第12章-光學(xué)3

1、1 12.11 光的橫波性與偏振現(xiàn)象光的橫波性與偏振現(xiàn)象 12.22 光在反射、折射時的偏振光在反射、折射時的偏振 12.13 光在晶體中的雙折射光在晶體中的雙折射 12.14 偏振光的干涉偏振光的干涉第第1212章章 光的偏振光的偏振2一、橫波與偏振現(xiàn)象一、橫波與偏振現(xiàn)象 機(jī)械橫波機(jī)械橫波的檢驗(yàn)的檢驗(yàn)若振動方向平行若振動方向平行AB AB 通通若把若把ABAB旋旋90900 0，則，則 不通不通AB只有橫波有偏振現(xiàn)象只有橫波有偏振現(xiàn)象 而縱波無偏振問題而縱波無偏振問題12.11 光的橫波性與偏振現(xiàn)象光的橫波性與偏振現(xiàn)象3P通通不通不通通光方向或通光方向或偏振化方向偏振化方向用用偏振片偏振片檢

2、驗(yàn)檢驗(yàn)光的橫波性光的橫波性通光方向通光方向41. 1. 線偏振光線偏振光uu線偏振光的圖示線偏振光的圖示也叫也叫面偏振光面偏振光 偏振光偏振光 完全偏振光完全偏振光二、光源的偏振狀態(tài)二、光源的偏振狀態(tài)在紙面內(nèi)振動在紙面內(nèi)振動垂直紙面的振動垂直紙面的振動5 一個原子一次發(fā)光一定是偏振光一個原子一次發(fā)光一定是偏振光 如何得到可實(shí)用的線偏振光呢如何得到可實(shí)用的線偏振光呢? ?特殊特殊光源光源如外腔式如外腔式激光器激光器更多的途徑是更多的途徑是從從普通光源中普通光源中獲取獲取 普通光源的偏振態(tài)普通光源的偏振態(tài) 通常是自然光和部分偏振光通常是自然光和部分偏振光62 2自然光自然光 普通光源發(fā)光：普通光源

3、發(fā)光：在人們觀察的時間內(nèi)在人們觀察的時間內(nèi) 有有無窮次無窮次的發(fā)光的發(fā)光按統(tǒng)計的觀點(diǎn)按統(tǒng)計的觀點(diǎn) 人們觀察到的將是：人們觀察到的將是： 在在垂直傳播方向的平面內(nèi)垂直傳播方向的平面內(nèi) 各個方向各個方向的光振動全有的光振動全有 各個振動各個振動方向的強(qiáng)度相等方向的強(qiáng)度相等7xyyxAA 在實(shí)際應(yīng)用中將光矢量分解為在實(shí)際應(yīng)用中將光矢量分解為振幅相等的兩個垂直分量振幅相等的兩個垂直分量視研究的問題決定如何取坐標(biāo)軸視研究的問題決定如何取坐標(biāo)軸如在從自然光中獲取偏振光時如在從自然光中獲取偏振光時偏振片的通光方向就是首選的坐標(biāo)軸偏振片的通光方向就是首選的坐標(biāo)軸y或或x圖示圖示各個方向振動全有各個方向振動全有

4、83.3.部分偏振光部分偏振光本質(zhì)上同自然光本質(zhì)上同自然光 但顯示出某個方向的振動較強(qiáng)些但顯示出某個方向的振動較強(qiáng)些 通光方向通光方向xAyAyxAA 用偏振片檢驗(yàn)用偏振片檢驗(yàn)圖示圖示分量占優(yōu)分量占優(yōu)分量占優(yōu)分量占優(yōu)9第一第一 如何判別光如何判別光源的偏振態(tài)源的偏振態(tài)偏振光的檢驗(yàn)偏振光的檢驗(yàn)三個基本途徑三個基本途徑原理：原理：二向色性二向色性 布儒斯特定律布儒斯特定律雙折射雙折射第二第二 如何從普通如何從普通光源中取得偏振光光源中取得偏振光從實(shí)用的角度從實(shí)用的角度 必須解決必須解決兩兩大問題大問題10偏偏振振化化方方向向自自然然光光振振線線偏偏光光偏振片偏振片第一種第一種從普通光源中獲取偏振光

5、的方法從普通光源中獲取偏振光的方法利用偏振片（二向色性）可以獲取偏振光利用偏振片（二向色性）可以獲取偏振光11三、偏振狀態(tài)的檢驗(yàn)三、偏振狀態(tài)的檢驗(yàn)入射光入射光出射光出射光觀察出射光觀察出射光強(qiáng)的變化強(qiáng)的變化偏振片偏振片( (檢偏器檢偏器) )minmaxII0消光消光minmaxII0I不變不變?nèi)肷涔馊肷涔馊肷涔馊肷涔馊肷涔馊肷涔饩€偏振線偏振自然光自然光部分偏振部分偏振光強(qiáng)變化光強(qiáng)變化12四、馬呂斯定律四、馬呂斯定律 線線偏振光偏振光通過偏振片后的光強(qiáng)通過偏振片后的光強(qiáng)0I？I2202cosAA 20cosII 反映光矢量對傳播方向不對稱反映光矢量對傳播方向不對稱線偏振光線偏振光cos0AAA

6、0 A13P2IIS SI光強(qiáng)光強(qiáng)I的自然光通過偏振片后光強(qiáng)變?yōu)槎嗌俚淖匀还馔ㄟ^偏振片后光強(qiáng)變?yōu)槎嗌? ?該偏振片可以從自然光中取得偏振光該偏振片可以從自然光中取得偏振光稱為起偏器稱為起偏器理想偏振片理想偏振片I14 例題例題. . 光強(qiáng)為光強(qiáng)為I 的一束自然光的一束自然光,依次通過三個偏振片依次通過三個偏振片P1 、P2 、P3 . 已知已知P1 和和 P3 的偏振化方向相互垂直的偏振化方向相互垂直, 且偏振片無吸收且偏振片無吸收. 設(shè)設(shè)P1 和和P2 的偏振化方向的夾角為的偏振化方向的夾角為, 若以入射光為軸旋轉(zhuǎn)若以入射光為軸旋轉(zhuǎn)P2 則通則通過這三個偏振片后的光強(qiáng)過這三個偏振片后的光強(qiáng)是

7、是_ ;當(dāng)當(dāng)為為_時時 I 有最有最大值大值_ .IP P1 1P P2 2P P3 3自然光自然光I15一、現(xiàn)象一、現(xiàn)象自然光入射在兩各向同性介質(zhì)表面自然光入射在兩各向同性介質(zhì)表面觀察反射光觀察反射光 折射光線的偏振狀態(tài)折射光線的偏振狀態(tài)1.1.一般入射角的情況一般入射角的情況反射光反射光 折射光都是折射光都是部分偏振光部分偏振光 反射光中反射光中 垂直入射垂直入射面振動占優(yōu)面振動占優(yōu)折射光中折射光中平行入射平行入射面振動占優(yōu)面振動占優(yōu)12.12 光在反射、折射時的偏振光在反射、折射時的偏振162.2.特殊入射角的情況特殊入射角的情況（1) 1) 兩光偏振狀態(tài)兩光偏振狀態(tài)反射光反射光 - -

8、 完全偏振光完全偏振光折射光折射光 - - 部分偏振光部分偏振光（2)2)反射光線與折射光反射光線與折射光線垂直線垂直( (起偏角起偏角或或布儒斯特角布儒斯特角 ) )1210nntgi入射角滿足入射角滿足17二、布儒斯特定律二、布儒斯特定律 1210nntgi光在兩各向同性介質(zhì)表面入射時光在兩各向同性介質(zhì)表面入射時如果入射角與兩介質(zhì)折射率存在下述關(guān)系如果入射角與兩介質(zhì)折射率存在下述關(guān)系平行入射面的光振動全透過平行入射面的光振動全透過這就是布儒斯特定律這就是布儒斯特定律思考：思考： 如果入射光中只有垂直入射面的振動分如果入射光中只有垂直入射面的振動分量則反射光和透射光的偏振狀態(tài)如何？量則反射光

9、和透射光的偏振狀態(tài)如何？18三、玻片堆可獲得兩束線偏振光三、玻片堆可獲得兩束線偏振光 2110nntgr1210nntgi200 ri作業(yè)：作業(yè)： 12.46 12.5119（C C）用偏光鏡用偏光鏡消除消除了了反射偏振光反射偏振光 使使玻璃門內(nèi)的人物玻璃門內(nèi)的人物清晰可見清晰可見（A A）玻璃門玻璃門表面的表面的反光很強(qiáng)反光很強(qiáng)（B B）用偏光鏡用偏光鏡減弱減弱了反射偏振光了反射偏振光20總結(jié)總結(jié) 從普通光源中獲得線偏振光的方法從普通光源中獲得線偏振光的方法1.1.利用各向異性物質(zhì)的利用各向異性物質(zhì)的二向色性二向色性 ( (偏振片偏振片) ) 物質(zhì)對振動方向顯現(xiàn)出物質(zhì)對振動方向顯現(xiàn)出吸收系數(shù)

10、吸收系數(shù)的不同的不同2.2.利用自然光在兩個各向同性介質(zhì)表面的利用自然光在兩個各向同性介質(zhì)表面的反射反射 ( (布儒斯特儀布儒斯特儀) ) 物質(zhì)對振動方向顯現(xiàn)出物質(zhì)對振動方向顯現(xiàn)出反射系數(shù)反射系數(shù)的不同的不同3.3.利用各向異性晶體的利用各向異性晶體的雙折射雙折射( (晶體偏振器晶體偏振器) ) 物質(zhì)對振動方向顯現(xiàn)出物質(zhì)對振動方向顯現(xiàn)出傳播速度傳播速度的不同的不同象象折射現(xiàn)折射現(xiàn)雙雙折射現(xiàn)折射現(xiàn)方解石晶體方解石晶體CaCO3紙面紙面 雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象12.13 光在晶體中的雙折射光在晶體中的雙折射 22一、各向異性晶體中的雙折射現(xiàn)象一、各向異性晶體中的雙折射現(xiàn)象自然光進(jìn)入各向異性晶體中自然

11、光進(jìn)入各向異性晶體中 光線？光線？方解石晶體方解石晶體現(xiàn)象：現(xiàn)象：(1)(1)兩束折射光兩束折射光服從折射定律服從折射定律尋常光線尋常光線o o 光光不服從折射定律不服從折射定律異常光線異常光線e e 光光23光光光光雙雙折折射射令方解石晶體繞光線旋轉(zhuǎn)令方解石晶體繞光線旋轉(zhuǎn)24光光光光雙雙折折射射25光光 光光雙雙折折射射26光光光光雙雙折折射射27（2) o2) o光光 e e光的光的 偏振狀態(tài)偏振狀態(tài)均是偏振光均是偏振光兩者振動方向兩者振動方向 近乎垂直近乎垂直需要需要進(jìn)一步進(jìn)一步解決的問題：解決的問題：（1) e1) e光在晶體內(nèi)的傳播方向？光在晶體內(nèi)的傳播方向？（2) o2) o光光

12、e e光的振動方向光的振動方向 ？需要先介紹晶體的基本知識需要先介紹晶體的基本知識28二、晶體的光軸二、晶體的光軸 光線的主平面光線的主平面1.1.光軸光軸( (方向方向) )在這個方向上在這個方向上 不發(fā)生雙折射不發(fā)生雙折射稱這個特殊方向?yàn)榫w的光軸稱這個特殊方向?yàn)榫w的光軸注意：注意：光軸在晶體內(nèi)光軸在晶體內(nèi)光軸是一個方向光軸是一個方向光軸光軸29 光線在晶體光線在晶體內(nèi)部內(nèi)部沿著光軸方向傳播沿著光軸方向傳播 不發(fā)生雙折射不發(fā)生雙折射分類：分類： 單軸晶體單軸晶體 雙軸晶體雙軸晶體 只有一個光軸方向只有一個光軸方向 有兩個光軸方向有兩個光軸方向方解石方解石 ( (冰洲石冰洲石) ) 石英石

13、英 云母云母 藍(lán)寶石藍(lán)寶石2.2.光線的主平面光線的主平面光線與光軸組成的平面稱該光線的主平面光線與光軸組成的平面稱該光線的主平面30方解石方解石eoe光的光的主平面主平面O光的光的主平面主平面一般情況下兩個光線主平面不重合一般情況下兩個光線主平面不重合特殊特殊情況下情況下光軸在入射面內(nèi)，光軸在入射面內(nèi)，兩個光線主平面重合，兩個光線主平面重合，此時，兩個光線的主平面可用入射面代替！此時，兩個光線的主平面可用入射面代替！31三、三、o光光 e光的振動方向光的振動方向 o光和光和e光都是線偏振光光都是線偏振光 振動方向怎樣說明呢？振動方向怎樣說明呢？ 必須由各光線的主平面來說明必須由各光線的主平面

14、來說明 光軸光軸oo o光的振動垂直光的振動垂直o o光的主平面光的主平面e光的振動在光的振動在e光的主平面內(nèi)光的主平面內(nèi)e兩光偏振方向垂直兩光偏振方向垂直3233四、惠更斯原理確定晶體中光線傳播方向四、惠更斯原理確定晶體中光線傳播方向 作圖法確定單軸晶體中作圖法確定單軸晶體中o o光和光和e光的傳播方向光的傳播方向1. o光光 e光的子波面光的子波面 注意注意: : 雙折射的本質(zhì)是傳播速度的各向異性雙折射的本質(zhì)是傳播速度的各向異性 o 光傳播的速度在各方向相等光傳播的速度在各方向相等( (各向同性各向同性) ) e 光傳播速度與方向有關(guān)光傳播速度與方向有關(guān)( (各向異性各向異性) ) 結(jié)論結(jié)

15、論: : o光的子波面光的子波面 一定是球面一定是球面 e光的子波面光的子波面 肯定不是球面肯定不是球面 34給出兩個給出兩個實(shí)驗(yàn)事實(shí)：實(shí)驗(yàn)事實(shí)：（1 1） 在光軸方向在光軸方向 e e光的速度等于光的速度等于o o光速度光速度 即即等于等于V Vo o（2 2） 在垂直光軸方向在垂直光軸方向 o o光光e e光兩個速度差別最大光兩個速度差別最大 與與o o光速度差別最大的速度光速度差別最大的速度 記做記做V Ve e 按按V Ve e與與V Vo o關(guān)系不同將晶體分為正負(fù)兩種關(guān)系不同將晶體分為正負(fù)兩種正晶體正晶體 負(fù)晶體負(fù)晶體 35正晶體正晶體 方解石方解石 負(fù)晶體負(fù)晶體 石英石英eonn和

16、和稱為晶體的主折射率稱為晶體的主折射率 與波長有關(guān)與波長有關(guān) )(oeoennVV )(oeoennVV光軸在入射面內(nèi)光軸在入射面內(nèi)o o光的子波面光的子波面e e光的子波面光的子波面光軸垂直入射面光軸垂直入射面負(fù)晶體的子波面負(fù)晶體的子波面e e光的子波面是以光軸為軸的旋轉(zhuǎn)橢球面光的子波面是以光軸為軸的旋轉(zhuǎn)橢球面362. 2. 惠更斯作圖惠更斯作圖法法(1) (1) 光軸平行晶體表面光軸平行晶體表面 自然光垂直入自然光垂直入射射 e o e o光軸光軸晶體晶體 o光和光和e光光在方向上雖沒分開，但速度上是在方向上雖沒分開，但速度上是分開的。分開的。仍仍產(chǎn)生雙折射產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象?，F(xiàn)象。37(2)

17、 (2) 光軸平行晶體表面，且垂直入射面，光軸平行晶體表面，且垂直入射面， 自然光斜入射自然光斜入射晶體晶體 光軸光軸ir0reo ot e eteo ect在此特殊情況下，在此特殊情況下，o光、光、e光均滿足折射定律。光均滿足折射定律。nrooci0sinsin nreeeci sinsin38(3) (3) 光軸與晶體表面斜交，自然光垂直入射光軸與晶體表面斜交，自然光垂直入射o e晶體晶體光軸光軸 e方解石方解石光軸光軸o eo此時此時e光的波面不再與其波射線垂直了光的波面不再與其波射線垂直了39一、典型裝置一、典型裝置PACAP 波晶片波晶片: : 光軸平行于入射表面的晶體薄片光軸平行于

18、入射表面的晶體薄片 兩個正交的偏振片兩個正交的偏振片 記做記做 三個元件表面平行三個元件表面平行 自然光正入射自然光正入射12.14 偏振光的干涉偏振光的干涉40在上述裝置下在上述裝置下 令單色自然光正入射令單色自然光正入射 分析各區(qū)光的偏振狀態(tài)分析各區(qū)光的偏振狀態(tài) 起偏器起偏器P后是線偏振光后是線偏振光 線偏振光經(jīng)波晶片線偏振光經(jīng)波晶片C后偏振態(tài)后偏振態(tài)? ? 強(qiáng)度強(qiáng)度? ? 檢偏器檢偏器A后的偏振態(tài)后的偏振態(tài)? ? 強(qiáng)度強(qiáng)度? ? PAC41二、線偏振光通過波晶片后的偏振狀態(tài)二、線偏振光通過波晶片后的偏振狀態(tài)d（3) ) o 光光 e 光的光程差光的光程差dnn)(eo結(jié)論結(jié)論: :（1)

19、1)o 光光 e 光傳播方向相同光傳播方向相同 同一點(diǎn)源發(fā)出的同一點(diǎn)源發(fā)出的o 光光 e 光不分開光不分開（2) ) o 光光 e 光振動方向垂直光振動方向垂直 o 光軸光軸 e 光軸光軸可以用光軸來說明可以用光軸來說明o e光光 振動方向振動方向線偏振光線偏振光與入射面與入射面有一夾角有一夾角oe42（4) 4) 線偏振光通過波晶片后的偏振狀態(tài)線偏振光通過波晶片后的偏振狀態(tài) 兩個同頻率的兩個同頻率的 振動方向垂直的振動方向垂直的 有確定相位差的有確定相位差的 簡諧振動的合成簡諧振動的合成 一般一般合成光矢量端點(diǎn)的軌跡是橢圓合成光矢量端點(diǎn)的軌跡是橢圓oA但但 每時刻每時刻都是都是線偏振光線偏振

20、光所以所以 稱為稱為橢圓偏振光橢圓偏振光eA光軸光軸434)(eodnn 特殊特殊1 1 若晶片厚度合適若晶片厚度合適 使使 o光光e光的光程差為光的光程差為 /4 波長波長 22eodnn相位差是相位差是正橢圓偏振光正橢圓偏振光光光軸軸eAoAoeAA 圓偏振光圓偏振光如果再讓如果再讓該波晶片叫四分之一波片該波晶片叫四分之一波片44 特殊特殊2 若晶片厚度合適若晶片厚度合適 使使o光光e光的光程差為光的光程差為 /2 波長波長稱該波晶片為二分之一波片稱該波晶片為二分之一波片( (或稱半波片或稱半波片) )經(jīng)二分之一波片后經(jīng)二分之一波片后 o光光e光相位差為光相位差為 合成為合成為線偏振光線偏振光相位差是相位差是)(2eodnn2)(eodnn