第3章波的疊加原理光的干涉4(偏振光的干涉人工雙折射)

1、13.9 偏振光的干涉偏振光的干涉 一一. .典型裝置典型裝置 二二. .線偏振光通過波晶片后的偏振狀態(tài)線偏振光通過波晶片后的偏振狀態(tài) 三三. 相干區(qū)相干區(qū) 干涉強度干涉強度 四四. 偏振狀態(tài)的全面檢驗偏振狀態(tài)的全面檢驗2一一. .典型裝置典型裝置PACAP 波晶片波晶片: :光軸平行于入射表面的晶體薄片光軸平行于入射表面的晶體薄片兩個正交的偏振片兩個正交的偏振片 記做記做三個元件表面平行三個元件表面平行 自然光正入射自然光正入射演示：演示：波晶片波晶片3在上述裝置下在上述裝置下 令單色自然光正入射令單色自然光正入射 分析各區(qū)光的偏振狀態(tài)分析各區(qū)光的偏振狀態(tài)起偏器起偏器P后是線偏振光后是線偏振

2、光線偏振光經(jīng)波晶片線偏振光經(jīng)波晶片C后偏振態(tài)后偏振態(tài)?強度強度?檢偏器檢偏器A后的偏振態(tài)后的偏振態(tài)?強度強度? PAC4二二. .線偏振光通過波晶片后的偏振狀態(tài)線偏振光通過波晶片后的偏振狀態(tài)d3) ) o 光光 e 光的光程差光的光程差dnn)(eo結(jié)論結(jié)論:1) )o 光光 e 光傳播方向相同光傳播方向相同 同一點源發(fā)出的同一點源發(fā)出的o 光光 e 光不分開光不分開2) ) o 光光 e 光振動方向垂直光振動方向垂直 o 光軸，光軸， e 光軸光軸可以用光軸來說明可以用光軸來說明o e光光 振動方向振動方向線偏振光線偏振光與入射面與入射面有一夾角有一夾角o.A.oe54) ) 線偏振光通過波

3、晶片后的偏振狀態(tài)線偏振光通過波晶片后的偏振狀態(tài) 兩個同頻率的兩個同頻率的 振動方向垂直的振動方向垂直的 有確定相位差的有確定相位差的 S. H. V. 的合成的合成一般一般合成光矢量端點的軌跡是橢圓合成光矢量端點的軌跡是橢圓oA但但 每時刻每時刻都是都是線偏振光線偏振光所以所以 稱為稱為橢圓偏振光橢圓偏振光eA光軸光軸64)(eodnn 特殊特殊1若晶片厚度合適若晶片厚度合適 使使 o 光光 e 光的光程差為光的光程差為 /4波長波長22eodnn相位差是相位差是正橢圓偏振光正橢圓偏振光O.A.eAoAoeAA 圓偏振光圓偏振光如果再讓如果再讓該波晶片叫四分之一波片該波晶片叫四分之一波片7特殊

4、特殊2若晶片厚度合適若晶片厚度合適 使使 o 光光e 光的光程差為光的光程差為 /2波長波長稱該波晶片為二分之一波片稱該波晶片為二分之一波片( (或稱半波片或稱半波片) )經(jīng)二分之一波片后經(jīng)二分之一波片后 o光光e 光相位差為光相位差為 合成為合成為線偏振光線偏振光相位差是相位差是)(2eodnn2)(eodnn8C線線偏偏振振O.A.1Ae1Ao1A0在在 /2片前片前過過 /2片后片后仍是線偏振仍是線偏振旋轉(zhuǎn)了旋轉(zhuǎn)了 2 角角 /2片片o.A.注意注意: /2波片波片 /4 波片波片 必須指明波長必須指明波長211AI 1 3象限的振動象限的振動2 4象限的振動象限的振動演示：演示：圓圓.

5、 .橢模型橢模型9 5 ) ) 推論推論 由上述分析知由上述分析知 圓圓和和橢圓偏振光橢圓偏振光可看成是兩束可看成是兩束 頻率相同頻率相同傳播方向一致傳播方向一致 振動方向相互垂直振動方向相互垂直相位差為某個確定值的相位差為某個確定值的線偏振光線偏振光的合成的合成 同樣同樣 線偏振光線偏振光可看成是兩束可看成是兩束 頻率相同頻率相同 相位相同相位相同 振幅相同振幅相同 傳播方向亦相同的傳播方向亦相同的左左 右旋右旋 圓偏振光圓偏振光的合成的合成10三三. 相干區(qū)干涉強度相干區(qū)干涉強度)A( x)P(yO.A.1Ae1Ao1Ae2Ao2A相干區(qū)相干區(qū)相干光的振幅相干光的振幅sine1e2AAsi

6、ncos1Ao2A211AI PAC1I11相干光光程差相干光光程差 由波片厚度引進的是由波片厚度引進的是dnn)(eo22)(eodnn)A( x)P(yO.A.1Ae1Ao1Ae2Ao2A在該裝置中在該裝置中 兩光經(jīng)兩光經(jīng)檢偏器檢偏器A后振動步調(diào)相反后振動步調(diào)相反所以裝置帶來的所以裝置帶來的附加光程差是附加光程差是總光程差總光程差12 合成結(jié)果合成結(jié)果cos2o2e22o22e2AAAAA)A( x)P(yO.A.1Ae1Ao1Ae2Ao2A2eodnn相位差相位差sincos1o2e2AAA13討論討論1) ) 典型裝置典型裝置相干條件的實現(xiàn)相干條件的實現(xiàn):波晶片波晶片 保證從一次發(fā)光中

7、分出兩支保證從一次發(fā)光中分出兩支 給出光程差給出光程差 (no-ne)d檢偏器檢偏器 保證兩光振動方向相同保證兩光振動方向相同起偏器起偏器 保證兩光有確定相差保證兩光有確定相差)A( x)P(yO.A.1Ae1Ao1Ae2Ao2A振幅投影圖振幅投影圖PAC相干區(qū)相干區(qū)142eodnn2) )相位差與裝置的關(guān)系相位差與裝置的關(guān)系A(chǔ)P APdnneo2思考思考1 畫出畫出P A時振幅投影圖時振幅投影圖 思考思考2 比較比較P A與與P A情況情況 說明為什么說明為什么 多采用多采用P A情形觀察偏振光干涉情形觀察偏振光干涉思考思考3 自然光入射波片后的偏振狀態(tài)是什么自然光入射波片后的偏振狀態(tài)是什么

8、?153) ) 干涉現(xiàn)象干涉現(xiàn)象2eodnn在裝置確定后在裝置確定后相位差與相位差與晶體晶體 與與波長波長 與與波片厚度波片厚度有關(guān)有關(guān)波長確定波長確定 石英劈尖等厚條紋石英劈尖等厚條紋 PA 石英石英等厚等厚條紋條紋思考思考: :已知已知no o ne e 推導(dǎo)條紋間推導(dǎo)條紋間距距16石英劈尖的偏振光干涉（等厚條紋）石英劈尖的偏振光干涉（等厚條紋）演示：演示：石英尖劈石英尖劈17 晶片確定晶片確定 厚度確定厚度確定 白光入射白光入射若厚度若厚度不不均勻均勻 會出現(xiàn)會出現(xiàn)彩色彩色條紋條紋 由于某種由于某種波長干涉相消波長干涉相消而呈現(xiàn)它的而呈現(xiàn)它的互補色互補色 這種現(xiàn)象叫這種現(xiàn)象叫（顯）色偏振

9、（顯）色偏振如如 紅色紅色（656.2 nm） 相消相消 出現(xiàn)出現(xiàn)綠色綠色（492.1nm） 藍色藍色（485.4nm） 相消相消 出現(xiàn)出現(xiàn)黃色黃色（585. 3nm）18硫代硫酸鈉晶片的色偏振圖片硫代硫酸鈉晶片的色偏振圖片19色偏振是檢驗材料有無雙折射效應(yīng)的靈敏方法色偏振是檢驗材料有無雙折射效應(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)可以分析物質(zhì)內(nèi)部的某些結(jié)構(gòu)偏光顯微術(shù)偏光顯微術(shù)演示：演示：玻璃紙厚度不玻璃紙厚度不同的色偏振同的色偏振視頻：視頻：結(jié)冰過程結(jié)冰過程20利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程2

10、1利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程22利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程23利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程24利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程25利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程26利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程27利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程28利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程29利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程30利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程3

11、1利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程32利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程33利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程34利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程35利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程36利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程演示演示完完37四四.偏振狀態(tài)的全面檢驗偏振狀態(tài)的全面檢驗第一步：用偏振片旋第一步：用偏振片旋 觀察出射光強變化觀察出射光強變化 將將5種偏振態(tài)分成種偏振態(tài)分成3組組A 線偏振光線偏振光自然光自然光 圓偏振光圓偏振光部分偏振光部分偏振光 橢圓

12、偏振光橢圓偏振光38第二步：第二步： 用四分之一波片區(qū)分圓偏振光和自然光用四分之一波片區(qū)分圓偏振光和自然光 用四分之一波片區(qū)分橢圓偏振光和部分偏振光用四分之一波片區(qū)分橢圓偏振光和部分偏振光4A4橢圓偏振光橢圓偏振光2思考：思考：如何保證四分如何保證四分之一波片的光之一波片的光軸與產(chǎn)生橢圓軸與產(chǎn)生橢圓偏振光的波片偏振光的波片光軸平行或垂光軸平行或垂直？直？會出現(xiàn)消會出現(xiàn)消光現(xiàn)象光現(xiàn)象演示演示393.10人工雙折射人工雙折射一一. .應(yīng)力雙折射應(yīng)力雙折射二二. .電致雙折射電致雙折射三三. .磁致雙折射磁致雙折射40人為地造成各向異性人為地造成各向異性 而產(chǎn)生雙折射而產(chǎn)生雙折射一一. .應(yīng)力雙折射

13、應(yīng)力雙折射( (光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)) )應(yīng)力應(yīng)力各向異性各向異性SFknnoe在一定應(yīng)力范圍內(nèi)：在一定應(yīng)力范圍內(nèi)：P1P2 dFSF干涉干涉有機玻璃有機玻璃C v 各向不同各向不同 n各向不同各向不同4122oeSFdknnd各處各處 不同不同各處各處 不同不同出現(xiàn)干涉條紋出現(xiàn)干涉條紋SF 變變 變變干涉情況干涉情況變變SF 模模型型的的光光彈彈圖圖像像釣釣鉤鉤的的光光彈彈圖圖像像演示演示42會聚光的電光效應(yīng)會聚光的電光效應(yīng)應(yīng)力雙折射應(yīng)力雙折射43二二. .電致雙折射電致雙折射( (電光效應(yīng)電光效應(yīng)) )1.克爾效應(yīng)克爾效應(yīng)( (二次電光效應(yīng)二次電光效應(yīng)) ) 45 P2盒內(nèi)充某種液體盒內(nèi)充某種

14、液體 如硝基苯（如硝基苯（C6H5NO2）l+-克爾盒克爾盒dP145 不加電場不加電場液體各向同性液體各向同性P2不透光不透光 加電場加電場液體呈單軸晶體性質(zhì)液體呈單軸晶體性質(zhì)光軸平行電場強度方向光軸平行電場強度方向 P2透光透光44222oedUkkEnn由于折射率改變與電場強度是平方關(guān)系由于折射率改變與電場強度是平方關(guān)系故克爾效應(yīng)也叫故克爾效應(yīng)也叫二次電光效應(yīng)二次電光效應(yīng)k 克爾常數(shù)克爾常數(shù) U U 電壓電壓相位差為相位差為：此時對應(yīng)的電壓此時對應(yīng)的電壓U U 叫半波電壓叫半波電壓 P P2 2透光最強透光最強k 2 22dkUllnnoek克爾盒相當(dāng)于半波片克爾盒相當(dāng)于半波片主折射率改

15、變與電場強度的關(guān)系是主折射率改變與電場強度的關(guān)系是: :當(dāng)當(dāng)452. .泡克爾斯效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)( (一次電光效應(yīng)一次電光效應(yīng)) )。電光晶體電光晶體+。-P1P2KK 泡克爾斯盒泡克爾斯盒 不加電場不加電場 P2 不透光不透光 加電場加電場晶體變雙軸晶體晶體變雙軸晶體原光軸方向附加了雙折射效應(yīng)原光軸方向附加了雙折射效應(yīng)P2 透光透光電場與光傳播方向平行電場與光傳播方向平行 21PP 透明電極透明電極K和和K光沿光軸方向傳播光沿光軸方向傳播單軸晶體單軸晶體46no o光在晶體中的折射率光在晶體中的折射率相位差：相位差：rUnp3o2r 電光常數(shù)電光常數(shù) 時時 P2 透光最強透光最強p 常用的電光晶體是常用的電光晶體是