晶體光學(xué)講得好

1、1 第五章第五章 光的偏振光的偏振 偏振光的分類偏振光的分類 馬呂斯定律馬呂斯定律 布儒斯特定律布儒斯特定律 光的雙折射現(xiàn)象光的雙折射現(xiàn)象 橢圓與圓偏振光的產(chǎn)生橢圓與圓偏振光的產(chǎn)生 偏振態(tài)的實驗檢驗偏振態(tài)的實驗檢驗 偏振光的干涉偏振光的干涉 2 5-1 5-1 自然光和偏振光自然光和偏振光 一、光的偏振現(xiàn)象一、光的偏振現(xiàn)象 (1) 波振動方向與傳播方向相同的稱縱波波振動方向與傳播方向相同的稱縱波 (2) 波振動方向與波傳播方向相互垂直的稱橫波波振動方向與波傳播方向相互垂直的稱橫波 (3) 光振動方向與運動方向構(gòu)成的平面稱為振動光振動方向與運動方向構(gòu)成的平面稱為振動 面面 (4) (4) 縱波的

2、振動面不能確定縱波的振動面不能確定 ，振動對傳播方向具，振動對傳播方向具 有對稱性有對稱性 (5) 橫波的振動面只有一個，振動方向?qū)鞑シ较驒M波的振動面只有一個，振動方向?qū)鞑シ较?是不對稱的。是不對稱的。 (6) 振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性就稱為偏振振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性就稱為偏振 3 假定存在這樣的狹縫，垂直縫的方向光振動被吸假定存在這樣的狹縫，垂直縫的方向光振動被吸 收，而平行狹縫方向的光振動是不受影響，則轉(zhuǎn)收，而平行狹縫方向的光振動是不受影響，則轉(zhuǎn) 動狹縫，透過光將出現(xiàn)明暗強度的變化，這就是動狹縫，透過光將出現(xiàn)明暗強度的變化，這就是 偏振現(xiàn)象偏振現(xiàn)象。 光振動的不同狀態(tài)，偏

3、振光分為五種：自然光、光振動的不同狀態(tài)，偏振光分為五種：自然光、 線偏振光（又稱平面偏振光）、部分偏振光、圓線偏振光（又稱平面偏振光）、部分偏振光、圓 偏振光和橢圓偏振光。偏振光和橢圓偏振光。 二、自然光二、自然光 自然光是指電矢量具有自然光是指電矢量具有空間分布的均勻性空間分布的均勻性，又，又 有有時間分布的均勻性時間分布的均勻性，也就是在軸對稱的各個方，也就是在軸對稱的各個方 向上電矢量的時間平均值是相等的。向上電矢量的時間平均值是相等的。 4 圖圖 自然光示意圖自然光示意圖 三、三、平面偏振光與部分偏振光平面偏振光與部分偏振光 光在傳播過程中電矢量的振動只限于某一確定光在傳播過程中電矢量

4、的振動只限于某一確定 振動平面振動平面-平面偏振光平面偏振光，又稱，又稱線偏振光線偏振光。 圖圖 線偏振光示意圖線偏振光示意圖 5 部分線偏振光是介于自然光與線偏振光之間。部分線偏振光是介于自然光與線偏振光之間。 圖圖 部分偏振光示意圖部分偏振光示意圖 minmax minmax II II P 偏振度偏振度： 其中其中Imax某一方向所具有的能量最大值，某一方向所具有的能量最大值，Imin為其為其 垂直方向上具有的能量最小值。自然光的垂直方向上具有的能量最小值。自然光的P=0P=0；線線 偏振光的偏振光的P=1P=1。 6 5-2 5-2 馬呂斯定律馬呂斯定律 一、一、馬呂斯定律馬呂斯定律

5、(1) 光的偏振現(xiàn)象可用偏振片來觀察光的偏振現(xiàn)象可用偏振片來觀察 (2) 偏振片有一個特殊的方向，當光振動方向平行于偏振片有一個特殊的方向，當光振動方向平行于 這個方向時，光才能通過。這個方向時，光才能通過。 P1、P2的夾角為的夾角為 ，由圖知：，由圖知：A/=Acos 與與 A =Asin 則透射光的強度：則透射光的強度：I =A2cos2 =I0cos2 。 上述為上述為馬呂斯定律馬呂斯定律。 7 自然光與部分線偏振光中獲取線偏振光常見方法：自然光與部分線偏振光中獲取線偏振光常見方法： （1 1）利用晶體的雙折射現(xiàn)象；）利用晶體的雙折射現(xiàn)象； （2 2）利用光的反射與折射；）利用光的反射

6、與折射； （3 3）利用晶體的二向色性。）利用晶體的二向色性。 二、二向色性產(chǎn)生的線偏振光二、二向色性產(chǎn)生的線偏振光 二向色性是指有些晶體對不同方向振動的電矢量二向色性是指有些晶體對不同方向振動的電矢量 具有選擇吸收的性質(zhì)。具有選擇吸收的性質(zhì)。 天然的二向色性晶體是電氣石。天然的二向色性晶體是電氣石。 人造的二向色性晶體是聚乙烯醇片，用碘浸染。人造的二向色性晶體是聚乙烯醇片，用碘浸染。 自然光與線偏振光經(jīng)過二向色性晶體的透射光為自然光與線偏振光經(jīng)過二向色性晶體的透射光為 一束線偏振光。一束線偏振光。 8 5-3 5-3 反射與折射起偏反射與折射起偏 1 2 2 10 10 10 10 cos

7、sin cos sin n n i i i i tgi 一、反射光的偏振態(tài)一、反射光的偏振態(tài) 自然光入射到介質(zhì)界面：自然光入射到介質(zhì)界面： （1 1）當）當i i1 1=0=0 ，9090 時，反射光仍然是自然光；時，反射光仍然是自然光； （2 2）在其他角度，反射光是部分偏振光，且它的）在其他角度，反射光是部分偏振光，且它的 平行分量總是小于垂直分量；平行分量總是小于垂直分量； （3 3）當入射角滿足公式當入射角滿足公式i1+i2=90 時，反射光為振時，反射光為振 動垂直于紙面的線偏振光，這個特殊入射角動垂直于紙面的線偏振光，這個特殊入射角 稱全偏振角（布儒斯特角），用稱全偏振角（布儒斯特

8、角），用i10表示。表示。 -布儒斯特布儒斯特定律定律 9 二、透射光的偏振態(tài)二、透射光的偏振態(tài) 自然光以任意角入射介質(zhì)界面發(fā)生折射，從介質(zhì)自然光以任意角入射介質(zhì)界面發(fā)生折射，從介質(zhì) 透射出來的光總是部分偏振光，其平行于入射面透射出來的光總是部分偏振光，其平行于入射面 的分量大于垂直分量。的分量大于垂直分量。 5-4 5-4 光的雙折射現(xiàn)象光的雙折射現(xiàn)象 一、一、雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象 (1) 光入射到各向異性的介質(zhì)中，同一束光折射后分光入射到各向異性的介質(zhì)中，同一束光折射后分 成兩束折射光的現(xiàn)象稱為成兩束折射光的現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象。 (2) (2) 雙折射光中，其中一束折射光按折射定

9、律所指雙折射光中，其中一束折射光按折射定律所指 定的方向傳播，稱為定的方向傳播，稱為尋常光尋常光（簡稱（簡稱o o光光）。）。 2 1 sin sin i i (3)(3)一束折射光在晶體內(nèi)傳播方向不符合折射定律，一束折射光在晶體內(nèi)傳播方向不符合折射定律， 不是常數(shù)，不是常數(shù)，稱為稱為非常光非常光（簡稱（簡稱e e光光）。）。 10 二、光軸與主截面二、光軸與主截面 光沿一些特殊方向傳播時不發(fā)生雙折射現(xiàn)象，沿光沿一些特殊方向傳播時不發(fā)生雙折射現(xiàn)象，沿 這些特殊方向任一條直線，叫做這些特殊方向任一條直線，叫做晶體的光軸晶體的光軸。 主截面主截面：包括晶體光軸和一條給定光線的平面稱：包括晶體光軸和

10、一條給定光線的平面稱 與這條光線對應(yīng)的晶體的主截面。與這條光線對應(yīng)的晶體的主截面。 o o光的振動垂直于自己的主截面。光的振動垂直于自己的主截面。 e e光的振動面平行于自己的主截面。光的振動面平行于自己的主截面。 三、三、o o光與光與e e光的相對光強光的相對光強 2 )( tg n n I I e o e o 晶體中晶體中e e光與光與o o光的相對光強為：光的相對光強為： 2 tg I I e o e e光與光與o o光光射出晶體后射出晶體后的相對光強為：的相對光強為： 11 四、四、雙折射現(xiàn)象的解釋雙折射現(xiàn)象的解釋 o o光的光的振動永遠垂直于光軸，振動永遠垂直于光軸，在各個方向傳播

11、速度在各個方向傳播速度 是一致的，它的是一致的，它的波面是一個球面波面是一個球面； 非常光非常光e e光，振動方向與光軸成不同的角度，傳光，振動方向與光軸成不同的角度，傳 播速度將隨傳播方向的改變而改變，設(shè)振動垂直播速度將隨傳播方向的改變而改變，設(shè)振動垂直 光軸的光傳播速度為光軸的光傳播速度為V Vo o，平行于光軸的光傳播速平行于光軸的光傳播速 度為度為V Ve e，對于其他情況下，光傳播速度介于對于其他情況下，光傳播速度介于V Vo o與與V Ve e 之間，則之間，則e e光的波面是一個旋轉(zhuǎn)橢球面光的波面是一個旋轉(zhuǎn)橢球面。 單軸晶體分兩類：單軸晶體分兩類： （1 1）V Vo oVVe

12、e，則旋轉(zhuǎn)橢球波面在球面波面內(nèi)，稱為則旋轉(zhuǎn)橢球波面在球面波面內(nèi)，稱為 正晶體；正晶體； （2 2）V Vo o V = 21 一、橢圓與圓偏振光一、橢圓與圓偏振光 )cos(kzwtAE xx )cos( kzwtAE yy 2 2 2 2 2 sincos2 y y x x y y x x A E A E A E A E 橢圓偏振光可用兩列頻率相同、振動方向相橢圓偏振光可用兩列頻率相同、振動方向相 互垂直，且沿同一方向傳播的線偏振光疊加得到互垂直，且沿同一方向傳播的線偏振光疊加得到 ，設(shè)光波沿，設(shè)光波沿z z軸方向傳播，有：軸方向傳播，有： 消去消去wt-kzwt-kz可得：可得： 上上式是

13、橢圓方程，它的主軸不在式是橢圓方程，它的主軸不在x x軸上。軸上。 22 圖圖 橢圓偏振光示意圖橢圓偏振光示意圖 幾種特殊的情況幾種特殊的情況 ： 1 2 2 2 2 y y x x A E A E 2 k （1） ，k=0， 1， 上式所示的為正橢圓偏振光，特別當上式所示的為正橢圓偏振光，特別當A Ax x=A=Ay y時，上時，上 式即是圓偏振光的表達式。式即是圓偏振光的表達式。 23 （2） ，k=0， 1， kx x y x E A A E 上式所表示的是線偏振光上式所表示的是線偏振光 。 迎著光的傳播方向觀察，一個場點的電矢量端點迎著光的傳播方向觀察，一個場點的電矢量端點 描出的橢圓

14、沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，稱描出的橢圓沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，稱右旋橢圓偏振右旋橢圓偏振 光光；電矢量端點描出的橢圓沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，；電矢量端點描出的橢圓沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)， 稱稱左旋橢圓偏振光左旋橢圓偏振光。 橢圓偏振光的物理圖象（右旋）：電矢量大小不橢圓偏振光的物理圖象（右旋）：電矢量大小不 斷地變化，方向也不斷地改變，在某一時刻電矢斷地變化，方向也不斷地改變，在某一時刻電矢 量末端構(gòu)成一右旋螺線，迎著光觀察，則隨時間量末端構(gòu)成一右旋螺線，迎著光觀察，則隨時間 的推移，整個螺線按順時針方向旋轉(zhuǎn)。的推移，整個螺線按順時針方向旋轉(zhuǎn)。 24 二、橢圓、圓偏振光的產(chǎn)生二、橢圓、圓偏振光的產(chǎn)生 自然光經(jīng)尼科耳棱鏡

15、或偏振片自然光經(jīng)尼科耳棱鏡或偏振片P P成為一束線偏成為一束線偏 振光，然后垂直入射到一塊光軸平行于晶面的晶振光，然后垂直入射到一塊光軸平行于晶面的晶 體薄片，則從晶體中射出，體薄片，則從晶體中射出，o o光與光與e e光將合成橢圓光將合成橢圓 偏振光，其偏振類型決定于晶片厚度及入射線偏偏振光，其偏振類型決定于晶片厚度及入射線偏 振光的振動面與晶片光軸夾角。振光的振動面與晶片光軸夾角。 線偏振光垂直入射線偏振光垂直入射 /4/4波片，如果入射線偏振波片，如果入射線偏振 光的振動面與光軸成光的振動面與光軸成4545 ，則從，則從 /4/4波片出射的光波片出射的光 為為圓偏振光圓偏振光。 線偏振光

16、垂直入射線偏振光垂直入射 /2/2波片，產(chǎn)生波片，產(chǎn)生線偏振光線偏振光， 但透射光的振動面將轉(zhuǎn)動但透射光的振動面將轉(zhuǎn)動2 2 。 25 三、三、自然光中產(chǎn)生橢圓或圓偏振光自然光中產(chǎn)生橢圓或圓偏振光 要使自然光轉(zhuǎn)化成橢圓偏振光，首先是使自然要使自然光轉(zhuǎn)化成橢圓偏振光，首先是使自然 光通過一個偏振片，產(chǎn)生線偏振光，然后將它垂光通過一個偏振片，產(chǎn)生線偏振光，然后將它垂 直入射到一塊波晶片上。直入射到一塊波晶片上。 一個恰當取向的起偏器和一塊波晶片的串接組一個恰當取向的起偏器和一塊波晶片的串接組 合叫做合叫做橢圓偏振器橢圓偏振器。 產(chǎn)生圓偏振光的則要求起偏器的透振方向與產(chǎn)生圓偏振光的則要求起偏器的透振

17、方向與 /4/4 波片的光軸成波片的光軸成4545 。透振方向與光軸成。透振方向與光軸成4545 的一個的一個 起偏器和一塊起偏器和一塊 /4/4波片波晶片的串接組合叫做波片波晶片的串接組合叫做圓偏圓偏 振器振器。 26 5-7 5-7 偏振態(tài)的實驗檢定偏振態(tài)的實驗檢定 第一步第一步 令待檢光通過偏振片，旋轉(zhuǎn)偏振片，觀察透射光令待檢光通過偏振片，旋轉(zhuǎn)偏振片，觀察透射光 的強度變化的強度變化 觀察到觀察到 的現(xiàn)象的現(xiàn)象 有消有消 光光強度無變化強度無變化 強度有變化，但不出現(xiàn)強度有變化，但不出現(xiàn) 消光消光 結(jié)論結(jié)論 線偏線偏 振光振光 自然光自然光或或圓偏圓偏 振光振光 部分偏振光部分偏振光或或

18、橢圓偏振橢圓偏振 光光 第二步第二步 偏振片前插入偏振片前插入 /4 波片，旋轉(zhuǎn)偏振波片，旋轉(zhuǎn)偏振 片，觀察透射光片，觀察透射光 強度變化強度變化 偏振片前插入偏振片前插入 /4波片，其波片，其 光軸與第一步強度最大方光軸與第一步強度最大方 向一致，旋轉(zhuǎn)偏振片，觀向一致，旋轉(zhuǎn)偏振片，觀 察透射光強度變化察透射光強度變化 觀察到觀察到 的現(xiàn)象的現(xiàn)象 強度無強度無 變化變化 有消有消 光光 強度有變化強度有變化 但不出現(xiàn)消但不出現(xiàn)消 光光 有消光有消光 結(jié)論結(jié)論 自然光自然光 圓偏振圓偏振 光光 部分偏振光部分偏振光 橢圓偏振橢圓偏振 光光 27 5-8 5-8 偏振光的干涉偏振光的干涉 一、一、

19、偏振光干涉實驗偏振光干涉實驗 兩塊共軸偏振片兩塊共軸偏振片P P1 1和和P P2 2之間放一塊厚度為之間放一塊厚度為d d的的 波晶片，自然光經(jīng)過第一塊偏振片后成為線偏振波晶片，自然光經(jīng)過第一塊偏振片后成為線偏振 光，在垂直入射到波晶片上，產(chǎn)生的光，在垂直入射到波晶片上，產(chǎn)生的o o光與光與e e光之光之 間有不同的位相，第二塊偏振片間有不同的位相，第二塊偏振片P P2 2將兩束光引導(dǎo)將兩束光引導(dǎo) 到相同的方向上，從而產(chǎn)生了干涉。到相同的方向上，從而產(chǎn)生了干涉。 圖圖 偏振光干涉實驗裝置示意圖偏振光干涉實驗裝置示意圖 28 二、二、偏振光干涉的強度分布偏振光干涉的強度分布 sinsinsin

20、 12 AAA oo coscoscos 12 AAA ee sin 1 AAo cos 1 AAe 通過偏振片通過偏振片P P1 1后線偏振光振幅為后線偏振光振幅為A A1 1，波晶片光波晶片光 軸夾角為軸夾角為 ，進入波晶片后分解成，進入波晶片后分解成o o光與光與e e光，它們光，它們 的振幅為：的振幅為： ； 。偏振。偏振 片片P P2 2的透振方向與波晶片光軸的夾角為的透振方向與波晶片光軸的夾角為 ，則兩束，則兩束 透射光的振幅分別為透射光的振幅分別為： 29 A A2o 2o與 與A A2e 2e兩束光相干后的強度為： 兩束光相干后的強度為： 2 sin2sin2sin)(cos

21、cos2 22 2 1 22 2 2 2 2 A AAAAI eoeo 其中其中是指從是指從P P2 2出射時兩束相干光的相位差，出射時兩束相干光的相位差， 包括兩部分：包括兩部分： dnn eo )( 2 （1 1）波晶片所產(chǎn)生的相位差）波晶片所產(chǎn)生的相位差 ，d d為波晶片的厚度；為波晶片的厚度； （2 2）附加位相差）附加位相差 ，當，當P P2 2和和P P1 1的透振方向處于相同的的透振方向處于相同的 象限時，不存在附加位相差象限時，不存在附加位相差 ，而而P P2 2和和P P1 1的透振方的透振方 向處于不同的象限時，則存在附加位相差向處于不同的象限時，則存在附加位相差 。 30

22、 兩種特殊情況：兩種特殊情況： 2 sin)2(sin1 22 2 1/ AI 2 sin)2(sin 2 sin)2(sin)2 2 (cos 22 2 1 222 2 1 A AI （1 1） 的情況下，即的情況下，即P P2 2和和P P1 1的透振方向相互的透振方向相互 平行，則平行，則 2 （2 2） ，即，即P P2 2和和P P1 1的透振方向相互垂直，則的透振方向相互垂直，則 2 1/ AII 可見：可見： ，說明平行偏振片與垂直偏，說明平行偏振片與垂直偏 振片的干涉強度是互補的。振片的干涉強度是互補的。 31 偏振光干涉的特點：偏振光干涉的特點： 1.1.晶片厚度均勻，透過晶片各部分的兩種光有相同晶片厚度均勻，透過晶片各部分的兩種光有相同 光程差，屏上強度相同，旋轉(zhuǎn)晶片，即改變光程差，屏上強度相同，旋轉(zhuǎn)晶片，即改變 ， 強度發(fā)生變化，旋轉(zhuǎn)偏振片，強度也發(fā)生變化。強度發(fā)生變化，旋轉(zhuǎn)偏振片，強度也發(fā)生變化。 2.2.一定材質(zhì)的波晶片，一定材質(zhì)的波晶片，與入射光波長有關(guān)，白光與入射光波長有關(guān)，白光 入射，可能有幾種波長光滿足相長條件，另外幾入射，可能有幾種波長光滿足相長條件，另外幾 種波長光滿足相消條件，透射光呈一定