光的偏振與波片

1、關(guān)于光的偏振與波片現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第一頁(yè)，共36頁(yè)背景知識(shí) D0 Bt BE)(0rkEtjeEt DjHEj0 D0 BEDHBt BEt DH0Dk0BkBEkDHk現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二頁(yè)，共36頁(yè)kDESB(H)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三頁(yè)，共36頁(yè)在于光傳播方向的平面內(nèi)沿各方向振動(dòng)的光矢量呈分布任何取向的一個(gè)光矢量都可自然光可分解為表示方法表示方法 面對(duì)光的傳播方向yxEE 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四頁(yè)，共36頁(yè)一、線偏振光一、線偏振光光矢量只沿某一固定方向振動(dòng)的光為線偏振光 表示方法表示方法線偏振光也可以用傳播方向相同、相位相同或相差、振動(dòng)相互垂直的兩列光波的疊加描述光振動(dòng)平行紙面 光振動(dòng)垂直紙面現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第

2、五頁(yè)，共36頁(yè)二、部分偏振光二、部分偏振光部分偏振光在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)沿各方向振動(dòng)的光矢量都有，但振幅不對(duì)稱，在某一方向振動(dòng)較強(qiáng)，而與它垂直的方向上振動(dòng)較弱部分偏振光的光矢量可分解為兩個(gè)振幅不等、振動(dòng)相互垂直的獨(dú)立分振動(dòng) 表示方法表示方法 垂直紙面的光振動(dòng)較強(qiáng)平行紙面的光振動(dòng)較強(qiáng)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六頁(yè)，共36頁(yè)從自然光獲得線偏振光的過(guò)程稱從自然光獲得線偏振光的過(guò)程稱(1)(1)利用偏振片獲得偏振光利用偏振片獲得偏振光某些晶體對(duì)相互垂直的兩個(gè)光振動(dòng)分量具有選擇吸收的性某些晶體對(duì)相互垂直的兩個(gè)光振動(dòng)分量具有選擇吸收的性能，稱為能，稱為二向色性二向色性。將二向色性的晶體涂敷于透將二向色性的晶體涂

3、敷于透明薄片上，就成為明薄片上，就成為偏振片偏振片。制成偏振片后，其上有一制成偏振片后，其上有一特殊的方向，沿著該方向特殊的方向，沿著該方向的光振動(dòng)不被吸收的光振動(dòng)不被吸收偏振化偏振化方向。方向。用以判斷某束光是否是偏振光的器件稱作用以判斷某束光是否是偏振光的器件稱作(a)(a)二向色型偏振片二向色型偏振片 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七頁(yè)，共36頁(yè)自然光自然光I0線偏振光線偏振光I偏振化方向偏振化方向021II 起偏器起偏器自然光經(jīng)過(guò)起偏器后轉(zhuǎn)變成自然光經(jīng)過(guò)起偏器后轉(zhuǎn)變成強(qiáng)度為入射自然光強(qiáng)度的強(qiáng)度為入射自然光強(qiáng)度的1/2現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八頁(yè)，共36頁(yè)(b)(b)散射型偏振片散射型偏振片利用雙

4、折射晶體的散射利用雙折射晶體的散射起偏起偏NaNO3Zk2優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九頁(yè)，共36頁(yè)在自然光的光路中插入檢偏器，屏上光強(qiáng)減半在自然光的光路中插入檢偏器，屏上光強(qiáng)減半; ;檢偏器旋轉(zhuǎn)，屏上檢偏器旋轉(zhuǎn)，屏上亮暗無(wú)變化。亮暗無(wú)變化?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十頁(yè)，共36頁(yè)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十一頁(yè)，共36頁(yè)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十二頁(yè)，共36頁(yè) 偏振片對(duì)光的吸收遵從偏振片對(duì)光的吸收遵從馬呂斯定律馬呂斯定律0max0III ，02I，( (馬呂斯定律馬呂斯定律) ) 消光消光EEcos cosEE E cos 2II 當(dāng)當(dāng); 當(dāng)當(dāng)偏振化方向偏振化方向平行放置兩偏振片，使它們的偏振化方向成平行放置兩偏振片，使它們的偏振

5、化方向成6060 夾角。求透射光夾角。求透射光的光強(qiáng)與入射光的光強(qiáng)之比是多大？的光強(qiáng)與入射光的光強(qiáng)之比是多大？0121II 60cos2160cos20212III125. 08160cos21202II解解經(jīng)經(jīng)P P1 1后后: :經(jīng)經(jīng)P P2 2后后: :現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十三頁(yè)，共36頁(yè)一束自然光和線偏振光的混合光，垂直通過(guò)一偏振片。當(dāng)偏一束自然光和線偏振光的混合光，垂直通過(guò)一偏振片。當(dāng)偏振片以光線為軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)振片以光線為軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí), ,發(fā)現(xiàn)其最大光強(qiáng)為最小光強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)其最大光強(qiáng)為最小光強(qiáng)的5 5倍，求倍，求入射光中兩種光線光強(qiáng)的比值。入射光中兩種光線光強(qiáng)的比值。設(shè)自然光的光強(qiáng)為設(shè)自然光的

6、光強(qiáng)為I I0 0 , ,偏振光的光強(qiáng)為偏振光的光強(qiáng)為I IIII0max210min21IIminmax5II解解02II 210II入射光中自然光與線偏振光的光強(qiáng)之比為入射光中自然光與線偏振光的光強(qiáng)之比為1/21/2現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十四頁(yè)，共36頁(yè)有兩個(gè)偏振片，一個(gè)用作起偏器，一個(gè)用作檢偏器。當(dāng)它們的有兩個(gè)偏振片，一個(gè)用作起偏器，一個(gè)用作檢偏器。當(dāng)它們的偏振化方向之間的夾角為偏振化方向之間的夾角為30o時(shí)，一束單色自然光穿過(guò)它們，時(shí)，一束單色自然光穿過(guò)它們，出射光強(qiáng)為出射光強(qiáng)為I I1 1；當(dāng)它們的偏振化方向之間的夾角為；當(dāng)它們的偏振化方向之間的夾角為6060o o時(shí)，時(shí)，另一束單色自然光穿

7、過(guò)它們，出射光強(qiáng)為另一束單色自然光穿過(guò)它們，出射光強(qiáng)為I I2 2 ，且，且 I I1 1 = = I I2 2 ，求，求兩束單色自然光的強(qiáng)度之比。兩束單色自然光的強(qiáng)度之比。 解解設(shè)第一束單色自然光的強(qiáng)度為設(shè)第一束單色自然光的強(qiáng)度為I I1010 ，第二束單色自然光，第二束單色自然光的的強(qiáng)度強(qiáng)度為為I I2020 ，根據(jù)馬呂斯定律，根據(jù)馬呂斯定律 0210130cos2II 0220260cos2II21II 312010II現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十五頁(yè)，共36頁(yè) (2) (2)反射和折射產(chǎn)生的偏振反射和折射產(chǎn)生的偏振ib 布儒斯特角或起偏角布儒斯特角或起偏角自然光反射和折射后產(chǎn)生部分偏振光自然光反射

8、和折射后產(chǎn)生部分偏振光 ib+=90o 時(shí)，反射光為線偏振光時(shí)，反射光為線偏振光bbinnincossinsin2212112tannnnib 2n1ni i 線偏振光線偏振光bi 2n1nbi 布儒斯特定律布儒斯特定律815600. 150. 1arctan bi例例 n1 =1.00( (空氣空氣) )，n2 =1.50( (玻璃玻璃) )，則，則空氣空氣玻璃玻璃玻璃玻璃空氣空氣243350. 100. 1arctan bi現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十六頁(yè)，共36頁(yè)玻璃片堆玻璃片堆線偏振光線偏振光 bi I0I利用玻璃片堆可使反射光和透射利用玻璃片堆可使反射光和透射光成為線偏振光光成為線偏振光入射自然

9、光入射自然光bibibi現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十七頁(yè)，共36頁(yè)偏振分光鏡現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十八頁(yè)，共36頁(yè)(3) (3) 利用雙折射產(chǎn)生偏振利用雙折射產(chǎn)生偏振 方解石方解石s1R2R一束光入射到各向異性的介質(zhì)一束光入射到各向異性的介質(zhì)后出現(xiàn)兩束折射光線的現(xiàn)象。后出現(xiàn)兩束折射光線的現(xiàn)象。（a） 雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象各向同性介質(zhì)中，光波偏振可沿各向同性介質(zhì)中，光波偏振可沿方向方向各向異性介質(zhì)中，光波只有各向異性介質(zhì)中，光波只有 個(gè)特許的偏振方向個(gè)特許的偏振方向xyDoEoEeDekSez現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十九頁(yè)，共36頁(yè)方解石晶體方解石晶體( (冰洲石冰洲石) )（1 1）光軸是一特殊的方向光軸是一特殊的方向,

10、,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。（2 2）單軸晶體與雙軸晶體。單軸晶體與雙軸晶體。光軸光軸78o102o78o102o說(shuō)明說(shuō)明 光軸方向光軸方向其它方向，對(duì)某些晶體，其它方向，對(duì)某些晶體， ( (正晶體正晶體, ,石英石英),),對(duì)另一些晶體對(duì)另一些晶體 ( (負(fù)晶體負(fù)晶體, ,方解石方解石).).eovv eovv 光在晶體內(nèi)某個(gè)特殊方向傳播時(shí)，無(wú)雙折射現(xiàn)象。光在晶體內(nèi)某個(gè)特殊方向傳播時(shí)，無(wú)雙折射現(xiàn)象。（該方向稱為晶體的（該方向稱為晶體的光軸光軸。）。） 光軸光軸 光軸光軸 負(fù)晶體負(fù)晶體正晶體正晶體現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十頁(yè)，共36頁(yè)頓隅方解石晶體方解石晶體( (冰洲

11、石冰洲石) )光軸光軸78o102o78o102o現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十一頁(yè)，共36頁(yè)（b） 雙折射光的特性雙折射光的特性兩束折射光皆為線偏振光。兩束折射光皆為線偏振光。 o o 光光在入射面內(nèi)，遵從折射定律。在入射面內(nèi)，遵從折射定律。 e e 光光一般不在入射面內(nèi)，且不遵從折一般不在入射面內(nèi)，且不遵從折射定律。射定律。ioe1n2n說(shuō)明說(shuō)明 o o光光晶體內(nèi)沿各方向傳播速度相同，晶體內(nèi)沿各方向傳播速度相同，e e光光則隨折射方向而變化。則隨折射方向而變化。 尋常光與非尋常光（尋常光與非尋常光（o o光與光與e e光）光）o 光光e 光光 o o光光折射率不隨方向變化折射率不隨方向變化, ,e e

12、光光折射率隨方向變化。折射率隨方向變化?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十二頁(yè)，共36頁(yè) 主平面主平面晶體中光的傳播方向與晶體光軸構(gòu)成的平面。光軸與o光構(gòu)成的平面叫o光主平面。光軸與e光構(gòu)成的平面叫e光主平面。o光光光軸光軸o o 光光的主的主平面平面e光光光軸光軸e e 光光的主的主平面平面o光光矢量垂直其主平面，e光光矢量在其主平面內(nèi)。理論表明，當(dāng)光軸在入射面內(nèi)，兩主理論表明，當(dāng)光軸在入射面內(nèi)，兩主平面重合，平面重合，o、e光為相互完全垂直的線光為相互完全垂直的線偏振光。偏振光。 一般情況下兩主平面不完全重合，因而o、e光不完全垂直。光軸光軸e光光o光光現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十三頁(yè)，共36頁(yè) 如果能夠?qū)⑷绻軌?/p>

13、將 o 光和光和 e 光分開，就能獲得偏振光。由此人們制光分開，就能獲得偏振光。由此人們制造出了造出了尼科耳棱鏡尼科耳棱鏡（Nicol prism）。）。方解石晶體中的光軸方向與晶面成方解石晶體中的光軸方向與晶面成450。過(guò)光。過(guò)光軸與晶面垂直的平面為方解石晶體的軸與晶面垂直的平面為方解石晶體的主截面主截面制作尼科耳棱鏡的步驟：制作尼科耳棱鏡的步驟： 取長(zhǎng)度為寬度三倍的優(yōu)質(zhì)方解石，對(duì)兩端晶面取長(zhǎng)度為寬度三倍的優(yōu)質(zhì)方解石，對(duì)兩端晶面進(jìn)行打磨。進(jìn)行打磨。 再過(guò)兩頂點(diǎn)（這兩頂點(diǎn)相鄰的頂角均為鈍角）作切割再過(guò)兩頂點(diǎn)（這兩頂點(diǎn)相鄰的頂角均為鈍角）作切割（切割面垂直于主截面）（切割面垂直于主截面） 用加拿

14、大樹膠將切割面重新粘合起來(lái)用加拿大樹膠將切割面重新粘合起來(lái) 用內(nèi)壁涂黑的金屬筒（上下底為開口）封裝。用內(nèi)壁涂黑的金屬筒（上下底為開口）封裝。（c） 偏振棱鏡偏振棱鏡a. 偏振起偏棱鏡偏振起偏棱鏡現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十四頁(yè)，共36頁(yè) o光光加拿大樹膠加拿大樹膠光軸光軸下面分析一下自然光入射后如何得到平面偏振光下面分析一下自然光入射后如何得到平面偏振光(1) 入射角入射角i1 = 220 （方解石晶體對(duì)（方解石晶體對(duì) o 光折射率光折射率 no = 1.658；沿折射方向；沿折射方向?qū)?duì) e 光折射率光折射率 ne = 1.516） ，o 光折射角光折射角r1o = 130 ，e 光折射角光折射角 r

15、1e = 140 ；(2) 入射到加拿大樹膠（對(duì)入射光折射率入射到加拿大樹膠（對(duì)入射光折射率 n = 1.55），）， o 光入射角光入射角 i2o 770 ，發(fā)生全反射（臨界角為，發(fā)生全反射（臨界角為i0 700 ），最后從尼科爾棱鏡側(cè)壁射出被），最后從尼科爾棱鏡側(cè)壁射出被金屬筒吸收；金屬筒吸收； e 光則不會(huì)發(fā)生全反射，最后從棱鏡另一底面射出，為線偏光則不會(huì)發(fā)生全反射，最后從棱鏡另一底面射出，為線偏振光。振光。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十五頁(yè)，共36頁(yè)特點(diǎn)特點(diǎn)激光功率密度極高會(huì)破壞膠合層，入射光功率密度有限連續(xù)激光10W/cm2，脈沖激光104W/cm2稀缺貴重金屬，通光面積520mm對(duì)于鈉黃光，o

16、光臨界角69若選棱鏡低角71.5，棱鏡長(zhǎng)寬比3:1，有效孔徑7若選棱鏡低角81，棱鏡長(zhǎng)寬比6.3:1，有效孔徑40增大孔徑角，將要求增大棱鏡長(zhǎng)寬比，耗費(fèi)更大晶體材料，提高成本現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十六頁(yè)，共36頁(yè)膠合層空氣層提高抗損傷能力oenn1arcsin1arcsin連續(xù)激光100W/cm2，脈沖激光2104W/cm2適用紫外波段，能承受強(qiáng)光孔徑角不大，對(duì)于632.8nm，棱鏡長(zhǎng)寬比0.83，孔徑角8e光在接近臨界角的情況下通過(guò)方解石-空氣界面，反射損耗大，透過(guò)率不高現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十七頁(yè)，共36頁(yè)b. 偏振分束棱鏡偏振分束棱鏡特點(diǎn)特點(diǎn)第一塊棱鏡 第二塊棱鏡 o光e光偏離棱鏡法線e光o光靠近棱

17、鏡法線兩束光夾角 tan)(arcsin22eonn 光線分束角隨波長(zhǎng)緩慢變化現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十八頁(yè)，共36頁(yè)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)第一塊棱鏡 第二塊棱鏡 o光o光無(wú)偏折o光e光偏離棱鏡法線材料：石英只允許光從左方射入棱鏡白光入射，能得到無(wú)色散的線偏振光缺點(diǎn)缺點(diǎn)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十九頁(yè)，共36頁(yè)（1 1）偏振玻璃：）偏振玻璃： 按布儒斯特角方向拍照，可解決物體表面的反光問(wèn)題按布儒斯特角方向拍照，可解決物體表面的反光問(wèn)題. . 討論討論 縱波有無(wú)偏振現(xiàn)象縱波有無(wú)偏振現(xiàn)象? ?上述了獲得偏振光的幾種方法上述了獲得偏振光的幾種方法? ? 偏振光應(yīng)用實(shí)例偏振光應(yīng)用實(shí)例 在汽車前窗玻璃及燈上鍍上具有偏振化的光學(xué)晶體，使

18、其偏振在汽車前窗玻璃及燈上鍍上具有偏振化的光學(xué)晶體，使其偏振方向與水平方向成方向與水平方向成45450 0，可解決汽車夜間會(huì)車問(wèn)題，可解決汽車夜間會(huì)車問(wèn)題. . （2 2）偏振濾光片：）偏振濾光片：5. 5. 偏振光的檢驗(yàn)方法偏振光的檢驗(yàn)方法: : 利用偏振片檢驗(yàn)偏振光利用偏振片檢驗(yàn)偏振光現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十頁(yè)，共36頁(yè)橢圓偏振光：橢圓偏振光：定義定義圓偏振光圓偏振光 : :現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十一頁(yè)，共36頁(yè)利用兩頻率相同、振動(dòng)方向相互垂直、相位差為 的簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成的原理，可以得出 ：產(chǎn)生產(chǎn)生=2k, o, e光合成線偏振光=（2k+1），線偏振光=（2k+1）/2，圓偏振光其他值，橢圓偏振光現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十二頁(yè)，共36頁(yè)光軸和晶面平行的單軸晶片為定義定義dnneo)(222/20IOAeAMdCco0I 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十三頁(yè)，共36頁(yè)半波片線偏振光通過(guò)這種晶片后，仍是線偏振光，但其偏振化方向轉(zhuǎn)過(guò)了2 圓偏振光入射時(shí)，出射光是旋向相反的圓偏振光現(xiàn)在學(xué)