南理工物理光學(xué)0505課件

1、南理工物理光學(xué)05051一、偏振器件一、偏振器件(一)偏振起偏起偏棱鏡自然光入射，其中一束線偏振光發(fā)生全反射，只出射另一束偏振光自然光入射，其中一束線偏振光發(fā)生全反射，只出射另一束偏振光15155 5 晶體偏振器件晶體偏振器件作用：產(chǎn)生偏振光或檢測(cè)偏振光。1. 尼科耳棱鏡（尼科耳棱鏡（w.nicol）尼科耳棱鏡（尼科耳棱鏡（w.nicol）68。71。90。77。光軸加拿大樹(shù)膠55. 1bn材料：方解石48641. 165836. 1eonn南理工物理光學(xué)05052尼科耳棱鏡（尼科耳棱鏡（w.nicol） 材料：方解石48641. 1 ,65836. 1eonn55. 1bn111.55sin

2、sin691.6584bconn加拿大樹(shù)膠ebonnn o光全反射，透出的偏振光的光矢量與入射面平行e光南理工物理光學(xué)0505368。71。90。77。尼科耳棱鏡（尼科耳棱鏡（w.nicol）光軸孔徑角：孔徑角：14缺點(diǎn)：1.不適用于高度會(huì)聚2. 價(jià)格十分昂貴優(yōu)點(diǎn)：1.對(duì)可見(jiàn)光的透明度高2.能產(chǎn)生完善的線偏振光或發(fā)散的光束加拿大樹(shù)膠南理工物理光學(xué)050542. 格蘭湯姆遜（格蘭湯姆遜（glan-thompson）棱鏡）棱鏡aaa光軸光垂直于棱鏡端面入射時(shí)方解石直角棱鏡膠合劑南理工物理光學(xué)05055aaa光軸ii孔徑角的限制當(dāng)入射光束不是平行光或平行光非正入射時(shí)48641. 1,65836. 1

3、eonn 55. 1bn69cnm3 .589加拿大樹(shù)膠7327. 3tg長(zhǎng)寬比：1:27. 3孔徑角：138131. 6tg長(zhǎng)寬比：1:31. 6孔徑角：4025. 3tg孔徑角：32甘油474. 1bn90.72長(zhǎng)寬比：1:25. 3南理工物理光學(xué)050563. 格蘭付科（格蘭付科（glan-foucault）棱鏡）棱鏡aaa)光軸垂直入射面aab)光軸平行入射面空氣薄層優(yōu)點(diǎn)：適用于紫外波段，能承受強(qiáng)光照射缺點(diǎn)：孔徑角小，圖a透射比不高南理工物理光學(xué)05057（二）偏振分束分束棱鏡也稱(chēng)為雙像棱鏡tgnne0arcsin改變振動(dòng)方向互相垂直的兩束線偏振光的傳播方向，獲得兩束分開(kāi)的線偏振光ab

4、cd1. 渥拉斯頓棱鏡（渥拉斯頓棱鏡（wollaston）：）： 利用兩個(gè)正交的光軸分解光。材料：方解石，石英eonn 南理工物理光學(xué)050582.洛匈棱鏡洛匈棱鏡oenn 材料：石英只允許光從左方射入棱鏡南理工物理光學(xué)05059【思考題思考題】畫(huà)出自然光通過(guò)由玻璃棱鏡和負(fù)單畫(huà)出自然光通過(guò)由玻璃棱鏡和負(fù)單軸晶體棱鏡組成的立方棱鏡后光傳播方向與偏軸晶體棱鏡組成的立方棱鏡后光傳播方向與偏振方向。振方向。南理工物理光學(xué)050510二、波片（ wave plate，位相延遲器）o光和e光通過(guò)波片時(shí)的光程差與位相差：dnndnneoeo2difference phase :differencepath

5、optical：波片的作用是：使兩個(gè)振動(dòng)方向相互垂直的光產(chǎn)生位相延遲。使兩個(gè)振動(dòng)方向相互垂直的光產(chǎn)生位相延遲。制作：用單軸透明晶體做成的平行平板，光軸與表面平行光軸與表面平行。d是波片厚度南理工物理光學(xué)050511快軸(fast axis)和慢軸(slow axis) ：快軸：稱(chēng)晶體中傳播速度快的光矢量方向?yàn)榭燧S。慢軸：稱(chēng)晶體中傳播速度慢的光矢量方向?yàn)槁S?！纠}例題1】快慢軸的判斷 習(xí)題15-15石英晶片。晶片折射率為， 光軸沿x軸方向(見(jiàn)圖) 55335. 1,54424. 1eonn波片產(chǎn)生的相位延遲：波片產(chǎn)生的相位延遲： 慢軸快軸光軸光軸慢軸慢軸快軸快軸當(dāng)n0ne時(shí)，波片的快軸為e 矢

6、量方向,即x軸。波片最常用的材料：云母，石英，聚乙烯醇薄膜南理工物理光學(xué)050512則稱(chēng)該波片是1/4波片，1/4波片的最小厚度：)(4mineonnd(21) , (21)42oenn dmm 對(duì)應(yīng)的若1、 /4波片（波片（quarter-wave plate）性質(zhì)：1) 線偏振光入射時(shí)，出射光為橢圓偏振光2) 與快慢軸都成45度線偏振光入射，出射光為圓偏振光3) 可以使圓偏振光或橢圓偏振光變成線偏振光4) 對(duì)某一特定波長(zhǎng)的光產(chǎn)生某一特定的相位變化5) 自然光入射，出射光為自然光南理工物理光學(xué)050513o光和e光產(chǎn)生的光程差(21) , (21)2oenn dmm 對(duì)應(yīng)的稱(chēng)該晶片為二分之一

7、波片。2、 /2波片波片(half-wave plate)性質(zhì)：1）橢圓偏振（圓偏振）光入射時(shí)，出射光仍為橢圓偏振（圓偏振）光，只是旋向相反旋向相反；2）線偏振光入射時(shí)，出射光仍為線偏振光。若入射的線偏振光與快（慢）軸夾角為，出射光的振動(dòng)方向向著快（慢）軸轉(zhuǎn)動(dòng)了2。南理工物理光學(xué)050514線偏振光通過(guò)半波片后光矢量的轉(zhuǎn)動(dòng)入射時(shí)快（慢）軸出射時(shí)南理工物理光學(xué)050515 設(shè)線偏振光沿設(shè)線偏振光沿z軸方向傳播通過(guò)軸方向傳播通過(guò) 波片。波片為正單軸晶制波片。波片為正單軸晶制作，其光軸為慢軸，沿作，其光軸為慢軸，沿y軸，快軸沿軸，快軸沿x軸。線偏振光振動(dòng)方向軸。線偏振光振動(dòng)方向與與x軸成軸成 角，如

8、圖：角，如圖：2/入射線偏振光的兩分量為：入射線偏振光的兩分量為：取取 ，則，則0mxy設(shè)設(shè) ，則，則0 xyeyoxaaeaaesincos南理工物理光學(xué)050516線偏振光沿線偏振光沿z軸方向傳播通過(guò)軸方向傳播通過(guò) 波片后，其兩分量為：波片后，其兩分量為：2/eieieyoioxaeaeaeaeaeyx因此，從波片出射時(shí)，線偏振光的振動(dòng)方向轉(zhuǎn)過(guò)因此，從波片出射時(shí)，線偏振光的振動(dòng)方向轉(zhuǎn)過(guò) 。2南理工物理光學(xué)0505173、全波片、全波片(full-wave plate)mmdnneo2對(duì)應(yīng)的 , 稱(chēng)該晶片為全波片。性質(zhì)：1）不改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)；2）只能增大光程差。南理工物理光學(xué)05051

9、8幾點(diǎn)注意幾點(diǎn)注意 波片是對(duì)特定的波長(zhǎng)而言； 自然光入射波片時(shí)，出射光仍然是自然光; 為改變偏振光的偏振態(tài)，入射光與波片快軸或慢軸成一定的夾角。南理工物理光學(xué)050519三、補(bǔ)償器三、補(bǔ)償器(compensator) 波片波片只能對(duì)振動(dòng)方向相互垂直的兩束光產(chǎn)生只能對(duì)振動(dòng)方向相互垂直的兩束光產(chǎn)生固定固定的相位差，的相位差，補(bǔ)償器則是能對(duì)振動(dòng)方向相互垂直的二線偏振光產(chǎn)生可控制相補(bǔ)償器則是能對(duì)振動(dòng)方向相互垂直的二線偏振光產(chǎn)生可控制相位差的光學(xué)器件。位差的光學(xué)器件。 最簡(jiǎn)單的一種補(bǔ)償器叫最簡(jiǎn)單的一種補(bǔ)償器叫巴俾涅補(bǔ)償器巴俾涅補(bǔ)償器，它的結(jié)構(gòu)如圖所示，它的結(jié)構(gòu)如圖所示，由兩個(gè)方解石或石英劈組成，這兩個(gè)劈

10、的由兩個(gè)方解石或石英劈組成，這兩個(gè)劈的光軸相互垂直光軸相互垂直。當(dāng)線。當(dāng)線偏振光射入補(bǔ)償器后，產(chǎn)生傳播方向相同、振動(dòng)方向相互垂直偏振光射入補(bǔ)償器后，產(chǎn)生傳播方向相同、振動(dòng)方向相互垂直的的o o光和光和e e光，并且，在上劈中的光，并且，在上劈中的o o光光( (或或e e光光) )，進(jìn)入下劈時(shí)就成，進(jìn)入下劈時(shí)就成了了e e光光( (或或o o光光) )。由于劈尖頂角很小。由于劈尖頂角很小( (約約2 2-3-3 ) )，在兩個(gè)劈界在兩個(gè)劈界面上，面上，e e光和光和o o光可認(rèn)為不分離光可認(rèn)為不分離。 在圖中所示的三束光在圖中所示的三束光a a、m m、b b中，光線中，光線m(d1m(d1d

11、2)d2)，從補(bǔ)償器，從補(bǔ)償器出射的振動(dòng)方向相互垂直的兩出射的振動(dòng)方向相互垂直的兩束光之間的相位差為零。束光之間的相位差為零。南理工物理光學(xué)050520 相應(yīng)于通過(guò)兩劈厚度不相等處相應(yīng)于通過(guò)兩劈厚度不相等處(dld2)(dld2)的的光線光線a a和和(dld2)(dld2)光線光線b b，從補(bǔ)償器出射的振動(dòng)方向相互垂直的兩束光間，有一定，從補(bǔ)償器出射的振動(dòng)方向相互垂直的兩束光間，有一定的相位差。因?yàn)樯吓械牡南辔徊睢Ｒ驗(yàn)樯吓械膃 e光光在下劈中變?yōu)樵谙屡凶優(yōu)閛 o光，它通過(guò)上、下光，它通過(guò)上、下劈的總光程為劈的總光程為 ；上劈中的；上劈中的o o光光在下劈中變?yōu)樵谙屡凶優(yōu)閑 e光，它光

12、，它通過(guò)上、下劈的總光程為通過(guò)上、下劈的總光程為 ，所以，從補(bǔ)償器出來(lái)時(shí)，所以，從補(bǔ)償器出來(lái)時(shí)，這兩束振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光間的相位差為這兩束振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光間的相位差為: :21dndnoe21dndneo)(2)()(2122121ddnndndndndneoeooe南理工物理光學(xué)050521當(dāng)入射光從補(bǔ)償器上方不同位置射入時(shí)，相應(yīng)的當(dāng)入射光從補(bǔ)償器上方不同位置射入時(shí)，相應(yīng)的 值不值不同，同， 值也就不同。或者，當(dāng)上劈沿圖中所示箭頭方向移動(dòng)時(shí)，值也就不同?；蛘?，當(dāng)上劈沿圖中所示箭頭方向移動(dòng)時(shí)，對(duì)于同一條入射光線，對(duì)于同一條入射光線， 值也隨上劈移動(dòng)而變化，故值也隨上劈移動(dòng)而變

13、化，故 值也隨之改變。因此，調(diào)整值也隨之改變。因此，調(diào)整 值，便可得到任意的值，便可得到任意的 值。值。)(12dd )(12dd )(12dd 巴俾涅補(bǔ)償器的缺點(diǎn)缺點(diǎn)是：必須使用極細(xì)的入射光束必須使用極細(xì)的入射光束，因?yàn)閷捁馐牟煌糠謺?huì)產(chǎn)生不同的相位差。采用索累(soleil)補(bǔ)償器可以彌補(bǔ)這個(gè)不足。)(2)()(2122121ddnndndndndneoeooe南理工物理光學(xué)050522索累索累(soleil)(soleil)補(bǔ)償器補(bǔ)償器是由兩個(gè)光軸平行的石英劈和一個(gè)石英平行平面薄板組成的。石英板的光軸與兩劈的光軸垂直。上劈可由微調(diào)螺絲使之平行移動(dòng)，從而改變光線通過(guò)兩劈的總厚度dl。對(duì)于

14、某個(gè)確定的dl， 可以在相當(dāng)寬的區(qū)域內(nèi)(如圖中的ab寬度內(nèi))獲得相同的值 。 顯然，利用上述補(bǔ)償器可以在任何波長(zhǎng)上產(chǎn)生所需要的波片；顯然，利用上述補(bǔ)償器可以在任何波長(zhǎng)上產(chǎn)生所需要的波片；可以補(bǔ)償及抵消一個(gè)元件的自然雙折射；可以在一個(gè)光學(xué)器件可以補(bǔ)償及抵消一個(gè)元件的自然雙折射；可以在一個(gè)光學(xué)器件中引入一個(gè)固定的延遲偏置；或經(jīng)校準(zhǔn)定標(biāo)后，可用來(lái)測(cè)量待中引入一個(gè)固定的延遲偏置；或經(jīng)校準(zhǔn)定標(biāo)后，可用來(lái)測(cè)量待求波片的相位延遲。求波片的相位延遲。d1d2入射光(incident light)微量移動(dòng)d2d1d2d1d2212ddnneo南理工物理光學(xué)0505236583. 1on4864. 1en解：已知

15、：，對(duì)于o光：11sin37.08coon當(dāng)入射角 時(shí)全反射： ic對(duì)于e光：11sin42.28ceen【例題例題2】一方解石直角棱鏡，光軸平行于直角棱，自然光垂直入射。要使出射光只有一種線偏振光，頂角 應(yīng)取在什么范圍？出射光振動(dòng)方向如何？（已知， ， ）6583. 1on4864. 1en當(dāng)光在斜邊上的入射角 時(shí)，o光全反射，只有e光一種線偏振光出射。由圖中可知 ， 所以頂角在 之間時(shí)，o光全反射e光透射。又因?yàn)閑光在主截面內(nèi)振動(dòng)所以透射光的振動(dòng)方向在主截面內(nèi)。 37.0842.28ii28.4208.37南理工物理光學(xué)050524【例題例題3】圖為巴比內(nèi)補(bǔ)償器示意圖，取坐標(biāo)和光軸如圖所示。原點(diǎn)o位于補(bǔ)償器前表面中心。該補(bǔ)償器由兩塊楔角 的石英光楔組成。求出當(dāng)細(xì)光束從坐標(biāo)為x的b點(diǎn)穿過(guò)時(shí)，垂直于圖平面和平行于圖平面的兩振動(dòng)分量之間引入的位相差 。5 . 2)(x解：設(shè)原點(diǎn)處補(bǔ)償器厚度為 ，則入射光在第一塊光楔內(nèi)的x處傳播的距離為0dxdxd2/)(01入射光在第二塊光楔內(nèi)的x處傳播的距離為xdxd2/)(02南理工物理光學(xué)050525正入射時(shí)光束通過(guò)補(bǔ)償器后，兩正交振動(dòng)分量間產(chǎn)生的附加相位差為：xnnxdxdnnxdnxdnxdnxdnxeoeoeeo2)(2)()()(2)()()()(2)(0122121南理工物理光學(xué)050526【例題例題4】示意畫(huà)出自然光通過(guò)由