大學物理-多媒體課件 -3 光的偏振.ppt

1、1,2,5.1 光的偏振狀態(tài),一、完全偏振光,線偏振光可沿兩個相互垂直的方向分解：,1、線偏振光（linearly polarized light）,線偏振光表示法：,光矢量垂直于傳播方向,3,2、圓偏振光（circularly polarized light）,線、圓和橢圓偏振光 完全偏振光,橢圓偏振光（elliptically polarized light）,4,為某個確定值的線偏振光的合成。,右旋圓偏振光的合成。,圓和橢圓偏振光可看成是兩束頻率相同、,傳播方向一致、,振動方向相互垂直、,相位差,線偏振光則可以看成是兩束頻率相同、,相位相同、,振幅相同、,傳播方向也相同的,左、,相位差

2、/2或3 /2,和 2,5,二、完全非偏振光自然光（natural light）,垂直的、等幅的、不相干的線偏振光。,自然光的表示法：,一束自然光可分解為兩束振動方向相互,6,三、部分偏振光,表示法：,自然光和完全偏振光的混合，就構成了部分,部分偏振光可看成是自然光和線偏振,光的混合，,偏振光。,就是這種部分偏振光，,天空中的散射光和水面的反射光,它可以分解如下：,7,四、偏振度（degree of polarization）,Ip 部分偏振光中包含的完全偏振光的強度,It 部分偏振光的總強度,In 部分偏振光中包含的自然光的強度,完全偏振光 （線、圓、橢圓） P = 1,自然光 （ 非偏振光

3、） P = 0,部分偏振光 0 P 1,偏振度：,8,5.2 線偏振光的獲得與檢驗,一、起偏,起偏的原理：利用某種光學的不對稱性,偏振片（Polaroid）P（獲得線偏振光）,起偏器（polarizer）：起偏的光學器件,：從自然光獲得偏振光,（常用）,9,非偏振光I0,線偏振光 I,偏振化方向 （通光方向）,二、馬呂斯定律（Malus law）,I0,I,線偏振光的起偏, 馬呂斯定律（1809）, 消光,10,三、線偏振光的檢偏,檢偏：用偏振器件檢驗光的偏振態(tài),若 I 不變，是什么光？,若 I 變，有消光，是什么光？,若 I 變，無消光，是什么光？,然光混合而成的部分偏振光,設入射光可能是自

4、然光,線偏振光,或由線偏振光與自,或,【演示】線偏振光的起偏和檢偏,11,四、偏振片的應用,偏振片的應用很多，例如：,作為照相機的濾光鏡，可以濾掉不必要的,反射光。,制成偏光眼鏡，可觀看立體電影。,若在所有汽車前窗玻璃和大燈前都裝上與,作為許多光學儀器中的起偏和檢偏裝置。,可以避免汽車會車時燈光的晃眼。,地面成45角、且向同一方向傾斜的偏振片，,12,5.3 反射和折射光的偏振 *散射光的偏振,一、反射和折射時光的偏振,反射光垂直入射面的分量（S）比例大，,折射光平行入射面的分量（P）比例大，,入射角i 變,反射、折射光的偏振度也變。,13,i = i0 時，反射光只有S分量：,i0 布儒斯特

5、角（Brewster angle）或 起偏角,i0 +r0 = 90,由,得布儒斯特（Brewster）定律 （1812年）,14,【思考】如何測量不透明介質的折射率？,例：外腔式激光管加布儒斯特窗減少反射損失,則：,垂直分量損耗大，不能形成激光，但平行分量能形成激光。,15,有反射光干擾的櫥窗,在照相機鏡頭前加偏振片消除了反射光的干擾,16,對布儒斯特定律的定性解釋：,折射光波在第二種介質中激起電子做受迫振動，振動方向沿光矢量方向。振動的原子可看做是電偶極子輻射次波，這些次波傳回第一種介質相干疊加形成反射波。,當以布儒斯特角入射時，反射光垂直于折射光。在入射點處，P分量的振動方向正好沿著反射

6、光線的方向，因電磁波是橫波，所以反射光只有S分量。,17,二、玻璃片堆起偏和檢偏,1、起偏：,當 時反射光是線偏振的，可用來起偏。,但單次反射的反射光強太低（只占15），而且方向發(fā)生變化，使用不方便。因此更多利用 時的折射光起偏，并采用玻璃片堆增大透射光的偏振度。,【演示】玻璃片堆起偏,18,若反射光光強不變 入射光是自然光； 若反射光光強變且有消光 入射光是線偏振光； 若反射光光強變且無消光 入射光是部分偏振光。,讓待檢驗的光以布儒斯特角i0入射到界面上，,保持i = i0不變，以入射線為軸旋轉界面：,19,*三、散射光的偏振,1、瑞利散射,光的散射與介質顆粒的線度有關。顆粒線度小于十分之一

7、波長的散射瑞利散射。,光波電場分子范圍內交變的均勻場,在入射光的激勵下，顆粒電偶極子，輻射電磁波。,瑞利定律（1899）：散射光強與 成反比。,【演示】白光的散射,20,2、散射光的偏振,例如：天空大氣散射的日光就是部分偏振光。顏色偏蘭。,21,蜜蜂和某些鳥可辨別出大氣散射光的偏振，從而用來確定方向。,多次散射可以把個別散射方向的不對稱抵消，從而可消除偏振。,【演示】光不能透過兩個互相垂直的偏振片，但在其間夾一蠟紙（形成多次散射），光又能透過了。,22,i,一、雙折射的概念,1、雙折射：,n1,n2,ro,re,(各向異 性介質),自然光,o光,e光,2、尋常（o）光和非尋常（e）光,o光 ：

8、 遵從折射定律,e光 ： 一般不遵從折射定律,e光折射線也不一定在入射面內。,射到各向異性介質時，,5.4 雙折射（birefringence）現(xiàn)象,一束光入,折射光分成兩束的現(xiàn)象。,23,雙折射會映射出雙像,24,方解石,o,e,以入射方向為 軸旋轉方解石,雙折射的兩 束光振動方 向相互垂直,【演示】方解石的雙折射,25,當方解石晶體旋轉時，,e光的像圍繞 o 光的像旋轉。,o 光的像不動，,26,繼續(xù)旋轉方解石晶體：,27,繼續(xù)旋轉方解石晶體：,28,繼續(xù)旋轉方解石晶體：,29,繼續(xù)旋轉方解石晶體：,30,3、晶體的光軸（optical axis of crystal）,當光在晶體內沿某個

9、特殊方向傳播時不發(fā),例如，方解石晶體（冰洲石）的光軸：由鈍頂角引出的與三個棱邊成等角的方向就是光軸。,光軸是一個特殊的方向，,單軸晶體：只有一個光軸的晶體，如方解石。,雙軸晶體：有兩個光軸的晶體，如云毋。,該方向稱為晶體的光軸。,生雙折射，,直線均為光軸。,凡平行于此方向的,31,方解石的光軸,32,4、主平面（principal plane）,晶體中光的傳播方向與晶體光軸構成的平面,叫該束光的主平面。,33,晶體的各向異性：,介電常數(shù)為 x , y,x= y z,光矢量垂直于光軸時，,光矢量振動方向與晶體光軸的夾角不同，,介電常數(shù)就不同，光的傳播速度也就不同。,二、晶體的主折射率，正晶體、負

10、晶體,34,o光：,no ，ne 稱為 晶體的主折射率,正晶體：ne no,負晶體：ne no,e光：,(ve vo),(ve vo),如：石英、冰,如：方解石、紅寶石,35,三、單軸晶體中光傳播的惠更斯作圖法,1、光軸平行晶體表面，自然光垂直入射,o、 e方向上雖沒分開，,下面以負晶體(ve vo)為例，介紹該方法：,但速度上是分開的，,這仍是雙折射。,以惠更斯原理為依據(jù)的惠更斯作圖法，,是研究光在晶體中傳播的重要方法。,36,o,e,2、光軸平行晶體表面，且垂直入射面，,晶體,re,vot,vet,o,e,ct,自然光斜入射,在這種特殊的情況下，對e 光也可以用,折射定律。,37,3、光軸

11、與晶體表面斜交，自然光垂直入射,此時e光的波面不再與其波射線垂直了。為什么？,這正是前面演示的情形。,38,5.5 橢圓偏振光和圓偏振光,一、晶體起偏器件,1、晶體的二向色性、晶體偏振器,某些晶體對o光和e光的吸收有很大差異，,例如，電氣石對o光有強烈吸收，,對e光,吸收很弱，,用它就可以產生線偏振光。,這叫晶體的二向色性（dichroism）。,39,2、偏振棱鏡,偏光棱鏡：,光軸的取向使e光對應的恰是 ne 。,no（1.6584） n（1.55） ne（1.4864）,i 臨界角，o 光全反射了，e 光可通過。,偏振棱鏡可由自然光獲得高質量的線偏振光，,可由自然光獲得原方向的線偏振光,它

12、又可分為偏光棱鏡和偏光分束棱鏡。,40,偏光分束棱鏡：,可由自然光獲得分開的兩束線偏振光,光進入到第1塊方解石后，o光和e光在方向上沒有分開。,由于方解石2和方解石1二者光軸垂直，當光進入到方解石2時，o 光變成e光（none）：光密光疏；而e光變成o 光：光疏光密,于是兩光束在界面處發(fā)生折射而分開。,41,二、晶體相移器件 圓和橢圓偏振光的起偏,晶片：光軸平行于表面的晶體薄片。,從晶片出射的兩束光由于出現(xiàn)相位差，,而合成為一束橢圓、圓或線偏振光。,42,在入射點，o、e光的相位差為零或，在出射點晶片對o、e光產生的附加相位差：,，出射光為橢圓(圓)偏振光,當,，出射光仍為線偏振光,當,43,

13、1、四分之一波(晶)片（quarter-wave plate）,線偏振光圓偏振光,線偏振光線偏振光,可從線偏振光獲得橢圓或圓偏振光（或相反）,厚度滿足,線偏振光橢圓偏振光,44,2、二分之一波片,可使線偏振光振動面轉過2 角度,3、全波片,【演示】四分之一波片 二分之一波片,注意：波片是對某個確定波長 而言的,45,三、橢圓與圓偏振光的檢偏,【思考】如何用四分之一波片和偏振片區(qū)分,部分偏振光和橢圓偏振光,自然光和圓偏振光,46,四分之一波片,偏振片（轉動）,以入射光方向為軸,四分之一波片,偏振片（轉動）,光軸平行最大光強或最小光強方向放置,或光軸平行橢圓偏振光的長軸或短軸放置,47,如何區(qū)分由

14、自然光和橢圓偏振光組成的 部分偏振光，與由自然光和線偏振光組成 的部分偏振光？,【思考】,如何區(qū)分由自然光和圓偏振光組成的部分 偏振光，與自然光？,48,5.6 偏振光的干涉,一、偏振光干涉裝置,二、偏振光干涉的分析,1、振幅關系,在P2 后：,相干,在P1 后：,不相干,49,通過晶體C后：,此兩束光合成為一束橢圓偏振光。,再通過P2 后：,2、相位關系,成為兩束相干光。,50, 相長干涉，P2后面的光場最明亮。, 相消干涉，P2后面的光場最暗。,若單色光入射，且d不均勻，則屏上為等厚條紋。,如果,如果,，與d 和 有關,51,石英劈尖的偏振光干涉（等厚條紋）,52,于某種顏色干涉相消，而呈

15、現(xiàn)它的互補色，,三、色偏振（chromatic polarization）,若白光入射，且晶片d 均勻，,若d不均勻，則屏上出現(xiàn)彩色條紋。,紅色（656.2 nm）相消,如：,藍色（485.4nm）相消,【演示】玻璃紙厚度不同的色偏振,色偏振是檢驗材料有無雙折射效應的靈敏方法，,用顯微鏡觀察各種材料在白光下的色偏振，,分析物質內部的某些結構, 偏光顯微術。,則：屏上由,這叫（顯）色偏振。,綠色（492.1nm）；,黃色（585. 3 nm）。,可以,53,硫代硫酸鈉晶片的色偏振圖片,結冰過程色偏振顯微攝影,54,5.7 人工雙折射,人為地造成各向異性，而產生雙折射。,一、光彈效應（photoe

16、lastic effect）,應力各向異性,在一定應力范圍內：,光彈效應也叫應力雙折射效應。, n各向不同,55,各處 不同各處 不同出現(xiàn)干涉條紋，,【演示】,模型的光彈圖象,吊鉤的光彈圖象,變 變干涉情況變。,應力雙折射,56,二、電光效應（electro optic effect）,電光效應也叫電致雙折射效應。,1、克爾效應 （kerr effect） （1875年）,盒內充某種液體，如硝基苯（C6H5NO2）,不加電場液體各向同性P2不透光；,加電場液體呈單軸晶體性質，,光軸平行電場強度 P2透光。,57,二次電光效應,k 克爾常數(shù)，U 電壓,克爾效應引起的相位差為：,當,若 l = 3

17、cm，,d = 0.8cm，,對 = 600nm的黃光，,58,可作為光開關（響應時間109s），,克爾盒的應用：,克爾盒的缺點：,和加數(shù)萬伏的高電壓，,用于高速攝影、,激光通訊、,光速測距、,脈沖激光系統(tǒng)（作為Q開關）,硝基苯有毒，,需要極高的純度,故現(xiàn)在很少用。,易爆炸，,59,2、泡克爾斯效應（pockels effect） （1893年）,光傳播方向與電場平行，,電極K和 K透明，,晶體是單軸晶體，,不加電場 P2 不透光。,加電場晶體變雙軸晶體,了雙折射效應,原光軸方向附加, P2 透光。,光軸沿,光傳播方向。,60,no o光在晶體中的折射率；,泡克爾斯效應引起的相位差：, 線性電

18、光效應,r 電光常數(shù)；,時，P2透光最強。,KH2PO4（KDP）、NH4H2PO4（ADP）等,對 = 546nm的綠光，,如KDP no =1.51，,U 電壓。,激光調Q，,超高速開關（響應時間小于109s），,數(shù)據(jù)處理,顯示技術，,應用：,單晶都具有線性電光效應。,61,子彈射穿蘋果的瞬間（高速攝影）,62,三、磁致雙折射,科頓 穆頓（Cotton-Mouton）效應：,某些透明液體在磁場H作用下變?yōu)楦飨虍愋裕? 二次效應,需要很強的磁場才能觀察到。,性質類似于單軸晶體，光軸平行磁場。,63,5.8 旋光現(xiàn)象,一、物質的旋光性（optical activity）,除石英外，氯酸鈉、乳酸

19、、松節(jié)油、糖的,a 旋光率,1811年，法國物理學家阿喇果（Arago）,其振動面能發(fā)生旋轉，,發(fā)現(xiàn)，,線偏振光沿光軸方向通過石英晶體時，,這稱為旋光現(xiàn)象。,水溶液等也都具有旋光性。,64,二、菲涅耳對旋光性的解釋,線偏振光可看作是同頻率、等振幅、有確定 相位差的左(L)、右(R)旋圓偏振光的合成。,實驗表明，旋光率 a 與旋光物質和入射波長,有關，,對于溶液，還和旋光物質的濃度有關。,石英對 = 589nm的黃光，a = 21.75/mm；,而對 = 408nm的紫光，a = 48.9/mm 。,同一種物質也可以有左旋體和右旋體，,物質的旋光性是和物質原子排列結構有關的，,原子排列互為鏡像對稱，,它們的,稱為同分異構體。,65,光通過旋光物質后，位相,在出射面上：,設入射時L、R位相為0，,旋光物