大學(xué)物理-多媒體課件 -3 光的偏振.ppt

1、1,2,5.1 光的偏振狀態(tài),一、完全偏振光,線(xiàn)偏振光可沿兩個(gè)相互垂直的方向分解：,1、線(xiàn)偏振光（linearly polarized light）,線(xiàn)偏振光表示法：,光矢量垂直于傳播方向,3,2、圓偏振光（circularly polarized light）,線(xiàn)、圓和橢圓偏振光 完全偏振光,橢圓偏振光（elliptically polarized light）,4,為某個(gè)確定值的線(xiàn)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(dòng)方向相互垂直、,相位差,線(xiàn)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、/2或3 /2,和 2,5,二、完全非偏振光自然光（natural light）,垂直的、等幅的、不相干的線(xiàn)偏振光。,自然光的表示法：,一束自然光可分解為兩束振動(dòng)方向相互,6,三、部分偏振光,表示法：,自然光和完全偏振光的混合，就構(gòu)成了部分,部分偏振光可看成是自然光和線(xiàn)偏振,光的混合，,偏振光。,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：,7,四、偏振度（degree of polarization）,Ip 部分偏振光中包含的完全偏振光的強(qiáng)度,It 部分偏振光的總強(qiáng)度,In 部分偏振光中包含的自然光的強(qiáng)度,完全偏振光 （線(xiàn)、圓、橢圓） P = 1,自然光 （ 非偏振光

3、） P = 0,部分偏振光 0 P 1,偏振度：,8,5.2 線(xiàn)偏振光的獲得與檢驗(yàn),一、起偏,起偏的原理：利用某種光學(xué)的不對(duì)稱(chēng)性,偏振片（Polaroid）P（獲得線(xiàn)偏振光）,起偏器（polarizer）：起偏的光學(xué)器件,：從自然光獲得偏振光,（常用）,9,非偏振光I0,線(xiàn)偏振光 I,偏振化方向 （通光方向）,二、馬呂斯定律（Malus law）,I0,I,線(xiàn)偏振光的起偏, 馬呂斯定律（1809）, 消光,10,三、線(xiàn)偏振光的檢偏,檢偏：用偏振器件檢驗(yàn)光的偏振態(tài),若 I 不變，是什么光？,若 I 變，有消光，是什么光？,若 I 變，無(wú)消光，是什么光？,然光混合而成的部分偏振光,設(shè)入射光可能是自

4、然光,線(xiàn)偏振光,或由線(xiàn)偏振光與自,或,【演示】線(xiàn)偏振光的起偏和檢偏,11,四、偏振片的應(yīng)用,偏振片的應(yīng)用很多，例如：,作為照相機(jī)的濾光鏡，可以濾掉不必要的,反射光。,制成偏光眼鏡，可觀(guān)看立體電影。,若在所有汽車(chē)前窗玻璃和大燈前都裝上與,作為許多光學(xué)儀器中的起偏和檢偏裝置。,可以避免汽車(chē)會(huì)車(chē)時(shí)燈光的晃眼。,地面成45角、且向同一方向傾斜的偏振片，,12,5.3 反射和折射光的偏振 *散射光的偏振,一、反射和折射時(shí)光的偏振,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,i = i0 時(shí)，反射光只有S分量：,i0 布儒斯特

5、角（Brewster angle）或 起偏角,i0 +r0 = 90,由,得布儒斯特（Brewster）定律 （1812年）,14,【思考】如何測(cè)量不透明介質(zhì)的折射率？,例：外腔式激光管加布儒斯特窗減少反射損失,則：,垂直分量損耗大，不能形成激光，但平行分量能形成激光。,15,有反射光干擾的櫥窗,在照相機(jī)鏡頭前加偏振片消除了反射光的干擾,16,對(duì)布儒斯特定律的定性解釋?zhuān)?折射光波在第二種介質(zhì)中激起電子做受迫振動(dòng)，振動(dòng)方向沿光矢量方向。振動(dòng)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(zhì)相干疊加形成反射波。,當(dāng)以布儒斯特角入射時(shí)，反射光垂直于折射光。在入射點(diǎn)處，P分量的振動(dòng)方向正好沿著反射

6、光線(xiàn)的方向，因電磁波是橫波，所以反射光只有S分量。,17,二、玻璃片堆起偏和檢偏,1、起偏：,當(dāng) 時(shí)反射光是線(xiàn)偏振的，可用來(lái)起偏。,但單次反射的反射光強(qiáng)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(shí)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,18,若反射光光強(qiáng)不變 入射光是自然光； 若反射光光強(qiáng)變且有消光 入射光是線(xiàn)偏振光； 若反射光光強(qiáng)變且無(wú)消光 入射光是部分偏振光。,讓待檢驗(yàn)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(xiàn)為軸旋轉(zhuǎn)界面：,19,*三、散射光的偏振,1、瑞利散射,光的散射與介質(zhì)顆粒的線(xiàn)度有關(guān)。顆粒線(xiàn)度小于十分之一

7、波長(zhǎng)的散射瑞利散射。,光波電場(chǎng)分子范圍內(nèi)交變的均勻場(chǎng),在入射光的激勵(lì)下，顆粒電偶極子，輻射電磁波。,瑞利定律（1899）：散射光強(qiáng)與 成反比。,【演示】白光的散射,20,2、散射光的偏振,例如：天空大氣散射的日光就是部分偏振光。顏色偏蘭。,21,蜜蜂和某些鳥(niǎo)可辨別出大氣散射光的偏振，從而用來(lái)確定方向。,多次散射可以把個(gè)別散射方向的不對(duì)稱(chēng)抵消，從而可消除偏振。,【演示】光不能透過(guò)兩個(gè)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(guò)了。,22,i,一、雙折射的概念,1、雙折射：,n1,n2,ro,re,(各向異 性介質(zhì)),自然光,o光,e光,2、尋常（o）光和非尋常（e）光,o光 ：

8、 遵從折射定律,e光 ： 一般不遵從折射定律,e光折射線(xiàn)也不一定在入射面內(nèi)。,射到各向異性介質(zhì)時(shí)，,5.4 雙折射（birefringence）現(xiàn)象,一束光入,折射光分成兩束的現(xiàn)象。,23,雙折射會(huì)映射出雙像,24,方解石,o,e,以入射方向?yàn)?軸旋轉(zhuǎn)方解石,雙折射的兩 束光振動(dòng)方 向相互垂直,【演示】方解石的雙折射,25,當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)，,e光的像圍繞 o 光的像旋轉(zhuǎn)。,o 光的像不動(dòng)，,26,繼續(xù)旋轉(zhuǎn)方解石晶體：,27,繼續(xù)旋轉(zhuǎn)方解石晶體：,28,繼續(xù)旋轉(zhuǎn)方解石晶體：,29,繼續(xù)旋轉(zhuǎn)方解石晶體：,30,3、晶體的光軸（optical axis of crystal）,當(dāng)光在晶體內(nèi)沿某個(gè)

9、特殊方向傳播時(shí)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(gè)棱邊成等角的方向就是光軸。,光軸是一個(gè)特殊的方向，,單軸晶體：只有一個(gè)光軸的晶體，如方解石。,雙軸晶體：有兩個(gè)光軸的晶體，如云毋。,該方向稱(chēng)為晶體的光軸。,生雙折射，,直線(xiàn)均為光軸。,凡平行于此方向的,31,方解石的光軸,32,4、主平面（principal plane）,晶體中光的傳播方向與晶體光軸構(gòu)成的平面,叫該束光的主平面。,33,晶體的各向異性：,介電常數(shù)為 x , y,x= y z,光矢量垂直于光軸時(shí)，,光矢量振動(dòng)方向與晶體光軸的夾角不同，,介電常數(shù)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(fù)

10、晶體,34,o光：,no ，ne 稱(chēng)為 晶體的主折射率,正晶體：ne no,負(fù)晶體：ne no,e光：,(ve vo),(ve vo),如：石英、冰,如：方解石、紅寶石,35,三、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,o、 e方向上雖沒(méi)分開(kāi)，,下面以負(fù)晶體(ve vo)為例，介紹該方法：,但速度上是分開(kāi)的，,這仍是雙折射。,以惠更斯原理為依據(jù)的惠更斯作圖法，,是研究光在晶體中傳播的重要方法。,36,o,e,2、光軸平行晶體表面，且垂直入射面，,晶體,re,vot,vet,o,e,ct,自然光斜入射,在這種特殊的情況下，對(duì)e 光也可以用,折射定律。,37,3、光軸

11、與晶體表面斜交，自然光垂直入射,此時(shí)e光的波面不再與其波射線(xiàn)垂直了。為什么？,這正是前面演示的情形。,38,5.5 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(duì)o光和e光的吸收有很大差異，,例如，電氣石對(duì)o光有強(qiáng)烈吸收，,對(duì)e光,吸收很弱，,用它就可以產(chǎn)生線(xiàn)偏振光。,這叫晶體的二向色性（dichroism）。,39,2、偏振棱鏡,偏光棱鏡：,光軸的取向使e光對(duì)應(yīng)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(guò)。,偏振棱鏡可由自然光獲得高質(zhì)量的線(xiàn)偏振光，,可由自然光獲得原方向的線(xiàn)偏振光,它

12、又可分為偏光棱鏡和偏光分束棱鏡。,40,偏光分束棱鏡：,可由自然光獲得分開(kāi)的兩束線(xiàn)偏振光,光進(jìn)入到第1塊方解石后，o光和e光在方向上沒(méi)有分開(kāi)。,由于方解石2和方解石1二者光軸垂直，當(dāng)光進(jìn)入到方解石2時(shí)，o 光變成e光（none）：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(kāi)。,41,二、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。,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(xiàn)偏振光。,42,在入射點(diǎn)，o、e光的相位差為零或，在出射點(diǎn)晶片對(duì)o、e光產(chǎn)生的附加相位差：,，出射光為橢圓(圓)偏振光,當(dāng),，出射光仍為線(xiàn)偏振光,當(dāng),43,

13、1、四分之一波(晶)片（quarter-wave plate）,線(xiàn)偏振光圓偏振光,線(xiàn)偏振光線(xiàn)偏振光,可從線(xiàn)偏振光獲得橢圓或圓偏振光（或相反）,厚度滿(mǎn)足,線(xiàn)偏振光橢圓偏振光,44,2、二分之一波片,可使線(xiàn)偏振光振動(dòng)面轉(zhuǎn)過(guò)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(duì)某個(gè)確定波長(zhǎng) 而言的,45,三、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,46,四分之一波片,偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）,以入射光方向?yàn)檩S,四分之一波片,偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）,光軸平行最大光強(qiáng)或最小光強(qiáng)方向放置,或光軸平行橢圓偏振光的長(zhǎng)軸或短軸放置,47,如何區(qū)分由

14、自然光和橢圓偏振光組成的 部分偏振光，與由自然光和線(xiàn)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？,48,5.6 偏振光的干涉,一、偏振光干涉裝置,二、偏振光干涉的分析,1、振幅關(guān)系,在P2 后：,相干,在P1 后：,不相干,49,通過(guò)晶體C后：,此兩束光合成為一束橢圓偏振光。,再通過(guò)P2 后：,2、相位關(guān)系,成為兩束相干光。,50, 相長(zhǎng)干涉，P2后面的光場(chǎng)最明亮。, 相消干涉，P2后面的光場(chǎng)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(guān),51,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

15、現(xiàn)它的互補(bǔ)色，,三、色偏振（chromatic polarization）,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（656.2 nm）相消,如：,藍(lán)色（485.4nm）相消,【演示】玻璃紙厚度不同的色偏振,色偏振是檢驗(yàn)材料有無(wú)雙折射效應(yīng)的靈敏方法，,用顯微鏡觀(guān)察各種材料在白光下的色偏振，,分析物質(zhì)內(nèi)部的某些結(jié)構(gòu), 偏光顯微術(shù)。,則：屏上由,這叫（顯）色偏振。,綠色（492.1nm）；,黃色（585. 3 nm）。,可以,53,硫代硫酸鈉晶片的色偏振圖片,結(jié)冰過(guò)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(chǎn)生雙折射。,一、光彈效應(yīng)（photoe

16、lastic effect）,應(yīng)力各向異性,在一定應(yīng)力范圍內(nèi)：,光彈效應(yīng)也叫應(yīng)力雙折射效應(yīng)。, n各向不同,55,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(yīng)力雙折射,56,二、電光效應(yīng)（electro optic effect）,電光效應(yīng)也叫電致雙折射效應(yīng)。,1、克爾效應(yīng) （kerr effect） （1875年）,盒內(nèi)充某種液體，如硝基苯（C6H5NO2）,不加電場(chǎng)液體各向同性P2不透光；,加電場(chǎng)液體呈單軸晶體性質(zhì)，,光軸平行電場(chǎng)強(qiáng)度 P2透光。,57,二次電光效應(yīng),k 克爾常數(shù)，U 電壓,克爾效應(yīng)引起的相位差為：,當(dāng),若 l = 3

17、cm，,d = 0.8cm，,對(duì) = 600nm的黃光，,58,可作為光開(kāi)關(guān)（響應(yīng)時(shí)間109s），,克爾盒的應(yīng)用：,克爾盒的缺點(diǎn)：,和加數(shù)萬(wàn)伏的高電壓，,用于高速攝影、,激光通訊、,光速測(cè)距、,脈沖激光系統(tǒng)（作為Q開(kāi)關(guān)）,硝基苯有毒，,需要極高的純度,故現(xiàn)在很少用。,易爆炸，,59,2、泡克爾斯效應(yīng)（pockels effect） （1893年）,光傳播方向與電場(chǎng)平行，,電極K和 K透明，,晶體是單軸晶體，,不加電場(chǎng) P2 不透光。,加電場(chǎng)晶體變雙軸晶體,了雙折射效應(yīng),原光軸方向附加, P2 透光。,光軸沿,光傳播方向。,60,no o光在晶體中的折射率；,泡克爾斯效應(yīng)引起的相位差：, 線(xiàn)性電

18、光效應(yīng),r 電光常數(shù)；,時(shí)，P2透光最強(qiáng)。,KH2PO4（KDP）、NH4H2PO4（ADP）等,對(duì) = 546nm的綠光，,如KDP no =1.51，,U 電壓。,激光調(diào)Q，,超高速開(kāi)關(guān)（響應(yīng)時(shí)間小于109s），,數(shù)據(jù)處理,顯示技術(shù)，,應(yīng)用：,單晶都具有線(xiàn)性電光效應(yīng)。,61,子彈射穿蘋(píng)果的瞬間（高速攝影）,62,三、磁致雙折射,科頓 穆頓（Cotton-Mouton）效應(yīng)：,某些透明液體在磁場(chǎng)H作用下變?yōu)楦飨虍愋裕? 二次效應(yīng),需要很強(qiáng)的磁場(chǎng)才能觀(guān)察到。,性質(zhì)類(lèi)似于單軸晶體，光軸平行磁場(chǎng)。,63,5.8 旋光現(xiàn)象,一、物質(zhì)的旋光性（optical activity）,除石英外，氯酸鈉、乳酸

19、、松節(jié)油、糖的,a 旋光率,1811年，法國(guó)物理學(xué)家阿喇果（Arago）,其振動(dòng)面能發(fā)生旋轉(zhuǎn)，,發(fā)現(xiàn)，,線(xiàn)偏振光沿光軸方向通過(guò)石英晶體時(shí)，,這稱(chēng)為旋光現(xiàn)象。,水溶液等也都具有旋光性。,64,二、菲涅耳對(duì)旋光性的解釋,線(xiàn)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(shí)驗(yàn)表明，旋光率 a 與旋光物質(zhì)和入射波長(zhǎng),有關(guān)，,對(duì)于溶液，還和旋光物質(zhì)的濃度有關(guān)。,石英對(duì) = 589nm的黃光，a = 21.75/mm；,而對(duì) = 408nm的紫光，a = 48.9/mm 。,同一種物質(zhì)也可以有左旋體和右旋體，,物質(zhì)的旋光性是和物質(zhì)原子排列結(jié)構(gòu)有關(guān)的，,原子排列互為鏡像對(duì)稱(chēng)，,它們的,稱(chēng)為同分異構(gòu)體。,65,光通過(guò)旋光物質(zhì)后，位相,在出射面上：,設(shè)入射時(shí)L、R位相為0，,旋光物