光學(xué)第十三章

1、光波的偏振第四節(jié)雙折射現(xiàn)象尋常與非常光尋常與非常光演示1演示2都是線偏振光。都是線偏振光。晶體的光軸 方解石、石英、紅寶石等晶體，只有一個(gè)方解石、石英、紅寶石等晶體，只有一個(gè)光軸方向，稱為單軸晶體。光軸方向，稱為單軸晶體。 云母、藍(lán)寶石、橄欖石等晶體，有兩個(gè)光云母、藍(lán)寶石、橄欖石等晶體，有兩個(gè)光軸方向，稱為雙軸晶體。軸方向，稱為雙軸晶體。 晶體的光軸是晶體中的一個(gè)晶體的光軸是晶體中的一個(gè)特殊的方特殊的方向向，在該方向上，在該方向上，o o光、光、e e光的傳播速度光的傳播速度（大小和方向）相同，即折射率相等，不（大小和方向）相同，即折射率相等，不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。方解石方解石的光

2、軸 通過通過A或或B，并與三，并與三個(gè)會(huì)合鈍角的界面成等個(gè)會(huì)合鈍角的界面成等角的直線方向，就是方角的直線方向，就是方解石晶體的解石晶體的光軸方向光軸方向（對(duì)于嚴(yán)格等棱長(zhǎng)的方解對(duì)于嚴(yán)格等棱長(zhǎng)的方解石菱體，即石菱體，即AB連線方向連線方向） 與此平行通與此平行通過晶體的直線都過晶體的直線都是光軸方向，常是光軸方向，常用用表示表示續(xù)上晶體的主截面晶體的主截面晶體的主截面某晶面法線方向某晶面法線方向光軸方向光軸方向晶體的主截面晶體的主截面 含光軸并與某晶面正交的平面含光軸并與某晶面正交的平面。主平面 一般情況下一般情況下這兩個(gè)主平面這兩個(gè)主平面不嚴(yán)格重合不嚴(yán)格重合主平面主平面主平面主平面主截面內(nèi)入射即

3、即都在主截面內(nèi)都在主截面內(nèi)和和主要討論這種最主要討論這種最基本的入射情況基本的入射情況主平面主平面主平面主平面晶體主截面晶體主截面振動(dòng)方向在晶體主截面內(nèi)入射在晶體主截面內(nèi)入射iCCO光的光振動(dòng)光的光振動(dòng)垂直于其主平面垂直于其主平面e光的光振動(dòng)光的光振動(dòng)平行于其主平面平行于其主平面方解石晶體主截面方解石晶體主截面O光光e光光e光光O光光光線光線、都在主截面內(nèi)都在主截面內(nèi)并且都是線偏振光并且都是線偏振光o、e光的波面假設(shè)方解石內(nèi)有一單色點(diǎn)光源假設(shè)方解石內(nèi)有一單色點(diǎn)光源 SO O 光光波速波速在方解石內(nèi)在方解石內(nèi)波面是球面波面是球面各向相等各向相等 光光波速波速在光軸方向等于在光軸方向等于O O光波

4、速光波速在其它方向大于在其它方向大于O O光波速光波速在垂直光軸方向波速最大在垂直光軸方向波速最大波面是橢圓回旋面波面是橢圓回旋面回旋軸向?yàn)楣廨S方向回旋軸向?yàn)楣廨S方向主折射率方解石主截面方解石主截面CC則則 O O光光折射率折射率光光在垂直光軸方在垂直光軸方向的折射率向的折射率 合稱合稱 晶晶 體的體的主折射率主折射率和和則則對(duì)于方解石對(duì)于方解石主折射率簡(jiǎn)表幾種雙折射晶體的主折射率幾種雙折射晶體的主折射率1.6584 1.4864 -0.17201.681 1.500 -0.1811.5443 1.5534 +0.00891.309 1.313 +0.004 的晶體稱為的晶體稱為負(fù)晶體負(fù)晶體的

5、晶體稱為的晶體稱為正晶體正晶體對(duì)鈉黃光對(duì)鈉黃光( (l l=589.3nm)=589.3nm)o、e光傳播方向方解石主截面方解石主截面光軸光軸切線切線CC的傳播方向的傳播方向垂直于垂直于DD到圓的切線到圓的切線的傳播方向的傳播方向垂直于垂直于DD到到橢圓橢圓的切線的切線續(xù)上CC若將方解石沿著平行于光軸的方向磨出一個(gè)平面若將方解石沿著平行于光軸的方向磨出一個(gè)平面用一平行光束垂直于此平面入射。用一平行光束垂直于此平面入射。試根據(jù)方解石試根據(jù)方解石內(nèi)內(nèi) 和和 的波面特點(diǎn)，定性畫出的波面特點(diǎn)，定性畫出 、O光光e光光O光光e光光的傳播方向和任一時(shí)刻兩光束的波陣面。的傳播方向和任一時(shí)刻兩光束的波陣面。作

6、作o o、e e 光波面圖光波面圖e e 光最大速光最大速度在垂直光度在垂直光軸方向。軸方向。兩圓切線為兩圓切線為o o光束波陣面。光束波陣面。兩橢圓切線為兩橢圓切線為e e光束波陣面光束波陣面?zhèn)鞑シ较蛳嗤瑐鞑シ较蛳嗤俣却笮〔煌俣却笮〔煌駝?dòng)相互垂直振動(dòng)相互垂直O(jiān)光光O光光e光光e光光尼科耳棱鏡晶面法線晶面法線方解石主截面方解石主截面光軸光軸 晶體雙折射產(chǎn)生的晶體雙折射產(chǎn)生的o光和光和e光傳播方向夾角一般較小，從晶光傳播方向夾角一般較小，從晶體出射時(shí)兩光束互相重疊，難以獲得單一的線偏振寬光束。體出射時(shí)兩光束互相重疊，難以獲得單一的線偏振寬光束。兩寬光束重疊兩寬光束重疊能否不讓其中的一束光從

7、末端輸出？能否不讓其中的一束光從末端輸出？續(xù)上取長(zhǎng)寬比約取長(zhǎng)寬比約 3 1 3 1 的方解石的方解石：晶面晶面法線法線主截面主截面切割面切割面光軸光軸AB通過通過A A、B B對(duì)角并垂直主截面將方解石切成兩半對(duì)角并垂直主截面將方解石切成兩半再用加拿大樹膠（對(duì)鈉光折射率為再用加拿大樹膠（對(duì)鈉光折射率為1.551.55）將其按原位粘合）將其按原位粘合先將兩端面的傾角按一定要求略加修磨先將兩端面的傾角按一定要求略加修磨尼科耳棱鏡的加工尼科耳棱鏡的加工續(xù)上方解石主截面方解石主截面將將 71 71 修磨成修磨成 686868光軸光軸膠膠= = 1.491.49= = 1.661.66= = 1.551.

8、55膠具備全反射條件具備全反射條件OO光上述設(shè)計(jì)可保證上述設(shè)計(jì)可保證 大于全反射臨界角大于全反射臨界角 只有只有 從端面輸出從端面輸出光切割后再用加拿大樹膠粘合切割后再用加拿大樹膠粘合ABOO光光被涂黑的器壁吸收被涂黑的器壁吸收光71尼科耳棱鏡工作原理尼科耳棱鏡工作原理續(xù)上波片雙折射晶體波片波片 是從雙折射單軸晶體是從雙折射單軸晶體中切割下來的平行平面中切割下來的平行平面薄片，薄片，其表面與晶體光其表面與晶體光軸方向平行。軸方向平行。光軸方向光軸方向波片的主要參數(shù)是：波片的主要參數(shù)是：波片的厚度波片的厚度波片的晶體對(duì)波長(zhǎng)為波片的晶體對(duì)波長(zhǎng)為 的的單色光的主折射率單色光的主折射率（后面均以方解石

9、波晶片為例）（后面均以方解石波晶片為例）o、e光相位差線偏振光垂直入射到波片后被分解為線偏振光垂直入射到波片后被分解為 和和O光光e光光O光光e光光在波在波片片內(nèi)內(nèi)傳播傳播方向方向振動(dòng)振動(dòng)方向方向振振 幅幅波波 速速光光 程程沿沿Z Z軸軸沿沿Z Z軸軸Oe 兩光透出波片時(shí)的兩光透出波片時(shí)的光程差光程差相位差相位差波片Z Z1/4與1/2波片Oe 兩光透出波片時(shí)的兩光透出波片時(shí)的光程差光程差波片相位差相位差Z Z四分之一波片四分之一波片（片）片） 光程差光程差是是 的奇數(shù)倍的奇數(shù)倍相位差相位差是是 的奇數(shù)倍的奇數(shù)倍的波片稱為的波片稱為二分之一波片二分之一波片（ 片）片） 光程差光程差是是 的奇

10、數(shù)倍的奇數(shù)倍相位差相位差是是 的奇數(shù)倍的奇數(shù)倍的波片稱為的波片稱為合成圖例或橢圓偏振光偏振片偏振片MM透振方向透振方向波片波片光軸方向光軸方向自自然然光光橢圓的扁率取決于 的大小等于零或 45 的偶數(shù)倍時(shí)為直線等于45 的奇數(shù)倍時(shí)為圓，得圓偏振光線偏線偏振光振光Z Z橢圓偏振光橢圓偏振光由兩束振向正交、由兩束振向正交、同頻率、相位差恒同頻率、相位差恒定的線偏振光合成定的線偏振光合成橢圓偏振光波片光軸方向自然光線偏振光波片光軸方向偏振片偏振片橢圓偏振光波片光軸方向線偏振光波片光軸方向部分偏振光偏振片偏振片第五節(jié) 參與合成橢圓偏振光的兩束線偏振光，頻率參與合成橢圓偏振光的兩束線偏振光，頻率相同，相

11、位差恒定，但其振動(dòng)方向相互垂直，不相同，相位差恒定，但其振動(dòng)方向相互垂直，不能產(chǎn)生干涉，只能合成為橢圓偏振光。能產(chǎn)生干涉，只能合成為橢圓偏振光。 若將橢圓偏振光垂直入射于一偏振片，則參與若將橢圓偏振光垂直入射于一偏振片，則參與合成橢圓偏振光的兩束線偏振光中，只有平行于偏合成橢圓偏振光的兩束線偏振光中，只有平行于偏振片透振方向的光振動(dòng)分量才能透過偏振片，因此，振片透振方向的光振動(dòng)分量才能透過偏振片，因此，透射光是兩束具有振動(dòng)方向相同、頻率相同、相位透射光是兩束具有振動(dòng)方向相同、頻率相同、相位差恒定條件的線偏振光，可以產(chǎn)生干涉。差恒定條件的線偏振光，可以產(chǎn)生干涉。相位差的確定偏振片2相干線偏振光Z

12、 Z透振方向線偏振光偏振片1M透振方向M自然光橢圓偏振光波 片光軸方向由偏振片由偏振片2 2透出的兩相干線偏振光的透出的兩相干線偏振光的相位差相位差：為為 向向 投影的附加相位差投影的附加相位差處于處于 同側(cè)同側(cè) ，否則為零，否則為零N NN NMM兩種典型情況MM相位差相位差兩種典型情況MM單色光入射對(duì)同一波片用單色光入射 若兩偏振片的透振方向相互垂直時(shí)由于某波片的雙折射引起的偏振光干涉結(jié)果獲得最強(qiáng) 將兩偏振片的透振方向轉(zhuǎn)到相互平行狀態(tài)時(shí)則光干涉結(jié)果為最弱 若波片厚度不均勻，輸出光場(chǎng)中將會(huì)出現(xiàn)明暗干涉條紋，用若波片厚度不均勻，輸出光場(chǎng)中將會(huì)出現(xiàn)明暗干涉條紋，用上述兩種狀態(tài)去觀察這種干涉條紋，

13、其明暗分布也是相反的。上述兩種狀態(tài)去觀察這種干涉條紋，其明暗分布也是相反的。偏振片1偏振片2波片輸出光分布相位差相位差相位差相位差白光的色偏振對(duì)同一波片用白光入射對(duì)同一波片用白光入射1 1白光白光2 2白光白光相位差相位差兩偏振片透振方向正交兩偏振片透振方向正交兩偏振片透振方向平行兩偏振片透振方向平行相位差相位差白光中的各種波長(zhǎng)不可能同時(shí)滿足同一情況的相長(zhǎng)干涉或相消干涉條件白光中的各種波長(zhǎng)不可能同時(shí)滿足同一情況的相長(zhǎng)干涉或相消干涉條件1 1若若 滿足滿足的相長(zhǎng)干涉條的相長(zhǎng)干涉條件，對(duì)于件，對(duì)于 則滿足相則滿足相 消或消或減弱減弱 條件條件 的相長(zhǎng)干涉條件，的相長(zhǎng)干涉條件，對(duì)于對(duì)于 則滿則滿足相

14、足相 消條件消條件 2 2若若 滿足滿足此類現(xiàn)象稱為此類現(xiàn)象稱為顯色偏振顯色偏振人為雙折射人為雙折射現(xiàn)象及其應(yīng)用人為雙折射現(xiàn)象及其應(yīng)用 某些各向同性媒質(zhì)本不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，但某些各向同性媒質(zhì)本不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，但受外界作用（如受機(jī)械力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等）時(shí)，受外界作用（如受機(jī)械力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等）時(shí)，變成各向異性媒質(zhì)，并產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。變成各向異性媒質(zhì)，并產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。 還有些各向異性媒質(zhì)，受到外界作用時(shí)，則還有些各向異性媒質(zhì)，受到外界作用時(shí)，則會(huì)改變其雙折射性質(zhì)。會(huì)改變其雙折射性質(zhì)。 這種在人為的條件下，使媒質(zhì)產(chǎn)生或改變其這種在人為的條件下，使媒質(zhì)產(chǎn)生或改變其雙折射的現(xiàn)象，稱為人為雙折射現(xiàn)象。雙

15、折射的現(xiàn)象，稱為人為雙折射現(xiàn)象。光彈性效應(yīng)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應(yīng)力雙折射顯示的偏振光干涉條紋施壓方向形成光軸施壓方向形成光軸雙折射與應(yīng)力成正比雙折射與應(yīng)力成正比用于應(yīng)力分析研究用于應(yīng)力分析研究光光 彈彈 性性 效效 應(yīng)應(yīng)機(jī)械應(yīng)力作用產(chǎn)生的各向異性應(yīng)應(yīng) 力力 雙雙 折折 射射克爾效應(yīng)電電 致致 雙雙 折折 射射1. 克爾效應(yīng)偏振片1偏振片2在裝有平行板電容器的透明盒內(nèi)，在裝有平行板電容器的透明盒內(nèi)，充以某種特定的液體（如硝基苯）充以某種特定的液體（如硝基苯） 接入極間電壓，使兩極板間產(chǎn)生電場(chǎng)，液體變成各向異性媒質(zhì)，并產(chǎn)生雙折射，系統(tǒng)末端有光輸出，其響應(yīng)極

16、快，信號(hào)頻率可高達(dá) 10 Hz ,能用作高速“光閥門”。1010泡克耳斯效應(yīng)偏振片1電電 致致 雙雙 折折 射射2. 泡克耳斯效應(yīng)透透明明電電極極透透明明電電極極壓壓電電晶晶體體KDP偏振片2 KDPKDP（磷酸二氫鉀）是一種無對(duì)稱中心（磷酸二氫鉀）是一種無對(duì)稱中心的晶體，沿某一特定方向施加電場(chǎng)后，在的晶體，沿某一特定方向施加電場(chǎng)后，在晶體內(nèi)能對(duì)某種方向的入射光產(chǎn)生雙折射晶體內(nèi)能對(duì)某種方向的入射光產(chǎn)生雙折射 KDP的雙折射與外加場(chǎng)強(qiáng)成正比。系統(tǒng)的輸出光強(qiáng)，可由加在晶體電極線路上的信號(hào)電壓調(diào)制，其響應(yīng)極為迅速，信號(hào)頻率可高達(dá)3 10 Hz 。 除可作高速光閥門外，還可作高速電光調(diào)制器。1010本章結(jié)束本章結(jié)束本章結(jié)束CC主截面主截面方解石垂直入射O光光e光光不能叫不能叫 O e光光出了晶體出了晶體在主截面內(nèi)入射時(shí)在主截面內(nèi)入射時(shí)e 光振動(dòng)光振動(dòng)在主截面內(nèi)在主截面內(nèi)O 光振動(dòng)光振動(dòng)垂直主截面垂直主截面兩種典型情況兩種典型情況兩種典型情況MMMM相位差相位差M M兩偏