42頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月三、補償器1、為什么要使用補償器？上述檢驗橢圓偏振光的實驗中，若不用補償器，必須事先知道片的光軸方向，而且在實驗過程中，必須使的光軸精確地平行于橢圓的主軸（），這是很難辦到的。為了克服這些困難，比較好的方法是采用補償器。因為任何位置的橢圓可認(rèn)為是由兩個互相垂直的振動在位相差的情況下合成的。要使這種橢圓偏振光變成平面偏振光，則應(yīng)另行設(shè)法引進(jìn)可以任意變更的位相差作為補償，目的是使與，的總和等于o或。第43頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2、巴俾涅補償器由兩塊光軸互相垂直的楔形石英組成，上楔中o光進(jìn)入下楔，變?yōu)閑光；……

分別是光在上楔和下楔通過厚度缺點：必須用極窄的光束。對于寬光束，互補償器不同位置，位相差不同。3、索列爾補償器上楔可以左、右移動，從而改變d1厚度，可以用寬光束。第44頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§5-7偏振光的干涉

一、觀察偏振光干涉的裝置與實驗結(jié)果1、實驗裝置2、實驗結(jié)果1°以單色光入射時，若波晶片厚度均勻，觀察屏上得到一個光強均勻分布的光斑，轉(zhuǎn)動任一器件，均可使光強發(fā)生變化；若將波晶片制成光劈狀，并在P2和屏之間置一透鏡，屏上出現(xiàn)等厚干涉條紋。2°以白光入射時，對于厚度均勻的波晶片，屏上出現(xiàn)某種顏色的光斑，轉(zhuǎn)動任一器件，光斑顏色發(fā)生變化；使用光劈狀晶片，則出現(xiàn)彩色條紋。第45頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月二、平面偏振光干涉的強度