第五章 光的偏振

第五章光的偏振第1頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1

自然光與偏振光5.2

線偏振光與部分偏振光5.3

光通過單軸晶體時(shí)的雙折射現(xiàn)象5.4

光在晶體中的波面5.5光在晶體中的傳播方向5.6

偏振器件5.7

橢圓偏振光與圓偏振光第2頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月5.8

偏振態(tài)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)5.9

偏振光的干涉5.10光彈性效應(yīng)和電光效應(yīng)5.11

線偏振光沿晶體光軸傳播時(shí)振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)5.12

偏振態(tài)的矩陣表述瓊斯矢量和瓊斯矩陣第3頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1自然光與偏振光前言橫波—波的振動(dòng)方向與傳播方向相互垂直?？v波—波的振動(dòng)方向與傳播方向相同。波的振動(dòng)方向?qū)鞑シ较蚓哂袑ΨQ性。波的振動(dòng)方向?qū)鞑シ较驔]有對稱性偏振{一、光的偏振性光單色光復(fù)色光{（頻率）光波是電磁波，光與物質(zhì)相互作用是，起主要作用的是電矢量所以電矢量稱為光矢量。偏振態(tài)——在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)光矢量的振動(dòng)狀態(tài)。~~~~~~~第4頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月自然光（非偏振光）一般光源發(fā)出的光圓偏振光橢圓偏振光左旋右旋偏振態(tài)的分類部分偏振光完全偏振光左旋右旋平面偏振光（線偏振光）一般，用單色光討論偏振態(tài)。第5頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月二、自然光與偏振光E播傳方向振動(dòng)面·面對光的傳播方向看線偏振光可沿兩個(gè)相互垂直的方向分解EEyExyx

1.平面偏振光（線偏振光）表示法：·····光振動(dòng)垂直板面光振動(dòng)平行板面第6頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.自然光等幅的、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(dòng)方向相互垂直的、···非相干第7頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2線偏振光與部分偏振光利用{物質(zhì)的二向色性分界面的反射和折射晶體的雙折射可得到線偏振光}一、由二向色性產(chǎn)生平面偏振光1.二向色性對相互垂直的振動(dòng)的具有不同吸收本領(lǐng)的特性。偏振片起偏器——用來產(chǎn)生線偏振光檢偏器——用來檢驗(yàn)偏振光{檢偏第8頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.馬呂斯定理

P2A1P2

A2=A1cos

馬呂斯定律（1809）——消光線偏振光IP1透振方向非偏振光I0···馬呂斯定律第9頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月二、反射光的偏振態(tài)1.布儒斯特角當(dāng)rp=0即反射光中無平行分量，成為平面偏振光。用i10表示i10——布儒斯特角p分量——振動(dòng)方向平行于入射面s分量——振動(dòng)方向垂直于入射面自然光反射和折射后成為部分偏振光n1n2i10i1'i2S分量P分量第10頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月∴

2.部分偏振光平面偏振光+自然光表示法：最常討論的部分偏振光可看成是自然光和線偏振光的混合，分解非相干平行板面的光振動(dòng)較強(qiáng)········垂直板面的光振動(dòng)較強(qiáng)天空的散射光和水面的反射光就是這種部分偏振光，它可以分解如下：第11頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月自然光不以布儒斯特角入射：自然光反射和折射后成為部分偏振光·······n1n2i1i1'i2··S分量P分量第12頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3.偏振度偏振度自然光P=0線偏振光P=1部分偏振光0<P<1{書P52頁，例5.2實(shí)驗(yàn)上很難以準(zhǔn)確的布儒斯特角入射，使反射光成平面偏振光。一般用玻璃堆，

透射光成平面偏振光。激光器諧振腔——輸出線偏振光布儒斯特窗第13頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月書P309頁，例5.1將兩塊理想的偏振片P1和P2共軸放置如圖所示，然后將強(qiáng)度為I1的自然光和強(qiáng)度為I2的線偏振光同時(shí)垂直入射到P1上，從P1透射后又入射到偏振片P2上，試問：（1）P1不動(dòng)，將P2以光線為軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，從系統(tǒng)透射出來的光強(qiáng)將如何變化？（2）欲使從系統(tǒng)透射出來的光強(qiáng)最大，應(yīng)如何放置P1和P2？P2自然光I1線偏振光I2P1···

透振方向第14頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月解：已知自然光強(qiáng)I1，線偏振光光強(qiáng)I2，設(shè)線偏振光振動(dòng)方向與P1透振方向夾角為

則，經(jīng)P1后透射光強(qiáng)為經(jīng)P2后透射光強(qiáng)為（1）將P2轉(zhuǎn)動(dòng)一周，可得時(shí)，光強(qiáng)最大時(shí)，光強(qiáng)最小（2）由（1）中討論可知，當(dāng)=0o，180o且=0o時(shí)，系統(tǒng)光強(qiáng)最大。先固定P1，轉(zhuǎn)動(dòng)P2使透射光強(qiáng)達(dá)到最大；然后同步轉(zhuǎn)動(dòng)P1和P2，使透射光強(qiáng)達(dá)到最大即可。第15頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月書P.312例5.2通過偏振片觀察一束部分偏振光。當(dāng)偏振片由對應(yīng)透射光強(qiáng)最大位置轉(zhuǎn)過60o時(shí)，其光強(qiáng)減為一半。試求這束部分偏振光的強(qiáng)度之比和光束的偏振度。解：設(shè)部分偏振光分為自然光強(qiáng)為In和強(qiáng)度為Ip的線偏振光的疊加。經(jīng)偏振片P后透射光強(qiáng)最大為(=0o)P

Ip偏振片轉(zhuǎn)動(dòng)60o(=60o)后透射光強(qiáng)為由題意，即整理得，偏振度第16頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3光通過單軸晶體時(shí)的雙折射現(xiàn)象一、雙折射現(xiàn)象2.尋常（o）光和非尋常（e）光自然光入射到各向異性介質(zhì)中，折射光分成兩束的現(xiàn)象。1.雙折射in1n2rore(各向異性介質(zhì))自然光o光e光o光：

遵從折射定律o光折射線在入射面內(nèi)。{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(nèi)。{第17頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月···方解石oee

o···演示以入射方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)方解石方解石偏振片雙折射的兩束光振動(dòng)方向相互垂直第18頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月象折射現(xiàn)雙折射現(xiàn)方解石晶體CaCO3紙面雙折射會(huì)映射出雙像：第19頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光光雙折射紙面方解石晶體光光雙折射紙面方解石晶體光光雙折射紙面方解石晶體光光雙折射紙面方解石晶體光光雙折射紙面方解石晶體

o光的像e光的像當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)o光的像不動(dòng)，e光的像圍繞o光的像旋轉(zhuǎn)。第20頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月二、光軸和主截面特定的方向，晶體中光沿這個(gè)方向傳播時(shí)，不發(fā)生雙折射現(xiàn)象。例如，方解石晶體（冰洲石）

由鈍隅引出的與三個(gè)棱邊成等角的方向就是光軸。AB102°78°沿此方向的直線均為光軸。1.光軸沿光軸方向傳播n()=no沿垂直于光軸方向傳播n()=ne{n()為e光的折射率光軸第21頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月單軸晶體：只有一個(gè)光軸的晶體，如方解石、石英。雙軸晶體：有兩個(gè)光軸的晶體，如云毋、硫磺、黃玉。{2.主截面晶體中光的傳播方向與晶體光軸構(gòu)成的平面o光光軸o光的主截面····e光光軸e光的主截面叫該光線的主截面。o光的振動(dòng)方向垂直于o光的主截面e光的振動(dòng)方向平行于e光的主截面一般，o光與e光的振動(dòng)方向不垂直。}晶體雙折射第22頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月如果光軸在入射面內(nèi)，兩主截面重合，則o光與e光的振動(dòng)方向相互垂直。注：若兩截面夾角很小，常常將o光與e光的振動(dòng)方向

看作近似垂直。三、o光與e光的相對光強(qiáng)1.自然光入射···光軸··

e方解石·oI考慮垂直入射的特殊情況（光軸在入射面內(nèi)）第23頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.線偏振光入射AeAo

（底面投影圖）以入射光為軸旋轉(zhuǎn)晶體，主截面隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，即α改變。α=0

，I0=0,Ie=Iα=90

，I0=I,Ie=0第24頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月書P321頁，例5.4強(qiáng)度為I的自然光，垂直入射到方解石晶體上后又垂直入射到另一塊完全相同的晶體上。兩塊晶體的主截面之間的夾角為，試求當(dāng)分別等于30°和180°時(shí)，最后透射出來的光束的相對強(qiáng)度（不考慮反射、吸收等損失）。解：經(jīng)第一塊晶體后：經(jīng)第二塊晶體后相對強(qiáng)度為z1z2z1z2第25頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月經(jīng)第二塊晶體后由于兩塊晶體相同，兩主截面夾角為180°，此時(shí)它們光軸方向關(guān)于表面法線對稱，則e光在第一塊晶體中的偏折方向與在第二塊晶體中的偏折方向相反，因而從第二塊晶體出射的o光和e光傳播方向重合，成為一束自然光。其強(qiáng)度為：z1z1第26頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4光在晶體中的波面o光在晶體中的波面是球面。e光在晶體中的波面是旋轉(zhuǎn)橢球面。xz

x

z——相對介電常數(shù)，——磁導(dǎo)率晶體各方向不同，光振動(dòng)沿此方向的n不同，對應(yīng)傳播速度不同單軸晶體，以光軸（z軸）旋轉(zhuǎn)對稱（如圖）光振動(dòng)方向垂直z軸光振動(dòng)方向沿z軸——e光光振動(dòng)方向沿其它方向，介于~之間第27頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月主截面——光的傳播方向與晶體光軸構(gòu)成的平面光的振動(dòng)方向垂直于主截面不管往任何方向傳播，光振動(dòng)方向垂直于光軸，波陣面為球面——o光光的振動(dòng)方向平行于主截面光振動(dòng)方向垂直z軸光振動(dòng)方向平行z軸波陣面為旋轉(zhuǎn)橢球面——e光光沿光軸傳播光垂直光軸傳播沿任何方向傳播速度相同沿不同方向傳播速度不相同第28頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5光在晶體中的傳播方向正晶體負(fù)晶體ve<vove>vo石英方解石{一、單軸晶體內(nèi)o光和e光的傳播方向1.以i角入射到晶體，光軸在入射面內(nèi)r0晶體i····voΔtveΔtcΔtA····BDeore··光軸··晶體雙折射第29頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.光軸垂直于晶體表面，正入射3.光軸平行于晶體表面，正入射······光軸晶體·

ee······光軸晶體··oo···不發(fā)生雙折射發(fā)生雙折射第30頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月4.光軸垂直入射面向外，正入射··光軸???晶體··????

ooee二、單軸晶體的主折射率o光主折射率e光主折射率~~~~~~~~特殊情況下，光軸垂直于入射面時(shí)，有發(fā)生雙折射第31頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6偏振器件一、尼科耳棱鏡??????no=1.658ne=1.486n膠=1.550涂黑eo光被吸收二、渥拉斯頓棱鏡????加拿大樹膠???????eo

eo尼科耳棱鏡第32頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月三、波（晶）片波片——光軸平行于表面的單軸晶體，其o光和e光

沿同一方向傳播。（發(fā)生雙折射）波片厚度為d，nod——o光在波片中的光程ned——e光在波片中的光程光程差：=

（no-ne）d相位差：?波片?波片（半波片）主截面第33頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月與光軸夾角為

的線偏振光經(jīng)過半波片后，出射光振動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)2

。平面偏振光入射：o光、e光光強(qiáng)比sin2/cos2

相位差：主截面e光o光

自然光入射：o光、e光光強(qiáng)比1，無固定相位差——自然光對于半波片，AAoAeAo'

2第34頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月??????

???????????eo

玻璃舉例：（1）（2）方解石晶體no=1.658ne=1.486no=1.658ne=1.486n玻=1.5方解石?????eo第35頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月5.7橢圓偏振光與圓偏振光圓偏振光——電矢量大小不變，末端在波面內(nèi)描繪出一個(gè)圓。橢圓偏振光——電矢量大小改變，末端在波面內(nèi)描繪出一個(gè)橢圓。{迎著光線方向看，順時(shí)針——右旋逆時(shí)針——左旋{一、圓偏振光和橢圓偏振光的描述2.描述1.定義橢圓偏振光可通過兩列頻率相同，振動(dòng)方向相互垂直，沿同一方向傳播的線偏振光疊加得到。第36頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月振幅端點(diǎn)軌跡方程：=0，=/2=其他值討論線偏振光Ax

Ay

橢圓偏振光Ax=Ay

圓偏振光斜向橢圓偏振光{{圓偏振光可通過兩頻率相同，振動(dòng)方向相互垂直，且振幅相同，位相差(2k+1)/2,沿同一方向傳播的線偏振光疊加得到。第37頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月晶片是光軸平行表面的晶體薄片。y

dxAAoAe線偏振光光軸

通過厚為d的晶片，o、e光產(chǎn)生相位差：AAoAe

光軸P

振幅關(guān)系：橢圓偏振光從晶片出射的兩束光合成為一束橢圓偏振光。d光軸晶片二、圓偏振光和橢圓偏振光的獲得1.晶片第38頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月則出射光為圓偏振光。若且2.波（晶）片四分之一波片——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）（是對某個(gè)確定波長

而言的）波片厚度滿足——線偏振光→橢圓偏振光第39頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月三、自然光改造成橢圓或圓偏振光自然光入射：無固定相位差——自然光自然光須先經(jīng)過一起偏器，再經(jīng)過四分之一波片才可獲得橢圓或圓偏振光。P自然光I0···光軸透振方向

1/4波片=45°時(shí)，獲得圓偏振光第40頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月5.8偏振態(tài)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)一、檢偏器旋轉(zhuǎn)檢偏器自然光橢圓偏振光偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）線偏振光

I不變，無消光線偏振光I變,無消光以入射光方向?yàn)檩S線偏振光偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）線偏振光I變,有消光部分偏振光線偏振光I變,無消光圓偏振光線偏振光I不變,無消光第41頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月四分之一波片圓偏振光自然光自然光線偏振光偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）線偏振光

I不變線偏振光I變,有消光以入射光方向?yàn)檩S四分之一波片橢圓偏振光部分偏振光線偏振光偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）線偏振光I變,有消光部分偏振光光軸平行最大光強(qiáng)或最小光強(qiáng)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加四分之一波片第42頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月▲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？第43頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月5.9偏振光的干涉一、偏振光干涉裝置和強(qiáng)度分布

單色自然光偏振片P1透振方向

d波片C光軸方向1.振幅關(guān)