晶體光學(xué)和偏振3.ppt

1、1,二、波片（位相延遲器 ）,作用：,o光和e光通過(guò)波片時(shí)的光程差與位相差：,d是波片厚度,使兩個(gè)振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光之間產(chǎn)生位相延遲。,制作：用單軸透明晶體做成的平行平板，光軸與表面平行。,第五章 光的偏振和晶體光學(xué)基礎(chǔ),55 晶體偏振器件,o、e光振幅關(guān)系：,（有時(shí)常稱光軸為e 軸）,通過(guò)厚度為d 的晶片，o、e光產(chǎn)生相位差：,2,從晶片出射的是兩束傳播方向相同、振動(dòng)方向相互垂直、頻率相等、有恒定相位差 的線偏振光.,所以, 橢圓(圓)偏振光可用適當(dāng)?shù)?晶片來(lái)獲得。,它們一般可以合成為橢圓偏振光，特殊情況下可以合成為圓偏振光，線偏振光。,4,則稱該波片是1/4波片，1/4波片的最小厚

2、度：,若,當(dāng)n0ne時(shí)，e光超前，波片的快軸為e 矢量方向。,1、/4波片,性質(zhì)：,1）線偏振光入射時(shí)，出射光為橢圓偏振光； 2）與快慢軸都成45度線偏振光入射，出射光為圓偏振光。,5,O光和e光產(chǎn)生的光程差,2、/2波片,性質(zhì)：,1）橢圓偏振光入射時(shí)，出射光仍為橢圓偏振光，只是旋向相反； 2）線偏振光入射時(shí)，出射光仍為線偏振光。若入射的線偏振光與快（慢）軸夾角為，出射光的振動(dòng)方向向著快（慢）軸轉(zhuǎn)動(dòng)了2。,6,線偏振光通過(guò)半波片后光矢量的轉(zhuǎn)動(dòng),線偏振光通過(guò)半波片后光矢量的轉(zhuǎn)動(dòng),Ao,-Ao,7,3、全波片,稱該晶片為全波片。,性質(zhì)：,1）不改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)； 2）只能增大光程差。,線偏光垂

3、直通過(guò)波片后的偏振態(tài),d,出射光的偏振態(tài),波長(zhǎng)片 任意 與入射光偏振態(tài)相同,任意 00或900 與入射光偏振態(tài)相同,1/2波片 出射線偏光振動(dòng)方向與入射光 振動(dòng)方向?qū)τ诠廨S對(duì)稱，兩者間夾角2 ,1/4波片,450 圓偏振光,00或900 線偏光,非波片 00, 450,非半波片 900,橢圓偏振光, 450 圓偏振光, 450,00 or 900 長(zhǎng)短軸之比為tan或Ctan 的正橢圓偏光,非波片,非半波片,非1/4波片, = 450,橢圓偏振光,四分之一波片,偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）,以入射光方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng),四分之一波片,偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）,因?yàn)闄E圓或圓偏振光的兩個(gè)垂直分量已經(jīng)有了相位差/2, 經(jīng)1/4波片

4、以后,又有/2的相位差,所以出來(lái)的就是相位差為0或的線偏振光了。(橢圓偏光的長(zhǎng)短軸必須與四分之一波片的快慢軸重合）,11,三、補(bǔ)償器,巴比涅（Babinet）補(bǔ)償器:適合于細(xì)微光束。 由于交界面為斜面,在此界面上的不同折射會(huì)使得兩個(gè)垂直振動(dòng)的傳播方向分開(kāi),引起光束發(fā)散,d1,d2,入射光,微量移動(dòng),光軸,光軸,12,光軸,Soleit 補(bǔ)償器:可在寬光束中運(yùn)用,13,56 偏振的矩陣表示,一、偏振光的表示,1、線偏振光的分解,第五章 光的偏振和晶體光學(xué)基礎(chǔ),14,2、橢圓偏振光（包括圓偏振光）,15,左旋橢圓光,為圓偏振光,右旋橢圓光,討論：,所以任意一個(gè)偏振光都可表示為:,a.光矢量互相垂直

5、 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。,16,二、偏振光的矩陣表示,17,稱為歸一化的瓊斯矢量,18,1、線偏振光的歸一化瓊斯矢量： 若光矢量沿x軸，Ax=1 Ay=0 =0 ，則：,19,2、求長(zhǎng)軸沿x軸，長(zhǎng)短軸之比是2：1的右旋橢圓偏振光的歸一化瓊斯矢量,根據(jù)已知條件有：,3、偏振光的疊加,左旋圓偏振光和右旋圓偏振光疊加,20,三、偏振器件的矩陣表示,21,解：光線的偏振狀態(tài)為：,1,例1：,求透光軸與x軸成角的線偏振器的瓊斯矩陣,22,由此得線偏振器的瓊斯矩陣為：,23,例2：,自然光通過(guò)光軸夾角為45度的線偏振器后，又通過(guò)了1/4、1/2和1/8波片，波片快軸沿Y軸方

6、向，試用瓊斯矩陣計(jì)算透射光的偏振態(tài)。,解：自然光通過(guò)起偏器，成為線偏振光，其瓊斯矢量為：,l/4波片, l/2，l/8波片的瓊斯矩陣分別為,24,出射光為：,25,一、偏振光的變換,57 偏振光的變換和測(cè)定,1、橢圓偏振光的獲得 方法：采用起偏器和/4波片從自然光中獲得,26,2、偏振光的檢驗(yàn) 方法：利用位相延遲器和偏振器,光強(qiáng)變化， 但不消光。,消光； 光強(qiáng)不變,消光； 光強(qiáng)變化，不消光。將波片轉(zhuǎn)45o,波分線偏變部分圓偏，再轉(zhuǎn)檢偏器，光強(qiáng)不變?yōu)椴糠志€偏。,27,二、偏振光的測(cè)定,1、線偏振光的測(cè)定：確定是否是線偏振光；測(cè)定線偏振光的 振動(dòng)方向。(馬呂斯定律),半影式檢偏器：基于人眼在同一時(shí)

7、刻、同一視場(chǎng)對(duì)兩半視場(chǎng)的亮度不一致性具有很高的視覺(jué)靈敏度。可以用來(lái)提高檢偏器方位的定位精度。,問(wèn)題：不同角時(shí)的光強(qiáng)不能同時(shí)觀測(cè),需要探測(cè)器有記憶功能,=0時(shí), OP1y,28,2、橢圓偏振光的測(cè)定 含義：用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定表示偏振狀態(tài)的參量（指定坐 標(biāo)系中的方位角、橢圓度tg和旋向；或直角坐標(biāo)系 下兩偏振光振幅比tg和位相差。）,y,29,方法：采用1/4波片和檢偏器的方法。 步驟：1）首先用檢偏器測(cè)定橢圓長(zhǎng)軸的方位角 2）用1/4波片和檢偏器測(cè)定橢圓度tg和橢圓偏光的旋向。,1）設(shè)xoy坐標(biāo)系中橢圓的瓊斯矩陣為,檢偏器透光軸與x軸夾角是，其瓊斯矩陣為：,30,出射光的強(qiáng)度為：,由此可找出光強(qiáng)最大

8、的位置，從而確定長(zhǎng)軸與預(yù)定的x軸之間的夾角。,31,2）將1/4波片快軸與已找到的橢圓長(zhǎng)軸方向一致,若入射橢圓偏光為左旋時(shí)：,出射光在x,y坐標(biāo)系統(tǒng)中二、四象限。,若入射橢圓偏光為右旋時(shí)：,出射光在x,y坐標(biāo)系中一、三象限。,這樣即可判斷橢圓偏光的旋向。并且,根據(jù)消光位置可以得到角。,32,一、平行偏振光的干涉 1、干涉裝置：,58 偏振光的干涉,33,2、原理和公式：,沿晶片快、慢軸方向建立坐標(biāo)系。 設(shè)入射線偏光振幅為a。,34,1）正交偏振器系統(tǒng)： 起偏器P和檢偏器A的透光軸相互垂直，即：=+/2,3、討論,2）平行偏振器系統(tǒng)： 起偏器P和檢偏器A的透光軸相互平行，即：=,顯然，平行偏振和

9、正交偏振的光強(qiáng)極大、極小的條件互補(bǔ),35,I和及有關(guān)。其中反映晶片光軸的方位； 反映晶片的厚度及材料特性。,的影響：若d一定（即一定），改變,i） 當(dāng) 時(shí)，有,（消光）,ii） 當(dāng) 時(shí)，有,（最亮）,分析,36,的影響：若晶片方位一定(即一定），改變 ，則光強(qiáng)也將改變。改變的方式有兩種：晶片厚度d或者波長(zhǎng),i）當(dāng)2k時(shí)，即,相消干涉，暗,ii）當(dāng) (2k+1)時(shí)，即,相長(zhǎng)干涉，亮,晶片厚度d的影響如下（波長(zhǎng)確定） ：,37,波長(zhǎng)確定 石英劈尖等厚條紋,等厚條紋,38,3）白光干涉： 當(dāng)光源采用包含各種成份的白光時(shí)，光強(qiáng)應(yīng)是各種單 色光干涉強(qiáng)度的非相干疊加。,波長(zhǎng)的影響（晶片厚度d確定） ：,若

10、厚度不均勻，則出現(xiàn)彩色條紋,由于某種波長(zhǎng)干涉相消而呈現(xiàn)它的互補(bǔ)色，這種現(xiàn)象叫（顯）色偏振（chromatic polarization） 如 紅色（656.2 nm） 相消， 出現(xiàn)綠色（492.1nm） 藍(lán)色（485.4nm） 相消， 出現(xiàn)黃色（585. 3 nm）,色偏振是檢驗(yàn)材料有無(wú)雙折射效應(yīng)的靈敏方法，用顯微鏡觀察各種材料在白光下的色偏振，可以分析物質(zhì)內(nèi)部的某些結(jié)構(gòu)偏光顯微術(shù)。,39,硫代硫酸鈉晶片的色偏振圖片,40,4、光測(cè)彈性方法及玻璃內(nèi)應(yīng)力的測(cè)定：,光彈效應(yīng)（應(yīng)力雙折射效應(yīng)）：由應(yīng)變引起的雙折射現(xiàn)象。,將有機(jī)玻璃加力，發(fā)現(xiàn)有機(jī)玻璃變成各向異性。加力的方向即光軸的方向。,在觀察偏振光

11、干涉的裝置中，將有機(jī)玻璃取代晶片：,P,A,d,F,S,F,干涉,有機(jī)玻璃,C,41,若應(yīng)力均勻,則觀察到均勻的干涉光強(qiáng).,若應(yīng)力不均勻：,各處 F/S不同 各處 不同 各處干涉情況不同 出現(xiàn)干涉條紋。,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)（在一定應(yīng)力范圍內(nèi)）：,應(yīng)力變化大的地方,條紋密; 應(yīng)力變化小的地方,條紋疏。,應(yīng)力雙折射效應(yīng)引起的相位差：,42,偏振片2,有機(jī)玻璃模型,偏振片1,施壓,應(yīng)力雙折射顯示的偏振光干涉條紋,43,例如. 設(shè)計(jì)大吊鉤時(shí)，要知道實(shí)際使用時(shí)內(nèi)部的應(yīng)力分布情況?？捎猛该鞯沫h(huán)氧樹(shù)脂制成模擬吊鉤，通過(guò)光彈效應(yīng)，了解內(nèi)部應(yīng)力的分布。,應(yīng)用：,通過(guò)光彈性效應(yīng)，研究材料內(nèi)部的應(yīng)力情況。,釣鉤的光彈圖象,4

12、4,二、會(huì)聚偏光儀的干涉,會(huì)聚偏光儀干涉裝置,45,透過(guò)厚度為d的晶片時(shí)兩束出射光之間的相位差：,偏振光的強(qiáng)度分布為：,討論：,1）干涉強(qiáng)度與入射角的方位有關(guān)； 2）干涉強(qiáng)度與入射面相對(duì)于正交偏振器透光軸的方位 有關(guān)。,46,會(huì)聚偏振光干涉圖,3）干涉條紋為同心圓環(huán)（入射角決定），中間疏、邊緣密，非線性；有四個(gè)位置光強(qiáng)為0（偏振器方位） 4）平行偏振器系統(tǒng)與此互補(bǔ)。,47,三、偏光干涉儀(Polarization interferometer ),1、雙折射晶體作分光鏡,雙像元件的分束,Fo,Fe,48,微分干涉顯微鏡光路圖,Nomarski發(fā)明,Nomarski相差顯微鏡,49,50,51,

13、1、固有旋光現(xiàn)象,59 磁光、電光和聲光效應(yīng),旋光：當(dāng)一束線偏振光通過(guò)某種物質(zhì)時(shí)，光矢量的方向會(huì)隨著傳播距離而逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)。,一、旋光和旋光效應(yīng),52,旋光現(xiàn)象的規(guī)律：,旋光色散：旋光本領(lǐng)隨波長(zhǎng)而改變的現(xiàn)象。,旋光方向：左旋(levorotatory)、 右旋(dextrorotatory)之分 方向的規(guī)定：使光矢量順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的物質(zhì)為右旋物質(zhì)，逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的物質(zhì)為左旋物質(zhì)。,53,2、旋光現(xiàn)象的物理解釋（1825年,菲涅爾）,1）將入射線偏光看成是左旋、右旋圓偏光的合成,2）左旋、右旋圓偏光在物質(zhì)內(nèi)部的折射率不同，因而從物質(zhì)中出射時(shí)獲得的位相差不等。,54,3）合成復(fù)振幅,引入：,55,4）

14、討論： 若左旋圓偏振光傳播速度快，nL0，光矢量向逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)； 若右旋圓偏振光傳播速度快， nLnR ， 0，光矢量向順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。,56,3、磁致旋光效應(yīng)： 磁光效應(yīng)：在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。 磁致旋光效應(yīng)（法拉第效應(yīng)）： 在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，本來(lái)不具有旋光效應(yīng)的物質(zhì)產(chǎn)生了 旋光性質(zhì)。,裝置,對(duì)自然旋光物質(zhì)，振動(dòng)面的左旋或右旋是由旋光物質(zhì)本身決定的,與光的傳播波矢有固定關(guān)系。,57,對(duì)磁致旋光物質(zhì)，旋光方向與磁場(chǎng)方向有關(guān)，與光的傳播方向無(wú)關(guān)。,58,59,4、磁光效應(yīng)的應(yīng)用： （1）單通光閘,60,（2）磁光調(diào)制（在光通信領(lǐng)域中的應(yīng)用）,P,B,A,系統(tǒng)組成 工作原理,61,在外界強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，某些本來(lái)是各向同性的介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，而本來(lái)具有雙折射現(xiàn)象的晶體，其雙折射性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。,1、泡克耳斯效應(yīng) (Pockels effect) ：一級(jí)電光效應(yīng),P,z,x,y,X,Y,KDP（磷酸二氫鉀）,實(shí)驗(yàn)裝置一：縱向電光效應(yīng) （外加電場(chǎng)方向與光傳播方向相同）,二、電光效應(yīng),l,62,感生折射率差（n-n）：,引入位相差：,出射光強(qiáng)：,：線性電光系數(shù)，三階張量,具有中心對(duì)稱的晶體中不能產(chǎn)生線性電光效應(yīng)（在具有中心對(duì)稱的11個(gè)點(diǎn)群中，所有的三階張量元ijk=0,63,感生折射率差（n-n）：,64,偏振片1,泡克耳斯效應(yīng),偏振片2,KDP（磷酸二氫鉀）是一