偏振光與雙折射相關(guān)概念詳解

1、第五章光的偏振1、闡明自然光、平面偏振光、部份偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光的概念及其檢驗方法C2、了解由反射、折射和二向色性晶體所產(chǎn)生的偏振；掌握布儒斯特定律的馬呂斯定律。3、敘述單晶體雙折射的特點，說明惠更斯作圖法，闡明幾種偏振儀器的作用。4、敘述1/4波晶片的作用，分析平行平面偏振光干涉的條件及其實現(xiàn)的方法。闡明偏振光的干涉及應用。5/光的偏振性馬呂斯定律一.光的偏振狀態(tài)1.線偏振光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Ex=Ecosa,px鳥nAEy=EsnaEx線偏振光的表示法：光振動垂直板面IIIII,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

2、相等.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。Ex=EyI=Ix+Iy自然光的表示法：1*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.部分偏振光部分偏振光的分解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：-H-H-I-平行板面的光振動較強垂直板面的光振動較強4.偏振光和橢圓偏振光偏振面隨時間旋轉(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.二.偏振片的起偏和檢偏1 .起偏和檢偏 起偏:從自然光獲得偏振光. 起偏原理:利用某種光學的不對稱性. 起偏器：起偏的

3、光學器件. 檢偏:檢驗偏振光，起偏器也就是檢偏器.2 .偏振片如利用某些物質(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.這種起偏器叫偏振片.振光3起偏示意圖線偏振光/JII_.自然光/偏振化方向 （透光方向）非偏振光4,甘用偏振器件分析、檢驗光的偏振態(tài).偏振化方向（透光方向）思考:當偏振片旋轉(zhuǎn)時./不變f?是什么光/變，有消光f?是什么光/變，無消光f?是什么光三.馬呂斯定律/0ocf02,IccE2=E02cos2a/=/0cos2a一馬呂斯定律(1809)V，3一消光例題有兩個偏振片,一個用作起偏器,一個用作檢偏器.當它們的偏振化方向之間的夾角為30

4、。時,一束單色自然光穿過它們，出射光強為當它們的偏振化方向之間的夾角為60。時，另一束單色自然光穿過它們,出射強度為右,且/產(chǎn)右-求兩束單色自然光的強度之比.解:由馬呂斯定律3cos230。同理:21cos602cos230=cos26022兩束單色自然光的強度比為:cos26001cos230=3起偏振角5-2反射和折射光的偏振一.反射時光的偏振自然光反射和折射后產(chǎn)生部分偏振光i=片時，反射光只有垂直于入射面的光振動.且=;=布儒斯特定律（1812年），0布儒斯特角或起偏角.sini0n2.sin o = cos i0由-A=tgno(vev()負晶體：nev)正晶體(% %)負晶體(%v

5、%)54光在晶體中的波面及傳播正晶體光軸光軸O波面負晶體口?？?,幾。幾e正晶體v069,全反射.例題.兩尼科耳棱鏡的主截面間的夾角由30。轉(zhuǎn)到45。.(1)當入射光是自然光時，求轉(zhuǎn)動前后透射光的強度之比;(2)當入射光是線偏振光時，求轉(zhuǎn)動前后透射光的強度之比.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.入射光為自然光夾角為30。時Z=-cos230o=-Z028J2夾角為45。時/=fcos245。=-I.2o3 一 2(2)入射光為線偏振光夾角為30時37=Z0cos230=-Z004夾角為45。時If=Incos245=-Z0所以二、渥拉斯頓棱鏡：將兩個直角的方解

6、石棱鏡沿斜邊膠合起來。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none,相當于光由光疏介質(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，相當于光由光密介質(zhì)入射光疏介質(zhì)，折射線遠離法線如圖所示。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。光和e光沿同一方面?zhèn)鞑ィ覀儼堰@樣的晶體叫波晶片oEc=Ac8s24（二1）初HI取。=。TAeEb=A08s2萬（1二）T0=0.=2乃（亍2（-）=2（-）2ne=4-2/、光在真空中波長二。=?。ǚ?一心）尸A,當兩

7、束光射出晶體面，。=爭%-Qd1、四分之一波片,(1)定義：能使。光和e光的光程差等于3的晶片稱四分之一波片(2)四分之一波片的厚度6=no-ne)I=%=do44(%)正晶體/=4（%一%）TT作用：產(chǎn)生附加位相差，0=5,平面偏振光經(jīng)1/4波片后，出射光是正橢圓偏振光討論：(1)四分之一波片的厚度是波長的函數(shù)%=片(2)方解面，對于黃光，2=5.9x10-5cmn-n,=0.172I=8.6x10-5cm對于藍光2=4.1x10scmnone=0.184/=6.3x1()5cm(2)四分之一季片很薄，制造困生若6=(22+1),即*=(2A+14,橢圓形狀不變，因此通常使o先和e光的光程差

8、等于的奇數(shù)倍的晶片稱四分之一波片，厚度：IQk+1)-4(%-%,)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，其厚度二:（%_4）/=（24+1）：/=（2左+1）2_/）卜（P=-6=（2k+1）乃4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e,則透射光仍為平面偏振光，振動面從原來的方位轉(zhuǎn)動26角。5.7桶園偏振光和園偏振光一、定義由此類推，當晶體中產(chǎn)生雙折射時，若。、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

9、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。、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。在此情況下，光振動對傳播方向沒有對稱性，故屬于偏振光。定義：振動矢量端點描出橢圓的光稱為橢圓偏振光，描出的光稱為圓偏振光;面對傳播方向:合光矢量端點沿順時針播出橢網(wǎng)（園），稱為右旋橢網(wǎng)（園）偏振光;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;以上所說“合光矢量”是指在某一確定時刻，0、e光具有確定相差時的合光矢。園偏振光是橢圓偏振

10、光在兩振幅相等且相差為兀/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。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C的光軸與入射的平面偏振光的振動方向成0角，在晶片C內(nèi)產(chǎn)生雙折射，且。、e光沿同一方向傳播，振動矢量相互垂直.振幅分別為：4=Asin8,Ae=A-cos在晶片內(nèi)兩個 振動分別為：與=4 cos( 一 %)= & coEe=Aecos(-/)=Ae晶體內(nèi)距表面r處。、e=2J_L_L光的位相差為：IA,Aj2Z72.戶。、e光樣加后合?2-cosA=sin2A振動滿足：A；A；A*4

11、這是合光矢端點描出的橢圓方程，橢圓的形狀取決于A。、A。、若：A”=A，,Z0=JPJlJ:E1-+-）一圓方程設晶片厚度為，則從晶片后表面出射后o、e光有恒定的位相差：.，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0=45。（Ao=Ae）且波晶片為1/4波片（A（p=TT/2）時，出射光是圓偏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。檢

12、偏器原理：馬呂斯定律：/=/0COs2e二、圓偏振光與自然光的檢定: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，仍以入射光為軸宕轉(zhuǎn)偏振片。0檢偏器判斷：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。原理：已知圓偏振光中o、e光的位相差為A(p=k/2,通過四分之一波片后，又產(chǎn)生了k/2的相差，則0、e光的總相差為0或兀,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?，故沒有消光現(xiàn)象出現(xiàn)。力

13、&片H0=45即：平面偏振光一園偏振光三、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I/Z/1/4(,檢偏器判斷：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。原理：當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光相差為兀/2或3兀/2;經(jīng)四分之一波片后又產(chǎn)生了兀/2相差，則最后的總相差為0或7C,成為一束平面偏振光，因而會有消光現(xiàn)象

14、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窆猓薀o消光現(xiàn)象。即：平面偏振光二波片橢圓偏振光三、#4嘗器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，必須使的光箝霜確地平行于橢圓的主軸(A%=g),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。因為任何位意的橢圓可認為是由兩個互相垂直的振動在位相差0工7的情況下合成的。要使這種橢圓偏振光變成平面偏振光，則應另行設法引進可以任意變更的位相差5作為補償，目的是使。與9“的總和等于o或兀。A(p.+Aq+A(p補=0或7：2、巴俾涅補償器由兩塊光軸互相垂直的楔形石英

15、組成，上楔中o光進入下楔，變?yōu)閑光;（-q）4+（q一）2=丁（%一nc）（4-d?）/t/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?nèi)A厚度，可以用寬光束。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，物可核光強發(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

16、用光劈狀晶片，則出現(xiàn)彩色條紋。二、平面偏振光干涉的強度分布從P2出射的兩束光A?e、A2oA,=A.sin0sina2oIA”=A.cosGcosa位相聯(lián)系則進入波晶片時，e光對o光位相的超前量為外=0,(若所在二、四象限，)2五o光和e光穿過波晶片產(chǎn)生附加位相差%=仄-L)gAc，A。在P?上投贅時旬目差，&P投，若區(qū)c與區(qū)。同方向ap投=0；若E2c與E20方向相反，甘2=兀Acp=ZVp入+A(p附+投投影到P?上的兩個光振動在一條直線上，滿足相干條件:12=A；=A；。+A；c+2A2oA2cCOSAcp=A：(sirfGsin2a+cos20cos2a+2sinacos0cosacosA()=A?sin22esin2-12A 27t偉| = ?。?，川二彳2k?t極小（3）（2k+1）兀極大2、Pi和P2平行0=a(p入=0,&p投=0,.Acp=&P閉力弋入(1)/.in=Af(sin4e+cos1o+2sin2ecos2ecosAq)=A；(sin10+cos20)22sin2Ocos20+2sin2Ocos2OcosAcpt)=A(l-sin220sin2.)a2k.,2kn極大產(chǎn)小小13+1)冗極小對于給定