線偏振光→圓偏振光PPT學習教案

1、會計學1一、自然光和一、自然光和偏振光偏振光一束自然光可分解為兩束振動方向相互垂直的、一束自然光可分解為兩束振動方向相互垂直的、等幅的、等幅的、不相干不相干的光振動的光振動。自然光的表示法：自然光的表示法： 光振動的振幅在垂直于光波的傳播方向上，既有光振動的振幅在垂直于光波的傳播方向上，既有時間分布的均勻性，又有空間分布的均勻性。時間分布的均勻性，又有空間分布的均勻性。 x20IIIyx 1.1.自然光自然光第1頁/共51頁振動面：振動面：光的振動方向與光的傳播方向構成的平面。光的振動方向與光的傳播方向構成的平面。光的偏振光的偏振: : 光光波波的振動方向相對傳播方向的不對稱性的振動方向相對傳

2、播方向的不對稱性。光矢量光矢量振動面振動面v0HE光的偏振態(tài)光的偏振態(tài): : 光矢量在與光傳播方向垂直的光矢量在與光傳播方向垂直的 平面內(nèi)的振動狀態(tài)。平面內(nèi)的振動狀態(tài)。2. 線偏振光和線偏振光和部分偏振光部分偏振光偏振方向偏振方向: :光矢量光矢量 的方向的方向E第2頁/共51頁光波的光矢量方向始終不變光波的光矢量方向始終不變，只沿一個固定方向振動。，只沿一個固定方向振動。一束一束線偏振光線偏振光可分解為兩束振動方向相互可分解為兩束振動方向相互垂直的垂直的、不不等幅的等幅的、相干相干的線偏振光的線偏振光。 sincosEEEEyx EEyEx yx 線偏振光線偏振光(完全偏振光完全偏振光)E播

3、播傳傳方方向向振振動動面面第3頁/共51頁線偏振光的表示法：線偏振光的表示法：光振動平行板面光振動平行板面x光振動垂直板面光振動垂直板面 x第4頁/共51頁部分偏振光部分偏振光是是自然光與自然光與線偏振光線偏振光的混合的混合 部分偏振光可分解為兩束振動方向相互垂直的部分偏振光可分解為兩束振動方向相互垂直的、不等幅的不等幅的、不相干不相干的線偏振光的線偏振光。部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法：平行板面的平行板面的光振動較強光振動較強垂直板面的垂直板面的光振動較強光振動較強部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光 第5頁/共51頁偏振度：偏振度：pnptpIIIIIp 討論：討論

4、：部分偏振光部分偏振光自然光自然光0 nI0 pI0 pI完全偏振光完全偏振光自然光強度自然光強度nI完全偏振光強度完全偏振光強度pI1p0p10 p第6頁/共51頁橢圓偏振光：橢圓偏振光：光矢量末點的運動軌跡是正橢圓或斜橢圓光矢量末點的運動軌跡是正橢圓或斜橢圓。在迎光矢量圖上，光矢量端點沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)的稱。在迎光矢量圖上，光矢量端點沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)的稱為左旋偏振光；沿順時針方向旋轉(zhuǎn)的稱為右旋偏振光。為左旋偏振光；沿順時針方向旋轉(zhuǎn)的稱為右旋偏振光。3. 橢圓偏振光和圓偏振光橢圓偏振光和圓偏振光圓偏振光圓偏振光線偏光線偏光橢圓偏振光橢圓偏振光圓偏振光：圓偏振光：光矢量大小保持不變光矢量大小保持

5、不變第7頁/共51頁橢圓偏振光和圓偏振光都是完全偏振光，橢圓偏振光和圓偏振光都是完全偏振光，均可等效均可等效為兩個具有恒定相位差、相同振動頻率、振動方向為兩個具有恒定相位差、相同振動頻率、振動方向相互垂直的線偏振光。相互垂直的線偏振光。第8頁/共51頁二二、起偏和檢偏起偏和檢偏起偏：起偏：使自然光（或非偏振光）變成線偏振光的過程。使自然光（或非偏振光）變成線偏振光的過程。檢偏：檢偏：檢查入射光的偏振性。檢查入射光的偏振性。透透光光軸軸方方向向自然光自然光偏振片偏振片線偏振光線偏振光1 1、偏振片的起偏和檢偏、偏振片的起偏和檢偏將待檢查的入射光垂直入將待檢查的入射光垂直入射偏振片，緩慢轉(zhuǎn)動偏振射

6、偏振片，緩慢轉(zhuǎn)動偏振片，觀察光強的變化，確片，觀察光強的變化，確定光的偏振性。定光的偏振性。第9頁/共51頁線偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，線偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，光強發(fā)生變化，有消光現(xiàn)象光強發(fā)生變化，有消光現(xiàn)象第10頁/共51頁自然光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，光強不變。自然光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，光強不變。第11頁/共51頁部分偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，部分偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，光強發(fā)生變化。光強發(fā)生變化。第12頁/共51頁自然光通過起偏器，成為線偏光自然光通過起偏器，成為線偏光注意自然光通過偏振片后光強的變化注意自然光通過偏振片后光強的變化第13頁/共51頁I?P待檢光待檢光I不變不變？是什么光？是什么光

7、I變，有消光變，有消光？是什么光？是什么光I變，無消光變，無消光？是什么光？是什么光第14頁/共51頁如果入射線偏振光的光強為如果入射線偏振光的光強為I1，透過檢偏器后，透過檢偏器后，透射光的光強，透射光的光強I為為三、三、 馬呂斯馬呂斯定律定律 212cosII -線偏振光的振動方向與檢偏器的透射軸方向線偏振光的振動方向與檢偏器的透射軸方向 之間的夾角。之間的夾角。E1 E1cos 檢偏器檢偏器透射軸透射軸線偏振光線偏振光振動方向振動方向1max20III ， 022 I， 消光消光第15頁/共51頁 光強的調(diào)制光強的調(diào)制:在透振方向正交的起偏器在透振方向正交的起偏器M和檢偏器和檢偏器 N

8、之間，插入一片以角速度之間，插入一片以角速度 旋轉(zhuǎn)的理想偏振片旋轉(zhuǎn)的理想偏振片 P，入射自，入射自然光強為然光強為 , 試求由系統(tǒng)出射的光強是多少？試求由系統(tǒng)出射的光強是多少？0ItPNMttIttII220220cossin) 2/cos)2(cos) 2/（出)cos1 (212sin2每旋轉(zhuǎn)偏振片每旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，一周，輸出光強有怎樣的變化？輸出光強有怎樣的變化？N MP0I20I)4cos1)(16/(0tII出第16頁/共51頁tPNM每旋轉(zhuǎn)偏振片每旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，輸出光強有一周，輸出光強有“四明四零四明四零”。所以：所以： t=00,900,1800,2700時，輸出光強為零。

9、時，輸出光強為零。 t=450,1350,2250,3150時，輸出光強為時，輸出光強為 。8/0IN MP:),4cos1)(16/(0旋轉(zhuǎn)一周出PtII輸出零強度光條件：（N)13210,2414cos、，kktt輸出強光條件：（N)23210,12414cos、）（，kktt第17頁/共51頁四、四、布儒斯特定律布儒斯特定律- -反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振自然光自然光部分部分偏振光偏振光反射和折射過程會使入射的自然光一定程度的偏振化反射和折射過程會使入射的自然光一定程度的偏振化1n2nr部分部分偏振光偏振光i第18頁/共51頁21120tgnnni 這時反射光成為其振動方向

10、垂直于入射面的線偏振光這時反射光成為其振動方向垂直于入射面的線偏振光。布儒斯特定律布儒斯特定律反射光的偏振化程度和入射角有關，當入射角等反射光的偏振化程度和入射角有關，當入射角等于某一于某一特定值特定值i0且滿足且滿足0i0r1n2n自然光自然光線偏振光（線偏振光（光強弱）光強弱）部分偏振光部分偏振光光強很強光強很強200 ri0i起偏振角起偏振角布儒斯特布儒斯特角角第19頁/共51頁利用玻璃片堆產(chǎn)生線偏振光利用玻璃片堆產(chǎn)生線偏振光ib(接近線偏振光接近線偏振光)玻璃片堆玻璃片堆 最后獲得兩束振動面互相垂直的線偏振光最后獲得兩束振動面互相垂直的線偏振光第20頁/共51頁方解石晶體實驗一在各向同

11、性的介質(zhì)中在各向同性的介質(zhì)中S是點物是點物S 的象的象天然的方解石晶體是雙折射晶體天然的方解石晶體是雙折射晶體實驗二ABSS1 1、雙折射現(xiàn)象、雙折射現(xiàn)象五五、 晶體晶體的雙折射的雙折射第21頁/共51頁光光光光當方解石晶體旋轉(zhuǎn)時當方解石晶體旋轉(zhuǎn)時o光不動，光不動，e光圍繞光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光旋轉(zhuǎn)雙雙折折射射紙面紙面方解石方解石 晶體晶體第22頁/共51頁光光光光雙雙折折射射當方解石晶體旋轉(zhuǎn)時當方解石晶體旋轉(zhuǎn)時o光不動，光不動，e光圍繞光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光旋轉(zhuǎn)紙面紙面方解石方解石 晶體晶體第23頁/共51頁光光光光當方解石晶體旋轉(zhuǎn)時當方解石晶體旋轉(zhuǎn)時o光不動，光不動，e光圍繞光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光旋轉(zhuǎn)雙雙折

12、折射射紙面紙面方解石方解石 晶體晶體第24頁/共51頁光光光光當方解石晶體旋轉(zhuǎn)時當方解石晶體旋轉(zhuǎn)時o光不動，光不動，e光圍繞光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光旋轉(zhuǎn)雙雙折折射射紙面紙面方解石方解石 晶體晶體第25頁/共51頁 對于各向異性晶體，一束光射入晶體后，可以對于各向異性晶體，一束光射入晶體后，可以觀察到有兩束折射光的現(xiàn)象。觀察到有兩束折射光的現(xiàn)象。n1n2irore(各向異各向異性媒質(zhì)性媒質(zhì))自然光自然光尋常光尋常光：對于晶體一切方向：對于晶體一切方向都具有相同的折射率都具有相同的折射率 ( 即波即波 速相同），且在入射面內(nèi)傳速相同），且在入射面內(nèi)傳播，簡稱它為播，簡稱它為O光。光。 尋常光線尋常光線(o

13、光光) -遵守折射定律遵守折射定律非常光非常光：它的折射率（即波速）隨方向而變化，并且：它的折射率（即波速）隨方向而變化，并且 不一定在入射面內(nèi)傳播，簡稱為不一定在入射面內(nèi)傳播，簡稱為 e 光。光。非常光線非常光線(e光光) -不遵守折射定律不遵守折射定律o光和光和e光都是線偏振光光都是線偏振光, 二者振動方向相互垂直二者振動方向相互垂直。第26頁/共51頁2 2 、光軸與主平面光軸與主平面 當光在晶體內(nèi)沿某個特殊方向傳播時當光在晶體內(nèi)沿某個特殊方向傳播時不發(fā)生雙不發(fā)生雙折射折射，該方向稱為，該方向稱為晶體的光軸晶體的光軸。“光軸光軸”是一是一特殊的特殊的“方向方向”, ,不是指一條直線不是指

14、一條直線。凡平行于此方向的直線均為光軸。凡平行于此方向的直線均為光軸。單軸晶體：單軸晶體：只有一個光軸的晶體只有一個光軸的晶體，如方解石、紅寶石。，如方解石、紅寶石。雙軸晶體雙軸晶體：有兩個光軸的晶體，：有兩個光軸的晶體，如如云母、藍寶石。云母、藍寶石。AB光軸光軸1 0 2第27頁/共51頁主平面：主平面：晶體中晶體中某條光線某條光線與與晶體光軸晶體光軸構成的平構成的平面。面。e光光光軸光軸e光的光的主平面主平面o光光光軸光軸o光的光的主平面主平面o光的振動面光的振動面垂直垂直于于o光的主平面光的主平面e光的振動面在光的振動面在e光的主平面內(nèi)光的主平面內(nèi)主主折折射射率率: :o光的傳播速率用

15、光的傳播速率用 表示表示, 其其折射率折射率用用 表示表示.o one光沿垂直于光光沿垂直于光軸方向上的軸方向上的傳播速率用傳播速率用 表示表示,折射率用折射率用 表示表示, ,e eneecn oocn 稱為晶體的主折射率稱為晶體的主折射率和和oenn當光軸位于當光軸位于入射面內(nèi)，入射面內(nèi)，2個主平面?zhèn)€主平面才嚴格重合才嚴格重合第28頁/共51頁雙折射現(xiàn)象的應用雙折射現(xiàn)象的應用3. 尼科耳棱鏡尼科耳棱鏡光軸在光軸在ABCD平面內(nèi)方向與平面內(nèi)方向與AB成成480，入射面取，入射面取ABCD面面兩塊特殊要求加工的直角方解石，如圖：兩塊特殊要求加工的直角方解石，如圖：加拿大樹膠的折射率加拿大樹膠的

16、折射率n，O光入射角大于其臨界角光入射角大于其臨界角arc sin(1.55/1.658)=69012，被全反射，在，被全反射，在BD處為涂黑層所吸收處為涂黑層所吸收。出射偏振方向在出射偏振方向在ABCD平面內(nèi)的偏振光平面內(nèi)的偏振光。方解石的折射率方解石的折射率n0=1.658, 486. 1enABDCe760O220680480第29頁/共51頁2P1P3P光的調(diào)制課堂練習：光的調(diào)制課堂練習：最小轉(zhuǎn)最小轉(zhuǎn)45度度第30頁/共51頁（B）P（B）第31頁/共51頁（D）第32頁/共51頁解：解：（D）第33頁/共51頁平行平行第34頁/共51頁第35頁/共51頁六六. .晶體相移器件晶體相移

17、器件 圓和橢圓偏振光的起偏圓和橢圓偏振光的起偏波片波片( (波晶片波晶片) ) 相位延遲片相位延遲片波片波片是光軸平行表面的晶體薄片是光軸平行表面的晶體薄片。. . . .dCS1P 光軸光軸晶面晶面光軸光軸doe第36頁/共51頁Ao Ae 光軸光軸PAdyx線偏振光線偏振光光軸光軸 dnndodo)(2 dnneo)( cosAAe sinAAo 通過厚為通過厚為d的晶片，的晶片，o、e光產(chǎn)生光程差和相位光產(chǎn)生光程差和相位差：差： cossinAAAAeo 振幅關系振幅關系從晶片出射的是兩束從晶片出射的是兩束傳播方相同、振動方向相互垂傳播方相同、振動方向相互垂直、頻率相等、相位差直、頻率相

18、等、相位差 的線偏振光，它們合成的線偏振光，它們合成為一束為一束橢圓偏振光橢圓偏振光。第37頁/共51頁 (1) (1) 四分之一波片四分之一波片4)12()( kdnneo4 線偏振光線偏振光圓偏振光圓偏振光2 , 0 線偏振光線偏振光線偏振光線偏振光從線偏振光獲得橢圓或圓偏振光從線偏振光獲得橢圓或圓偏振光（或相反）（或相反）dnndodo)(2 dnneo)( 240 ， 線偏振光線偏振光橢圓偏振光橢圓偏振光第38頁/共51頁(2) (2) 二分之一波片二分之一波片2)12()( kdnndo使線偏振光振動面轉(zhuǎn)使線偏振光振動面轉(zhuǎn)過過2 2 角度角度A0入入A0出出A入入A出出Ae入入= A

19、e出入出入 光軸光軸第39頁/共51頁S. . . .dC1P2P 光軸光軸透光軸相互垂直透光軸相互垂直8-10 偏振光的干涉偏振光的干涉一一. . 偏振光干涉裝置偏振光干涉裝置二二. . 偏振光干涉的分析偏振光干涉的分析1. 1. 振幅關系振幅關系P2P1CA1AeAoA2oA2e sin1AAo cos1AAe 第40頁/共51頁在在P P2 2 后，兩束光振動方向平行，振幅為：后，兩束光振動方向平行，振幅為： cossincos12 AAAoooeeAAAA212cossinsin P2P1CA1AeAoA2oA2e 是一對振幅相等的相干光是一對振幅相等的相干光通過晶體通過晶體C C后后

20、)(2eocnnd 此兩束光合成為一束橢圓偏振光此兩束光合成為一束橢圓偏振光通過通過P P2 2 后后（若（若P P1 1、P P2 2夾角小于夾角小于 ，則無附加相差，則無附加相差 ） )(2eocnnd2. 2. 相位關系相位關系第41頁/共51頁), 2 , 1(,2) 12()(2 kkdnnkeo 相長干涉相長干涉相消干涉相消干涉 kdnnkeo )() 12(若單色光入射若單色光入射, ,且且d不均勻不均勻, ,則屏上出現(xiàn)等厚干涉條紋則屏上出現(xiàn)等厚干涉條紋. .三三. . 色偏振色偏振白光入射，晶片白光入射，晶片d均勻均勻屏上屏上由于某種顏色干涉相消，而呈現(xiàn)它的由于某種顏色干涉相消

21、，而呈現(xiàn)它的互補互補色色這叫（顯）這叫（顯）色偏振色偏振。若若d不均勻，則屏上出現(xiàn)彩色條紋。不均勻，則屏上出現(xiàn)彩色條紋。如 紅色紅色相消綠色綠色；藍色藍色相消黃色黃色，第42頁/共51頁一、電光一、電光效應效應(克爾效應克爾效應)某些非晶體和液體在與入射光方向垂直的強電場某些非晶體和液體在與入射光方向垂直的強電場作用下，呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象作用下，呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象.8-11 8-11 電磁場的光效應和旋光現(xiàn)象電磁場的光效應和旋光現(xiàn)象在強電場作用下，使分子定向排列，獲得各向異性在強電場作用下，使分子定向排列，獲得各向異性. .ECS1P2P克克爾爾盒盒透光軸相互垂直透光軸相互垂直液體液體第43頁/共51

22、頁2KEnneo 克克爾爾常常數(shù)數(shù) K)(2donnl 通過厚為通過厚為l 的液體后，的液體后，o、e光產(chǎn)生相位差：光產(chǎn)生相位差：22lKE 如平行板所加電壓為如平行板所加電壓為U)(2donnl 222dUlK 當外電場撤消時，這種性質(zhì)立即消失當外電場撤消時，這種性質(zhì)立即消失.若去掉盒內(nèi)電場，則沒有光從若去掉盒內(nèi)電場，則沒有光從 透出。透出。整個系統(tǒng)起整個系統(tǒng)起“光開關光開關”的作用。的作用。2p第44頁/共51頁 通過控制外加電壓，可調(diào)節(jié)輸出的光脈沖的通過控制外加電壓，可調(diào)節(jié)輸出的光脈沖的長短和頻率，把電訊號轉(zhuǎn)變成光訊號。長短和頻率，把電訊號轉(zhuǎn)變成光訊號。由于電光由于電光效應幾乎沒有慣性，

23、電訊號的控制速度可達效應幾乎沒有慣性，電訊號的控制速度可達10-9 m/s?！肮忾_關光開關”,“光調(diào)制器光調(diào)制器” “光斷續(xù)器光斷續(xù)器”有極有極快的速度啟閉光路或調(diào)制光強，目前廣泛應用于快的速度啟閉光路或調(diào)制光強，目前廣泛應用于高速攝影、電影、電視和激光通訊等許多領域。高速攝影、電影、電視和激光通訊等許多領域。第45頁/共51頁. .S1P2P透光軸相互垂直透光軸相互垂直電光晶體電光晶體+_KK 泡泡克爾克爾斯斯效應效應某些單軸晶體放在正交某些單軸晶體放在正交偏振片之間偏振片之間, ,在加電場后在加電場后,使它引起使它引起感生雙折射感生雙折射.第46頁/共51頁二、二、 旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象 對某

24、些晶體對某些晶體, ,當線偏振光沿其光軸方向傳播時當線偏振光沿其光軸方向傳播時, ,雖然不發(fā)生雖然不發(fā)生雙折射雙折射，但，但出射偏振光的振動面相對于出射偏振光的振動面相對于原入射光的振動面旋轉(zhuǎn)了一定的角度原入射光的振動面旋轉(zhuǎn)了一定的角度，這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱為為振動面的旋轉(zhuǎn)振動面的旋轉(zhuǎn)，也稱，也稱旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象。未放置未放置C，P2后視場黑暗后視場黑暗放置放置C后，旋轉(zhuǎn)后，旋轉(zhuǎn)P2一定角度，視場又變黑暗一定角度，視場又變黑暗. .CS1P2P過過濾濾器器 旋旋光光物物體體F第47頁/共51頁1、不同的旋光物質(zhì)可以使線偏振光的振動面不同的旋光物質(zhì)可以使線偏振光的振動面 向不同方向旋轉(zhuǎn)。向不同方向旋轉(zhuǎn)。2、振動面