CH15波動光學3

1、P.1/30第15章 波動光學光波：光波：特定頻率范圍內(nèi)的電磁波特定頻率范圍內(nèi)的電磁波.光矢量：光矢量：電磁波的電場強度電磁波的電場強度 矢量矢量.E 電磁波是橫波，光矢量振動電磁波是橫波，光矢量振動方向與光傳播方向垂直方向與光傳播方向垂直. 只有橫波有偏振現(xiàn)象，而只有橫波有偏振現(xiàn)象，而縱波無偏振問題縱波無偏振問題.通光方向通光方向腰橫扁擔進不了城門腰橫扁擔進不了城門P.2/30第15章 波動光學15.7.1 光的偏振態(tài)光的偏振態(tài)1. 線偏振光線偏振光a.線偏振光：線偏振光：光矢量只沿光矢量只沿一個固定方向振動一個固定方向振動. b.振動面：振動面：光振動方向與光振動方向與傳播方向構成的平面?zhèn)?/p>

2、播方向構成的平面.2.圓偏振光和橢圓偏振光圓偏振光和橢圓偏振光橢圓偏振光橢圓偏振光(elliptically polarized light) 光矢量端點在垂直于光傳播方向光矢量端點在垂直于光傳播方向的截面內(nèi)描繪出橢圓軌跡的截面內(nèi)描繪出橢圓軌跡.檢偏器旋檢偏器旋轉一周，光強兩強兩弱轉一周，光強兩強兩弱.圓偏振光圓偏振光(circularly polarized light) 光矢量端點在垂直于光傳播方向光矢量端點在垂直于光傳播方向的截面內(nèi)描繪出圓形軌跡的截面內(nèi)描繪出圓形軌跡.檢偏器檢偏器旋轉一周，光強無變化旋轉一周，光強無變化.P.3/30第15章 波動光學3.自然光自然光 因原子發(fā)光的因原子

3、發(fā)光的“隨機性隨機性”，光矢量各向隨機均勻分布，振光矢量各向隨機均勻分布，振幅相等，稱為幅相等，稱為自然光自然光.EvEyExv自然光的圖示法：自然光的圖示法：各向光振動無固定相位關系各向光振動無固定相位關系.4.部分偏振光部分偏振光 一方向光振動較另其他方向一方向光振動較另其他方向占優(yōu)勢占優(yōu)勢.線偏振光與自然光的混線偏振光與自然光的混合合.P.4/30第15章 波動光學1.偏振片偏振片偏振化方向偏振化方向自然光自然光線偏振光線偏振光15.7.2 偏振片偏振片 馬呂斯定律馬呂斯定律 (1)偏振片：偏振片： 能吸收某一方向能吸收某一方向的光振動，而只讓與之垂直的光振動，而只讓與之垂直方向上的光振

4、動通過方向上的光振動通過 的一種的一種透明薄片透明薄片.(3) 自然光經(jīng)起偏后光強變化自然光經(jīng)起偏后光強變化 忽略偏振片的吸收，線偏振忽略偏振片的吸收，線偏振光強為入射自然光強的一半光強為入射自然光強的一半.(2)偏振化方向：偏振化方向：允許通過的光振動方向允許通過的光振動方向.偏振片的用途：偏振片的用途：“起偏起偏”和和“檢偏檢偏”自然光自然光偏振光偏振光 偏振光偏振光起偏起偏檢偏檢偏P.5/30第15章 波動光學2. 馬呂斯定律馬呂斯定律I0I0A1A2A 光強為光強為I0的線偏振光，透過的線偏振光，透過偏振片后，透射強度為：偏振片后，透射強度為：20cosII 0,0II 當：當：023

5、,2I當當：馬呂斯定律的驗證實驗：馬呂斯定律的驗證實驗：線線偏振光有兩次消光現(xiàn)象偏振光有兩次消光現(xiàn)象 例例15-14.已知自然光通過兩已知自然光通過兩個偏振化方向相交個偏振化方向相交60的偏振的偏振片，透射光強為片，透射光強為I1，今在，今在 這兩這兩偏振片之間再插入另一偏振片，偏振片之間再插入另一偏振片，它的偏振化方向與前兩個偏振它的偏振化方向與前兩個偏振片的偏振化方向均夾片的偏振化方向均夾30角，角，則透射光強為多少？則透射光強為多少？P.6/30第15章 波動光學解解:依題意依題意0I20II 1I21cosII60cos2II4114II III 30cos2II30cos421I13

6、I 43330cos12III149I 例例15-14.已知自然光通過兩已知自然光通過兩個偏振化方向相交個偏振化方向相交60的偏振的偏振片，透射光強為片，透射光強為I1，今在，今在 這兩這兩偏振片之間再插入另一偏振片，偏振片之間再插入另一偏振片，它的偏振化方向與前兩個偏振它的偏振化方向與前兩個偏振片的偏振化方向均夾片的偏振化方向均夾30角，角，則透射光強為多少？則透射光強為多少？例例15-15.一束光由自然光和線一束光由自然光和線偏振光混合組成，當它通過一偏偏振光混合組成，當它通過一偏振片時，發(fā)現(xiàn)透射光的強度隨偏振片時，發(fā)現(xiàn)透射光的強度隨偏振片的轉動可以變化到振片的轉動可以變化到5倍倍.求入求

7、入射光中自然光和線偏振光的強度射光中自然光和線偏振光的強度各占入射光強度的幾分之幾？各占入射光強度的幾分之幾？P.7/30第15章 波動光學解解:設入射光強度：設入射光強度：I0 ； 自然光強度：自然光強度：I10 ； 偏振光強度偏振光強度: I2020100III設通過偏振片后的光強分別為：設通過偏振片后的光強分別為： I ， I1 ， I210121II2202cosII 2201021cos21IIIII2010max210IIII時時10min2190III時時minmax5II10201021521III10202II31010II32020II20100III21III例例15-1

8、5.一束光由自然光和線一束光由自然光和線偏振光混合組成，當它通過一偏偏振光混合組成，當它通過一偏振片時，發(fā)現(xiàn)透射光的強度隨偏振片時，發(fā)現(xiàn)透射光的強度隨偏振片的轉動可以變化到振片的轉動可以變化到5倍倍.求入求入射光中自然光和線偏振光的強度射光中自然光和線偏振光的強度各占入射光強度的幾分之幾？各占入射光強度的幾分之幾？P.8/30第15章 波動光學偏振片的應用偏振片的應用立體電影立體電影P.9/30第15章 波動光學2n1n0ii900i2n1n一、反射和折射的起偏一、反射和折射的起偏折射光、反射光均為部分偏振光折射光、反射光均為部分偏振光折射光：折射光：入射面內(nèi)的光矢量入射面內(nèi)的光矢量大于大于垂

9、直入射面的光矢量；垂直入射面的光矢量；反射光：反射光：入射面內(nèi)的光矢量入射面內(nèi)的光矢量小于小于垂直入射面的光矢量垂直入射面的光矢量.此時，反射光為線偏振光此時，反射光為線偏振光)90cos(sincossintan0000iiii120sinsinnni即：即：120tannni P.10/30第15章 波動光學布儒斯特角：布儒斯特角：120arctannni 布儒斯特定律布儒斯特定律: 自然光以布儒斯特角入射到自然光以布儒斯特角入射到兩不同介質(zhì)表面，其反射光為兩不同介質(zhì)表面，其反射光為線偏振光，光振動垂直于入射線偏振光，光振動垂直于入射面面.2n1n0i120tannni 900iP.11/

10、30第15章 波動光學玻璃堆玻璃堆0i布儒斯特角布儒斯特角線偏振光線偏振光P.12/30第15章 波動光學 用偏光鏡用偏光鏡消除消除了了反射偏振光，使玻反射偏振光，使玻璃門內(nèi)的人物清晰璃門內(nèi)的人物清晰可見可見. .P.13/30第15章 波動光學流水畫P.14/30第15章 波動光學方解石晶體雙折射現(xiàn)象方解石晶體雙折射現(xiàn)象(CaCO3 )尋常光線尋常光線(o光光)： 恒遵守通常折射定律的光線恒遵守通常折射定律的光線.非常光線非常光線(e光光)： 不遵守通常折射定律的光線不遵守通常折射定律的光線.檢偏器檢驗表明：檢偏器檢驗表明： o光和光和e光都是線偏振光光都是線偏振光.光軸光軸:在晶體中存在一

11、個特殊的方向，在晶體中存在一個特殊的方向，沿該方向不會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，沿該方向不會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，這一方向稱為這一方向稱為晶體的光軸晶體的光軸.15.9.1 晶體雙折射現(xiàn)象的晶體雙折射現(xiàn)象的基本規(guī)律基本規(guī)律P.15/30第15章 波動光學 主平面主平面:包含光軸和某光線包含光軸和某光線的平面稱該光線的主平面的平面稱該光線的主平面.o光振動光振動垂直垂直其主平面其主平面e光振動光振動平行平行其主平面其主平面 主截面主截面:包含光軸和晶面法包含光軸和晶面法線的平面線的平面. 入射光在主截面內(nèi)時，入射光在主截面內(nèi)時，兩主平面重合兩主平面重合.單軸晶體：單軸晶體：方解石方解石 石英石英 紅寶石紅寶石雙

12、軸晶體：雙軸晶體：云母云母 硫磺硫磺 藍寶石藍寶石o光在晶體中各方向傳播速度光在晶體中各方向傳播速度相同相同.e光在晶體中各方向傳播速度光在晶體中各方向傳播速度不同不同.15.9.2 惠更斯原理解釋惠更斯原理解釋雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象ovev1.單軸晶體中光波的波面單軸晶體中光波的波面正晶體正晶體eovv P.16/30第15章 波動光學ovev15.9.2 惠更斯原理解釋惠更斯原理解釋雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象1.單軸晶體中光波的波面單軸晶體中光波的波面正晶體正晶體eovv eevcn oovcn 2.主折射率主折射率:evoveoeonn vv負晶體負晶體(negative crystal)正晶體

13、正晶體(positive crystal)eoeonn vv 為為e光在旋轉橢球光在旋轉橢球長短軸方向上的折射率長短軸方向上的折射率.eonn 、P.17/30第15章 波動光學iCAB3.惠更斯作圖法惠更斯作圖法無雙折射現(xiàn)象無雙折射現(xiàn)象P.18/30第15章 波動光學 o光和光和e光都不折射，但速度和折射率不同，所以兩波面并光都不折射，但速度和折射率不同，所以兩波面并不重合不重合.由惠更斯原理解釋雙折射現(xiàn)象：由惠更斯原理解釋雙折射現(xiàn)象：P.19/30第15章 波動光學P.20/30第15章 波動光學15.9.3 偏振棱鏡偏振棱鏡(polarizing prism)1、尼科耳棱鏡、尼科耳棱鏡(

14、Nicol prism) 是將天然的方解石晶體按是將天然的方解石晶體按一定的要求加工成兩塊直角一定的要求加工成兩塊直角棱鏡，然后再用特種樹膠把棱鏡，然后再用特種樹膠把它們粘合起來制成一塊斜長它們粘合起來制成一塊斜長方形的光學棱鏡方形的光學棱鏡.樹膠的折射率：樹膠的折射率：55. 1no光的折射率：光的折射率：1.658one光的主折射率：光的主折射率：1.486enoennnoeACNMP.21/30第15章 波動光學2、沃拉斯頓棱鏡、沃拉斯頓棱鏡 兩塊光軸互相垂直的棱兩塊光軸互相垂直的棱鏡粘接而成，可使兩束線鏡粘接而成，可使兩束線偏振光分開偏振光分開.樹膠的折射率：樹膠的折射率：55. 1n

15、o光的折射率：光的折射率：1.658one光的主折射率：光的主折射率：1.486enoennnoeACNMP.22/30第15章 波動光學15.10.1 偏振光干涉偏振光干涉 從偏振片從偏振片P得到的線偏振光得到的線偏振光經(jīng)過晶片經(jīng)過晶片C后，成為兩束相互后，成為兩束相互之間有相位差而振動方向互相之間有相位差而振動方向互相垂直的垂直的o光和光和e光光.(相位差不等相位差不等于于 的整數(shù)倍時，構成橢圓偏的整數(shù)倍時，構成橢圓偏振光振光.) 橢圓偏振光再穿過一橢圓偏振光再穿過一個偏振片個偏振片A后，由于偏振后，由于偏振片只有一個偏振化方向，片只有一個偏振化方向，所以通過偏振片后，這所以通過偏振片后，

16、這兩束互相垂直的同頻率、兩束互相垂直的同頻率、相位差恒定的光，具有相位差恒定的光，具有了同一個振動方向，因了同一個振動方向，因此這兩束光成了相干的此這兩束光成了相干的偏振光偏振光.P.23/30第15章 波動光學 表示表示o光和光和e光通過偏振光通過偏振片片A時時,在平行其偏振化方在平行其偏振化方向的分振動，它們就是透向的分振動，它們就是透過偏振片過偏振片A的相干光的相干光.若為若為復色光入射時，晶體對不復色光入射時，晶體對不同波長的光干涉條件各不同波長的光干涉條件各不相同，因此在檢偏器后應相同，因此在檢偏器后應看到不同的顏色，這種情看到不同的顏色，這種情況，我們稱之為況，我們稱之為色偏振色偏

17、振(chromatic polarization). A1表示入射偏振光的光矢表示入射偏振光的光矢量，量，Ao和和Ae分別為分別為A1在平行在平行和垂直于晶體主截面方向上的和垂直于晶體主截面方向上的分量分量A2o和和A2e.P.24/30第15章 波動光學經(jīng)晶片：經(jīng)晶片： o光和光和e光的位相差為光的位相差為dnneo)(21P2P1AeAoA振幅為振幅為sin1oAA cos1AAeeA2oA2-滿足相干條件滿足相干條件經(jīng)經(jīng)振幅為：振幅為：cos2ooAAsin2eeAAsincos1Asincos1A dnneo)(2討論：討論：干涉極大，視場最亮干涉極大，視場最亮.2122eokdnnk

18、 或當干涉極小，視場最暗干涉極小，視場最暗.kdnnkeo12或當P.25/30第15章 波動光學色偏振色偏振P.26/30第15章 波動光學15.10.2 人為雙折射人為雙折射 有些各向同性的非晶體或液有些各向同性的非晶體或液體，受外界的人為因素影響而體，受外界的人為因素影響而轉變?yōu)楦飨虍愋?，呈現(xiàn)出雙折轉變?yōu)楦飨虍愋裕尸F(xiàn)出雙折射現(xiàn)象射現(xiàn)象.這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為人為雙折人為雙折射射.1.光彈性效應光彈性效應(photoelastic effect) 某些非晶體物質(zhì)，在力的作某些非晶體物質(zhì)，在力的作用下發(fā)生形變時，將失去非晶用下發(fā)生形變時，將失去非晶體的各向同性的特征而具有晶體的各向同性的

19、特征而具有晶體的性質(zhì)，從而也能呈現(xiàn)出雙體的性質(zhì)，從而也能呈現(xiàn)出雙折射現(xiàn)象折射現(xiàn)象.P.27/30第15章 波動光學應用：光開關應用：光開關.S1P2Pp1p2透光軸相互垂直透光軸相互垂直EC克克爾爾盒盒222dVkldVE 202)(2klEnnle2.電光效應電光效應(electrooptical effect)(克爾效應克爾效應) 某些各向同性的非晶體或液體等透明物質(zhì)，在強電場作用某些各向同性的非晶體或液體等透明物質(zhì)，在強電場作用下，使分子定向排列，能變?yōu)楦飨虍愋远@示雙折射現(xiàn)象下，使分子定向排列，能變?yōu)楦飨虍愋远@示雙折射現(xiàn)象電致雙折射電致雙折射.2KEnneoK-克爾常數(shù)克爾常數(shù)P.28/30第15章 波動光學15.10.3 旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象 1.旋光現(xiàn)象：旋光現(xiàn)象：偏