波動光學-精品課程建設工程課件

波動光學光的偏振2005年秋季學期第5章陳信義編

1波動光學光的偏振2005年秋季學期第5章陳信義編1§5.1光的偏振狀態(tài)§5.2線偏振光的獲得與檢驗§5.3反射和折射光的偏振*散射光的偏振§5.4雙折射現(xiàn)象§5.5橢圓偏振光和圓偏振光§5.6偏振光的干涉§5.7人工雙折射§5.8旋光現(xiàn)象目錄2§5.1光的偏振狀態(tài)§5.2線偏振光的獲得與檢驗§5.3§5.1光的偏振狀態(tài)一、完全偏振光E播傳方向振動面線偏振光可沿兩個相互垂直的方向分解：EEyEx

yx1、線偏振光（linearlypolarizedlight）線偏振光表示法：·····光振動垂直板面光振動平行板面·面對光的傳播方向看光矢量E光矢量垂直于傳播方向3§5.1光的偏振狀態(tài)一、完全偏振光E播傳方向振動面線偏振光2、圓偏振光（circularlypolarizedlight）線、圓和橢圓偏振光完全偏振光橢圓偏振光（ellipticallypolarizedlight）右旋橢圓偏振光右旋圓偏振光觀測

0

y

yx

z傳播方向

/2x某時刻右旋圓偏振光E隨z的變化E觀測42、圓偏振光（circularlypolarizedli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或3/2x

y

yx·x，y振幅相同，相位差不等于0，和2/2，，3/25為某個確定值的線偏振光的合成。右旋圓偏振光的合成。圓和橢圓偏二、完全非偏振光自然光（naturallight）垂直的、等幅的、不相干的線偏振光。自然光的表示法：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···不相干6二、完全非偏振光自然光（naturallight）垂直的三、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。分解不相干平行板面的光振動較強········垂直板面的光振動較強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：7三、部分偏振光表示法：自然光和完全偏振光的混合，就構成四、偏振度（degreeofpolarization）

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）

P=0部分偏振光

0<P<1偏振度：8四、偏振度（degreeofpolarization）§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）分子型：線柵起偏器入射電磁波起偏器（polarizer）：起偏的光學器件微晶型：·非偏振光線偏振光光軸電氣石晶片··：從自然光獲得偏振光（常用）9§5.2線偏振光的獲得與檢驗一、起偏起偏的原理：利用某種光非偏振光I0線偏振光IP偏振化方向（通光方向）二、馬呂斯定律（Maluslaw）I0IPPE0E=E0cos線偏振光的起偏馬呂斯定律（1809）—消光···10非偏振光I0線偏振光IP偏振化方向二、馬呂斯定律（M三、線偏振光的檢偏檢偏：用偏振器件檢驗光的偏振態(tài)I?P待檢光

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然光線偏振光或由線偏振光與自或旋轉【演示】線偏振光的起偏和檢偏11三、線偏振光的檢偏檢偏：用偏振器件檢驗光的偏振態(tài)I?P待檢光四、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，§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自然光反射和折射后成為部分偏振光·······n1n2iir··S分量P分量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§5.3反射和折射光的偏振*散射光的偏振一、反射和折射i=i0時，反射光只有S分量：i0

—布儒斯特角（Brewsterangle）或

起偏角i0

+r0=90

由

得布儒斯特（Brewster）定律（1812年）·····n1n2i0i0r0線偏振光··S··14i=i0時，反射光只有S分量：i0—布儒斯特角（B【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：若n1

=1.00（空氣），n2=1.50（玻璃），·i0···········i0i0·激光輸出布儒斯特窗M1M2·i0垂直分量損耗大，不能形成激光，但平行分量能形成激光。15【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1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?！ぁぁぁぁ1n2i0i0r0線偏振光··S··P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光線的方向，因電磁波是橫波，所以反射光只有S分量。17對布儒斯特定律的定性解釋：折射光波在第二種介質中激二、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················i0接近是線偏振光··············玻璃片堆線偏振光18二、玻璃片堆起偏和檢偏1、起偏：當時反射光若反射光光強不變

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：2、檢偏（不包括圓和橢圓偏振光）19若反射光光強不變讓待檢驗的光以布儒斯特角i0入射到界面上，保*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波長的散射－瑞利散射。光波電場－分子范圍內交變的均勻場振蕩電偶極子電磁輻射強度的角分布I()

p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*三、散射光的偏振1、瑞利散射光的散射與介質顆粒的線2、散射光的偏振zxP

y入射自然光B散射光為部分偏振光，隨角而變。散射光為線偏振光散射光為自然光例如：天空大氣散射的日光就是部分偏振光。顏色偏蘭。振蕩電偶極子電磁輻射強度的角分布I()

p212、散射光的偏振zxPy入射自然光B散射光為部分偏振光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i一、雙折射的概念1、雙折射：n1n2rore(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：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。23i一、雙折射的概念1、雙折射：n1n2rore(各向異自然光雙折射會映射出雙像24雙折射會映射出雙像24···方解石oeeo···以入射方向為軸旋轉方解石方解石偏振片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···方解石oeeo···以入射方向為方解石偏振片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，光光雙折射紙面方解石晶體

o光的像e光的像26當方解石晶體旋轉時，e光的像圍繞o光的像旋轉。o光的像光光雙折射紙面方解石晶體繼續(xù)旋轉方解石晶體：27光光雙紙面方解石繼續(xù)旋轉方解石晶體：27光光雙折射紙面方解石晶體繼續(xù)旋轉方解石晶體：28光光雙紙面方解石繼續(xù)旋轉方解石晶體：28光光雙折射紙面方解石晶體繼續(xù)旋轉方解石晶體：29光光雙紙面方解石繼續(xù)旋轉方解石晶體：29光光雙折射紙面方解石晶體繼續(xù)旋轉方解石晶體：30光光雙紙面方解石繼續(xù)旋轉方解石晶體：303、晶體的光軸（opticalaxisofcrystal）當光在晶體內沿某個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313、晶體的光軸（opticalaxisofcrysta方解石的光軸32方解石的光軸324、主平面（principalplane）晶體中光的傳播方向與晶體光軸構成的平面o光光軸o光的主平面····e光光軸e光的主平面叫該束光的主平面。334、主平面（principalplane）晶體中光的傳播方晶體的各向異性：介電常數為x

,yx=y

z,CaCO3CaOCz光軸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、負晶體介電常數為z光矢量平行于光軸時，34晶體的各向異性：介電常數為x,yx=yo光：

no

，ne

稱為晶體的主折射率正晶體：ne>no負晶體：ne<novotvet光軸點波源點波源votve

t光軸e光：(ve<vo)(ve>vo)如：石英、冰如：方解石、紅寶石························vot光軸光軸vetvot35o光：no，ne稱為正晶體：ne>no負晶體：

ee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··光軸晶體··

o、

e方向上雖沒分開，下面以負晶體(ve

>vo)為例，介紹該方法：oo但速度上是分開的，這仍是雙折射?！ぁぁぁひ曰莞乖頌橐罁幕莞棺鲌D法，是研究光在晶體中傳播的重要方法。36ee三、單軸晶體中光傳播的惠更斯作圖法1、光o

e2、光軸平行晶體表面，且垂直入射面，····晶體光軸rei········voΔtveΔto

ecΔt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。r037oe2、光軸平行晶體表面，且垂直入射面，····3、光軸與晶體表面斜交，自然光垂直入射····

e方解石光軸··o此時e光的波面不再與其波射線垂直了。為什么？ooee······晶體光軸····這正是前面演示的情形。383、光軸與晶體表面斜交，自然光垂直入射····e方解石光軸§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，····光軸e光電氣石光軸對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§5.5橢圓偏振光和圓偏振光一、晶體起偏器件1、晶體的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············光軸光軸方解石方解石加拿大樹膠

(n=1.55)oe吸收涂層i格蘭—湯姆孫棱鏡它又可分為偏光棱鏡和偏光分束棱鏡。402、偏振棱鏡偏光棱鏡：光軸的取向使e光對應的恰是n偏光分束棱鏡：可由自然光獲得分開的兩束線偏振光e·····12方解石方解石····oe光軸光軸沃拉斯頓棱鏡o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（no>ne）：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偏光分束棱鏡：可由自然光獲得分開的兩束線偏振光e·····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。ydxAAoAe線偏振光光軸AAoAe光軸P橢圓(圓、線)偏振光d光軸晶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。

ee····oo····42二、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ydxAAoAe線偏振光光軸橢圓（圓、線）偏振光d光軸晶片，出射光仍為線偏振光當43在入射點，o、e光的相位差為零或，在出射點晶片對o

1、四分之一波(晶)片（quarter-waveplate）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ydxAAoAe線偏振光光軸AAoAe光軸P橢圓(圓、線)偏振光d光軸晶片441、四分之一波(晶)片（quarter-waveplat2、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A入A出光軸AoAe452、二分之一波片可使線偏振光振動面轉過2角度3、全波片【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)四分之一波片圓偏振光自然光自然光線偏振光偏振片（轉動）線偏振光

I不變線偏振光I變，有消光以入射光方向為軸四分之一波片橢圓偏振光部分偏振光線偏振光偏振片（轉動）線偏振光I變，有消光部分偏振光光軸平行最大光強或最小光強方向放置線偏振光I變,無消光或光軸平行橢圓偏振光的長軸或短軸放置47四分之一波片圓偏振光自然光自然光線偏振光偏振片（轉動）線如何區(qū)分由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如何區(qū)分由自然光和橢圓偏振光組成的部分偏振光，與由自然§5.6偏振光的干涉一、偏振光干涉裝置偏振化方向偏振片P2單色自然光偏振片P1偏振化方向d晶片C光軸方向二、偏振光干涉的分析1、振幅關系AoA2oP2P1CA1AeA2e在P2

后：相干在P1

后：屏不相干相干不相干49§5.6偏振光的干涉一、偏振光干涉裝置偏振化方向偏振片P偏振化方向偏振片P2單色自然光偏振片P1偏振化方向d晶片C光軸方向相干屏通過晶體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AoA2oP2P1CA1AeA2e成為兩束相干光。50偏振化方向偏振片P2單色自然光偏振片P1偏振化方向d晶片—相長干涉，P2后面的光場最明亮?！嘞缮妫琍2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—相長干涉，P2后面的光場最明亮?！嘞缮妫琍2后面的石英劈尖的偏振光干涉（等厚條紋）52石英劈尖的偏振光干涉（等厚條紋）52于某種顏色干涉相消，而呈現(xiàn)它的互補色，三、色偏振（chromaticpolarization）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（656.2nm）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?！G色（492.1nm）；→黃色（585.3nm）?？梢?3于某種顏色干涉相消，而呈現(xiàn)它的互補色，三、色偏振（chrom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（photoelasticeffect）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F(xiàn)FP1P2··dS干涉有機玻璃C55§5.7人工雙折射人為地造成各向異性，而產生雙折射。一各處不同→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各處不同→各處不同→出現(xiàn)干涉條紋，【演示】二、電光效應（electroopticeffect）電光效應也叫電致雙折射效應。1、克爾效應（kerreffect）

（1875年）45P2盒內充某種液體，如硝基苯（C6H5NO2）l+-克爾盒dP145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、電光效應（electroopticeffect）

—二次電光效應k—克爾常數，U—

電壓克爾效應引起的相位差為：當硝基苯，若l=3cm，d=0.8cm，對=600nm的黃光，時，克爾盒相當半波片，P2透光最強。。時的電壓k=58—二次電光效應k—克爾常數，U—電壓克爾效應引起的可作為光開關（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可作為光開關（響應時間109s），克爾盒的應用：克爾盒2、泡克爾斯效應（pockelseffect）

（1893年）。電光晶體+。-P1P2KK泡克爾斯盒··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。

KH2PO4（KDP）、NH4H2PO4（ADP）等602、泡克爾斯效應（pockelseffect）（1893no—o光在晶體中的折射率；泡克爾斯效應引起的相位差：－

線性電光效應r—電光常數；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），數據處理…顯示技術，應用：單晶都具有線性電光效應。61no—o光在晶體中的折射率；泡克爾斯效應引起的相位差：－子彈射穿蘋果的瞬間（高速攝影）62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?，HC——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。63三、磁致雙折射科頓—穆頓（Cotton-Mouton）效§5.8旋光現(xiàn)象一、物質的旋光性（opticalactivity）除石英外，氯酸鈉、乳酸、松節(jié)油、糖的

旋光物質

a—旋光率

l1811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。光軸水溶液等也都具有旋光性。64§5.8旋光現(xiàn)象一、物質的旋光性（opticala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。65二、菲涅耳對旋光性的解釋線偏振光可看作是同頻率、等光通過旋光物質后，位相EELER·O在出射面上：設入射時L、R位相為0，旋光物質長為l，同一時刻光通過左旋物質此物質為左旋體(vL>vR)位相位相要滯后。ELERE入射面(a)出射面(b)ELERERL66光通過旋光物質后，位相EELER·O在出射面上：設由圖示：令—旋光率則(a)(b)

d出射面(b)ELERERLELERE入射面(a)這既解釋了旋光現(xiàn)象，與物質（由nR和nL反映）和入射波長有關。又說明了旋光率a67由圖示：令—旋光率則(a)(b)d出射面(b)ELRRRLL如圖示，用右旋型（R）和左旋型（L）石英證實了自己的假設。菲涅耳進行了如下實驗，棱鏡交替膠合成多級組合棱鏡。光從R進入

L時，左旋光速度由小變大，RL右旋光速度由大變小，將靠近界面法線折射。光密媒質光疏媒質，光將遠離界面法線折射。各界面繼續(xù)使左右旋圓偏振光分開的角度放大，射出棱鏡時就成了兩束分開的圓偏振光。從68RRRLL如圖示，用右旋型（R）和左旋型（L）石英證三、量糖術對旋光溶液有C—

溶液的濃度，“量糖計”可分析旋光（同分）異構體的成分，例如：氯霉廣泛用在化學和制藥等工業(yè)中。素天然品為左旋體，稱合霉素，其中只左旋有療效。分離出左旋品（左霉素），療效同天然品。用量糖術可a·C=a—

溶液的旋光率，=aCla—溶液的比旋光率。合成品為左、右旋各半，69三、量糖術對旋光溶液有C—溶液的濃度，“量糖計”可分析旋四、磁致旋光（magneticopticity）

l磁致旋光物質B旋轉的角度

V—費德爾常量，水、二硫化碳、食鹽、乙醇等對自然旋光物質，振動面的左旋或右旋是由都是磁致旋光物質。旋光物質本身決定的，與光的傳播方向無關。70四、磁致旋光（magneticopticity）l反射鏡入射光左旋反射鏡反射光左旋自然旋光物質71反射鏡入射光左旋反射鏡反射光左旋自然旋光物質71反射鏡反射光右旋B反射鏡入射光左旋B對磁致旋光物質，光沿與逆方向傳播，磁性旋光物質振動面旋向相反。72反射鏡反射光右旋B反射鏡入射光左旋B對磁致旋光光隔離器：這樣可以消除反射光的干擾。磁致旋光效應的應用：研究物質結構測電流和磁場磁光調制··BPM磁致旋光物質令=45°，··則2=90，反射光通不過P73光隔離器：這樣可以消除反射光的干擾。磁致旋光效應的應用：研究波動光學光的偏振2005年秋季學期第5章陳信義編

74波動光學光的偏振2005年秋季學期第5章陳信義編1§5.1光的偏振狀態(tài)§5.2線偏振光的獲得與檢驗§5.3反射和折射光的偏振*散射光的偏振§5.4雙折射現(xiàn)象§5.5橢圓偏振光和圓偏振光§5.6偏振光的干涉§5.7人工雙折射§5.8旋光現(xiàn)象目錄75§5.1光的偏振狀態(tài)§5.2線偏振光的獲得與檢驗§5.3§5.1光的偏振狀態(tài)一、完全偏振光E播傳方向振動面線偏振光可沿兩個相互垂直的方向分解：EEyEx

yx1、線偏振光（linearlypolarizedlight）線偏振光表示法：·····光振動垂直板面光振動平行板面·面對光的傳播方向看光矢量E光矢量垂直于傳播方向76§5.1光的偏振狀態(tài)一、完全偏振光E播傳方向振動面線偏振光2、圓偏振光（circularlypolarizedlight）線、圓和橢圓偏振光完全偏振光橢圓偏振光（ellipticallypolarizedlight）右旋橢圓偏振光右旋圓偏振光觀測

0

y

yx

z傳播方向

/2x某時刻右旋圓偏振光E隨z的變化E觀測772、圓偏振光（circularlypolarizedli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或3/2x

y

yx·x，y振幅相同，相位差不等于0，和2/2，，3/278為某個確定值的線偏振光的合成。右旋圓偏振光的合成。圓和橢圓偏二、完全非偏振光自然光（naturallight）垂直的、等幅的、不相干的線偏振光。自然光的表示法：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···不相干79二、完全非偏振光自然光（naturallight）垂直的三、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。分解不相干平行板面的光振動較強········垂直板面的光振動較強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：80三、部分偏振光表示法：自然光和完全偏振光的混合，就構成四、偏振度（degreeofpolarization）

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）

P=0部分偏振光

0<P<1偏振度：81四、偏振度（degreeofpolarization）§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）分子型：線柵起偏器入射電磁波起偏器（polarizer）：起偏的光學器件微晶型：·非偏振光線偏振光光軸電氣石晶片··：從自然光獲得偏振光（常用）82§5.2線偏振光的獲得與檢驗一、起偏起偏的原理：利用某種光非偏振光I0線偏振光IP偏振化方向（通光方向）二、馬呂斯定律（Maluslaw）I0IPPE0E=E0cos線偏振光的起偏馬呂斯定律（1809）—消光···83非偏振光I0線偏振光IP偏振化方向二、馬呂斯定律（M三、線偏振光的檢偏檢偏：用偏振器件檢驗光的偏振態(tài)I?P待檢光

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然光線偏振光或由線偏振光與自或旋轉【演示】線偏振光的起偏和檢偏84三、線偏振光的檢偏檢偏：用偏振器件檢驗光的偏振態(tài)I?P待檢光四、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?？梢员苊馄嚂嚂r燈光的晃眼。地面成45角、且向同一方向傾斜的偏振片，85四、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，§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自然光反射和折射后成為部分偏振光·······n1n2iir··S分量P分量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。86§5.3反射和折射光的偏振*散射光的偏振一、反射和折射i=i0時，反射光只有S分量：i0

—布儒斯特角（Brewsterangle）或

起偏角i0

+r0=90

由

得布儒斯特（Brewster）定律（1812年）·····n1n2i0i0r0線偏振光··S··87i=i0時，反射光只有S分量：i0—布儒斯特角（B【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：若n1

=1.00（空氣），n2=1.50（玻璃），·i0···········i0i0·激光輸出布儒斯特窗M1M2·i0垂直分量損耗大，不能形成激光，但平行分量能形成激光。88【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89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1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?！ぁぁぁぁ1n2i0i0r0線偏振光··S··P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光線的方向，因電磁波是橫波，所以反射光只有S分量。90對布儒斯特定律的定性解釋：折射光波在第二種介質中激二、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?！狙菔尽坎Ａ哑鹌ぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁ0接近是線偏振光··············玻璃片堆線偏振光91二、玻璃片堆起偏和檢偏1、起偏：當時反射光若反射光光強不變

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：2、檢偏（不包括圓和橢圓偏振光）92若反射光光強不變讓待檢驗的光以布儒斯特角i0入射到界面上，保*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波長的散射－瑞利散射。光波電場－分子范圍內交變的均勻場振蕩電偶極子電磁輻射強度的角分布I()

p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?！狙菔尽堪坠獾纳⑸?3*三、散射光的偏振1、瑞利散射光的散射與介質顆粒的線2、散射光的偏振zxP

y入射自然光B散射光為部分偏振光，隨角而變。散射光為線偏振光散射光為自然光例如：天空大氣散射的日光就是部分偏振光。顏色偏蘭。振蕩電偶極子電磁輻射強度的角分布I()

p942、散射光的偏振zxPy入射自然光B散射光為部分偏振光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?！狙菔尽抗獠荒芡高^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。95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i一、雙折射的概念1、雙折射：n1n2rore(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：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。96i一、雙折射的概念1、雙折射：n1n2rore(各向異自然光雙折射會映射出雙像97雙折射會映射出雙像24···方解石oeeo···以入射方向為軸旋轉方解石方解石偏振片雙折射的兩束光振動方向相互垂直【演示】方解石的雙折射98···方解石oeeo···以入射方向為方解石偏振片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，光光雙折射紙面方解石晶體

o光的像e光的像99當方解石晶體旋轉時，e光的像圍繞o光的像旋轉。o光的像光光雙折射紙面方解石晶體繼續(xù)旋轉方解石晶體：100光光雙紙面方解石繼續(xù)旋轉方解石晶體：27光光雙折射紙面方解石晶體繼續(xù)旋轉方解石晶體：101光光雙紙面方解石繼續(xù)旋轉方解石晶體：28光光雙折射紙面方解石晶體繼續(xù)旋轉方解石晶體：102光光雙紙面方解石繼續(xù)旋轉方解石晶體：29光光雙折射紙面方解石晶體繼續(xù)旋轉方解石晶體：103光光雙紙面方解石繼續(xù)旋轉方解石晶體：303、晶體的光軸（opticalaxisofcrystal）當光在晶體內沿某個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1043、晶體的光軸（opticalaxisofcrysta方解石的光軸105方解石的光軸324、主平面（principalplane）晶體中光的傳播方向與晶體光軸構成的平面o光光軸o光的主平面····e光光軸e光的主平面叫該束光的主平面。1064、主平面（principalplane）晶體中光的傳播方晶體的各向異性：介電常數為x

,yx=y

z,CaCO3CaOCz光軸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、負晶體介電常數為z光矢量平行于光軸時，107晶體的各向異性：介電常數為x,yx=yo光：

no

，ne

稱為晶體的主折射率正晶體：ne>no負晶體：ne<novotvet光軸點波源點波源votve

t光軸e光：(ve<vo)(ve>vo)如：石英、冰如：方解石、紅寶石························vot光軸光軸vetvot108o光：no，ne稱為正晶體：ne>no負晶體：

ee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··光軸晶體··

o、

e方向上雖沒分開，下面以負晶體(ve

>vo)為例，介紹該方法：oo但速度上是分開的，這仍是雙折射。····以惠更斯原理為依據的惠更斯作圖法，是研究光在晶體中傳播的重要方法。109ee三、單軸晶體中光傳播的惠更斯作圖法1、光o

e2、光軸平行晶體表面，且垂直入射面，····晶體光軸rei········voΔtveΔto

ecΔt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。r0110oe2、光軸平行晶體表面，且垂直入射面，····3、光軸與晶體表面斜交，自然光垂直入射····

e方解石光軸··o此時e光的波面不再與其波射線垂直了。為什么？ooee······晶體光軸····這正是前面演示的情形。1113、光軸與晶體表面斜交，自然光垂直入射····e方解石光軸§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，····光軸e光電氣石光軸對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）。112§5.5橢圓偏振光和圓偏振光一、晶體起偏器件1、晶體的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············光軸光軸方解石方解石加拿大樹膠

(n=1.55)oe吸收涂層i格蘭—湯姆孫棱鏡它又可分為偏光棱鏡和偏光分束棱鏡。1132、偏振棱鏡偏光棱鏡：光軸的取向使e光對應的恰是n偏光分束棱鏡：可由自然光獲得分開的兩束線偏振光e·····12方解石方解石····oe光軸光軸沃拉斯頓棱鏡o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（no>ne）：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。114偏光分束棱鏡：可由自然光獲得分開的兩束線偏振光e·····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。ydxAAoAe線偏振光光軸AAoAe光軸P橢圓(圓、線)偏振光d光軸晶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。

ee····oo····115二、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ydxAAoAe線偏振光光軸橢圓（圓、線）偏振光d光軸晶片，出射光仍為線偏振光當116在入射點，o、e光的相位差為零或，在出射點晶片對o

1、四分之一波(晶)片（quarter-waveplate）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ydxAAoAe線偏振光光軸AAoAe光軸P橢圓(圓、線)偏振光d光軸晶片1171、四分之一波(晶)片（quarter-waveplat2、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A入A出光軸AoAe1182、二分之一波片可使線偏振光振動面轉過2角度3、全波片【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119三、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)四分之一波片圓偏振光自然光自然光線偏振光偏振片（轉動）線偏振光

I不變線偏振光I變，有消光以入射光方向為軸四分之一波片橢圓偏振光部分偏振光線偏振光偏振片（轉動）線偏振光I變，有消光部分偏振光光軸平行最大光強或最小光強方向放置線偏振光I變,無消光或光軸平行橢圓偏振光的長軸或短軸放置120四分之一波片圓偏振光自然光自然光線偏振光偏振片（轉動）線如何區(qū)分由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？121如何區(qū)分由自然光和橢圓偏振光組成的部分偏振光，與由自然§5.6偏振光的干涉一、偏振光干涉裝置偏振化方向偏振片P2單色自然光偏振片P1偏振化方向d晶片C光軸方向二、偏振光干涉的分析1、振幅關系AoA2oP2P1CA1AeA2e在P2

后：相干在P1

后：屏不相干相干不相干122§5.6偏振光的干涉一、偏振光干涉裝置偏振化方向偏振片P偏振化方向偏振片P2單色自然光偏振片P1偏振化方向d晶片C光軸方向相干屏通過晶體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AoA2oP2P1CA1AeA2e成為兩束相干光。123偏振化方向偏振片P2單色自然光偏振片P1偏振化方向d晶片—相長干涉，P2后面的光場最明亮?！嘞缮妫琍2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124—相長干涉，P2后面的光場最明亮?！嘞缮?，P2后面的石英劈尖的偏振光干涉（等厚條紋）125石英劈尖的偏振光干涉（等厚條紋）52于某種顏色干涉相消，而呈現(xiàn)它的互補色，三、色偏振（chromaticpolarization）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（656.2nm）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（585.3nm）?？梢?26于某種顏色干涉相消，而呈現(xiàn)它的互補色，三、色偏振（chrom硫代硫酸鈉晶片的色偏振圖片結冰過程色偏振顯微攝影127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（photoelasticeffect）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?！鷑各向不同F(xiàn)FP1P2··dS干涉有機玻璃C128§5.7人工雙折射人為地造成各向異性，而產生雙折射。一各處不同→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129各處不同→各處不同→出現(xiàn)干涉條紋，【演示】二、電光效應（electroopticeffect）電光效應也叫電致雙折射效應。1、克爾效應（kerreffect）

（1875年）45P2盒內充某種液體，如硝基苯（C6H5NO2）l+-克爾盒dP145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。130二、電光效應（electroopticeffect）

—二次電光效應k—克爾常數，U—

電壓克爾效應引起的相位差為：當硝基苯，若l=3cm，d=0.8cm，對=600nm的黃光，時，克爾盒相當半波片，P2透光最強。。時的電壓k=131—二次電光效應k—克爾常數，U—電壓克爾效應引起的可作為光開關（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，132可作為光開關（響應時間109s），克爾盒的應用：克爾盒2、泡克爾斯效應（pockelseffect）

（1893年）。電光晶體+。-P1P2KK泡克爾斯盒··光傳播方向與電