大學(xué)物理 波動(dòng)光學(xué)

1、(ppt)波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué) 目錄目錄 第一章第一章 光的干涉光的干涉 第二章第二章 光的衍射光的衍射 第三章第三章 光的偏振光的偏振第一章第一章 光的干涉光的干涉（Interference of Interference of lightlight）1 1 光源的發(fā)光特性光源的發(fā)光特性一一. . 光光源源光源的最基本發(fā)光單元是分子、原子光源的最基本發(fā)光單元是分子、原子 = (E2-E1)/hE1E2能級(jí)躍遷輻射能級(jí)躍遷輻射波列波列波列長波列長L = c1. 1. 普通光源：普通光源：自發(fā)輻射自發(fā)輻射獨(dú)立獨(dú)立(不同不同原子發(fā)的光原子發(fā)的光)獨(dú)立獨(dú)立(同一原子先后發(fā)的光同一原子先后發(fā)的光)2. 2

2、. 激光光源：激光光源：受激輻射受激輻射 = (E2-E1)/hE1E2 完全一樣完全一樣(頻率頻率,位相位相,振動(dòng)方向振動(dòng)方向,傳播方向傳播方向)二二. . 光的相干性光的相干性 1. 1. 兩列光波的疊加兩列光波的疊加( (只討論只討論電振動(dòng)電振動(dòng)) ) 2121,EEE令令光光矢矢量量，p12r1r2)cos(1101 tEE)cos(2202 tEEP: 1 2 E0E10E20)cos(021 tEEEE cos2201022021020EEEEE12 cos 2 2121 IIIII 非 相 干 光非 相 干 光源源 0cos I = I I = I 1 1 + + I I 2 2

3、 非相干非相干疊加疊加 完全完全相干光源相干光源 coscos相長干涉（明）相長干涉（明） ,2 k 2121max2IIIIII ( (k k = = 0,1,2,3) 0,1,2,3) 相消干涉（暗）相消干涉（暗） ,)12( k2121min2IIIIII ( (k k = = 0,1,2,3) 0,1,2,3) minmaxminmaxIIIIV 2. 2. 條紋襯比度條紋襯比度（對(duì)比度，反襯度）（對(duì)比度，反襯度）21II 21II Io 2 -2 4 -4 4I13.3.普通光源獲得相干光的途徑普通光源獲得相干光的途徑pS * *分波面法分波面法分振幅法分振幅法p薄膜薄膜S S *

4、*襯比度差襯比度差 ( (V V ，D d D d ( (d d 10 10 -4-4m, D m, D m m) )波程差：波程差：Dxdddrr tgsin12相位差：相位差： 2 明紋明紋2 , 1 , 0 , , kdDkxkk 暗紋暗紋 2)1 2( ,2)1 2( )12( dDkxkk 條紋間距條紋間距 dDx (1) (1) 一系列平行的明暗相間的條紋；一系列平行的明暗相間的條紋； (3) (3) 中間級(jí)次低；中間級(jí)次低；明紋明紋: : k k ，k k =1,2,3( =1,2,3(整數(shù)整數(shù)級(jí)級(jí)) )暗紋暗紋: : (2(2k k+1)/2 (+1)/2 (半整半整數(shù)級(jí)數(shù)級(jí))

5、 )(4)(4) x 條紋特點(diǎn)條紋特點(diǎn)：(2) (2) 不太大時(shí)條紋等間距；不太大時(shí)條紋等間距；某條紋級(jí)次某條紋級(jí)次 = = 該條紋相應(yīng)的該條紋相應(yīng)的 ( (r r2 2-r-r1 1)/)/ 二二 . . 光強(qiáng)公式光強(qiáng)公式,cos22121 IIIII若若 I I1 1 = = I I2 2 = = I I0 0 , ,2cos420 II則則)2sin( d 光強(qiáng)曲線光強(qiáng)曲線I0 2 -2 4 -4 k012-1-24I0 x0 x1x2x -2x -1sin 0 /d- /d-2 /d2 /d3 3 其他分波面干涉實(shí)驗(yàn)其他分波面干涉實(shí)驗(yàn)( (自學(xué)自學(xué)) )4 4 空間相干性空間相干性一一

6、. . 空間相干性的概念空間相干性的概念光源寬度對(duì)干涉條紋襯比度的影響光源寬度對(duì)干涉條紋襯比度的影響設(shè)光源寬度為設(shè)光源寬度為b bBDI非相干疊加非相干疊加+1L0N0M0Lb/2d /2LMNS1S2xI合成光強(qiáng)合成光強(qiáng)0N x+1L0M0L-1N=D/d/d二二. . 極限寬度極限寬度當(dāng)光源當(dāng)光源寬度寬度b b增大到某個(gè)增大到某個(gè)寬度寬度b b0 0時(shí)，干涉條時(shí)，干涉條設(shè)設(shè)BBd d和和b b )()(1122rrrr( (一級(jí)明紋一級(jí)明紋) )22sin Dxdd紋剛好消失，紋剛好消失，b b0 0稱為稱為光源的極限寬度。光源的極限寬度。do DB+1L r2r1 r1 r2 單色光源單

7、色光源b0 /2xLx /2 Bbdd2sin0 ( ( B B b b0 0 ,d ,d ) ) Bbd220 dBb 0光源的極限寬度光源的極限寬度0bb 時(shí)，才能觀察到干涉條紋。時(shí)，才能觀察到干涉條紋。do DB+1L r2r1 r1 r2 單色光源單色光源b0 /2xLx /2 三三. . 相干間隔和相干孔徑角相干間隔和相干孔徑角1. 1. 相干間隔相干間隔若若 b b 和和 B B一定，則要得到干涉條紋，必一定，則要得到干涉條紋，必須須)(00 bBddd 相干間隔相干間隔d0越大，光場的空間相干性越好。越大，光場的空間相干性越好。2. 2. 相干孔徑角相干孔徑角S1S2b 0d0B

8、bBd 00相干孔徑角相干孔徑角 0 0 越大空間相干性越大空間相干性越好好。激光光源可以不受以上限制激光光源可以不受以上限制在在0 0 范圍內(nèi)的光場中，正對(duì)光源的平面范圍內(nèi)的光場中，正對(duì)光源的平面上的任意兩點(diǎn)的光振動(dòng)是相干的。上的任意兩點(diǎn)的光振動(dòng)是相干的。四四. . 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例1.1.測遙遠(yuǎn)星體的測遙遠(yuǎn)星體的角直徑：角直徑：Bb bdB 星體星體bdB 星體星體 bBd00 d 考慮到衍射的影響，有考慮到衍射的影響，有022. 1d M1M2M3M4屏屏測星干涉儀測星干涉儀2.2.屏上條紋消失時(shí)，反射屏上條紋消失時(shí)，反射鏡鏡M M1 1M M4 4間的距離就是間的距離就是d d0 0，

9、 測獵戶座星測獵戶座星 nmnm測得測得m07. 30 d047. 022. 10 d 得得使使d d = =d d0 0則條紋消失則條紋消失一一. . 光的非單色性光的非單色性1.1.理想的單色光理想的單色光 、 2.2.準(zhǔn)單色光、譜線寬準(zhǔn)單色光、譜線寬度度 準(zhǔn)單色光：準(zhǔn)單色光：在某個(gè)在某個(gè)中心波長（頻率）中心波長（頻率）附附近有一定近有一定波長（頻率）范圍波長（頻率）范圍的光。的光。 譜線寬度：譜線寬度： 0 oII0I0 /2 譜線寬度譜線寬度(1) (1) 自然寬自然寬度度 Ei+1 Ei+1Ei EihEEii1 5 5 時(shí)間相干性時(shí)間相干性 造成譜線寬度的原因造成譜線寬度的原因(2

10、) (2) 多普勒增多普勒增寬寬 T ，T(3) (3) 碰撞增寬碰撞增寬 p )( ，一一定定Tpz二二. . 非單色性對(duì)干涉條紋的影響非單色性對(duì)干涉條紋的影響0123456012345Ix - (/2) + (/2)合成光強(qiáng)合成光強(qiáng))2)(1()2( MMkk 干涉的最大級(jí)次干涉的最大級(jí)次 Mk三三. . 相干長度與相干時(shí)間相干長度與相干時(shí)間1.1.相干長度相干長度 兩列波能發(fā)生干涉的最大波程差兩列波能發(fā)生干涉的最大波程差 2MMk ：中心波中心波長長SS1S2c1c2b1b2a1a2 pS1S2Sc1c2b1b2a1a2p注注: 等代表波列等代表波列只有同一波列分成的兩部分經(jīng)不同的光程只

11、有同一波列分成的兩部分經(jīng)不同的光程再相遇時(shí)才能發(fā)生干涉。再相遇時(shí)才能發(fā)生干涉。波列長度就是波列長度就是相干長度相干長度 McM 光通過相干長度所需時(shí)間光通過相干長度所需時(shí)間2.2.相干時(shí)間相干時(shí)間6 6 光程光程一一. . 光程、光程差光程、光程差 真空中真空中dab 2dab 媒質(zhì)媒質(zhì)中中abndn n媒質(zhì)媒質(zhì) 2nabd n n媒質(zhì)中波長媒質(zhì)中波長nncncun / 2nd 光程光程 : : L L = = ndnd 真空中波真空中波長長n1n2nmd1d2dm 光程差光程差 ： = = L L2 2 - - L L1 1 2 例例 S1S2r1r2dnpP P: : 122LL 122r

12、nddr dnrr1212 二二. .使用透鏡不會(huì)產(chǎn)生附加光程使用透鏡不會(huì)產(chǎn)生附加光程差差S acbS物點(diǎn)到象點(diǎn)各光線之間的物點(diǎn)到象點(diǎn)各光線之間的光程差為零光程差為零相位差和光程差的關(guān)系：相位差和光程差的關(guān)系：光程光程 L L = = ( ( n ni i d di i ) )7 7 薄膜干涉薄膜干涉 ( (一一) ) 等厚條紋等厚條紋一一. . 劈尖（劈形膜）劈尖（劈形膜）夾角很小的兩個(gè)平面所構(gòu)成的薄膜夾角很小的兩個(gè)平面所構(gòu)成的薄膜rad 101054 ： e n n n A反射光反射光2反射光反射光1單色平行光單色平行光(設(shè)設(shè)n n ) S121 1、2 2兩束反射光來自同兩束反射光來自同

13、一一 束入射光，它們可束入射光，它們可以產(chǎn)生干涉以產(chǎn)生干涉 。 e n n nA反射光反射光2反射光反射光1入射光入射光(單色平單色平行光垂直入射行光垂直入射)(設(shè)設(shè)n n )A: 1A: 1、2 2的光程差的光程差)(22ene 明紋：明紋：1,2,3,= ,)(kke 暗紋：暗紋：0,1,2,= ,2)1 2()(kke 同一厚度同一厚度e e對(duì)應(yīng)同一級(jí)條紋對(duì)應(yīng)同一級(jí)條紋等厚條紋等厚條紋光程差可光程差可簡化為簡化為圖示情況計(jì)算。圖示情況計(jì)算。實(shí)際應(yīng)用中實(shí)際應(yīng)用中,大都是平行光大都是平行光垂直入射垂直入射到劈尖上。到劈尖上。考慮到劈尖考慮到劈尖夾角極小夾角極小, 反射光反射光1、 2在膜面的

14、在膜面的 L eekek+1明紋明紋暗紋暗紋條紋間距條紋間距 eL 又又 en2 nL2 二二. . 牛頓環(huán)牛頓環(huán) .S分束鏡分束鏡M顯微鏡顯微鏡o erR平晶平晶平凸透鏡平凸透鏡 暗環(huán)暗環(huán) o 牛頓環(huán)牛頓環(huán)裝置簡圖裝置簡圖平凸透鏡平凸透鏡平晶平晶光程差：光程差：22 eeeRRr 2)(222R Rre22 (1)(1)2)12(22 ke (k k = 0, 1, = 0, 1, 2, )2, )(2)第第k k個(gè)個(gè)暗環(huán)半徑暗環(huán)半徑kkRrk 暗環(huán)：暗環(huán)：三三. . 等厚條紋的應(yīng)用等厚條紋的應(yīng)用1. 1. 劈尖的應(yīng)劈尖的應(yīng)用用 nL2 測波長：測波長：已知已知、n n，測，測L L可得可得

15、 測折射率：測折射率：已知已知、，測測L L可得可得n n 測細(xì)小直徑、厚度、微小變化測細(xì)小直徑、厚度、微小變化h h待測塊規(guī)待測塊規(guī)標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)平晶平晶 測表面不平度測表面不平度等厚條紋等厚條紋待測工件待測工件平晶平晶2. 2. 牛頓環(huán)的應(yīng)牛頓環(huán)的應(yīng)用用 mRrrkmk 22 測透鏡球面的半徑測透鏡球面的半徑R R： 已知已知 , , 測測 m m、r rk+mk+m、r rk k，可可得得R R 。 測波長測波長： 已知已知R R，測出測出m m 、 r rk+mk+m、r rk k， 可可得得。 檢驗(yàn)透鏡球表面質(zhì)量檢驗(yàn)透鏡球表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)規(guī)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)規(guī)待測透鏡待測透鏡暗紋暗紋 8 8 薄

16、膜干涉（二）薄膜干涉（二） 等傾條等傾條紋紋一一. . 點(diǎn)光源照明時(shí)的干涉條紋分點(diǎn)光源照明時(shí)的干涉條紋分析析L fPo r環(huán)環(huán)B en n n n i rA CD21Siii光束光束1 1、2 2的光程差：的光程差：2 )( ADnBCABnreBCABcos iACADsin iresintg2 2cossinsin 2cos2 rirenrnerninsinsin 得得2cos2 rne )(2sin 2222iinne 或或明紋明紋, 3 , 2 , 1 ,)( kki 暗紋暗紋 , 2 , 1 , 0,212 kki 傾角傾角i i相同的光線對(duì)應(yīng)同一條干涉條紋相同的光線對(duì)應(yīng)同一條干涉條

17、紋 等傾條紋。等傾條紋。 形狀形狀: :條紋特點(diǎn)條紋特點(diǎn): :一系列同心圓環(huán)一系列同心圓環(huán)r r環(huán)環(huán)= = f f tgtg i i 條紋間隔分布條紋間隔分布: :內(nèi)疏外密內(nèi)疏外密 條紋級(jí)次分布條紋級(jí)次分布: :e e一定時(shí)一定時(shí)， krik 波長對(duì)條紋的影響波長對(duì)條紋的影響: : kriek , , 一一定定 kriek,一一定定 膜厚變化時(shí)膜厚變化時(shí), ,條紋的移動(dòng)：條紋的移動(dòng)：二二. . 面光源照明時(shí)，干涉條紋的分析面光源照明時(shí)，干涉條紋的分析iPifor環(huán)環(huán)en n n n 面光源面光源只要入射角只要入射角i i相同，都將匯聚在同一個(gè)干涉相同，都將匯聚在同一個(gè)干涉環(huán)上（非相干疊加）環(huán)上

18、（非相干疊加）三三. . 應(yīng)用：應(yīng)用：增透增透( (射射) )膜和增反射膜膜和增反射膜 （自學(xué)書（自學(xué)書P130P130例例2 2）9 9 邁克耳遜干涉儀邁克耳遜干涉儀一一. . 儀器結(jié)構(gòu)、光路儀器結(jié)構(gòu)、光路二二 . . 工作原理工作原理光束光束22和和11發(fā)生干涉發(fā)生干涉 若若M M 1 1、M M2 2平行平行 等傾條紋等傾條紋 若若M M 1 1、M M2 2有小夾角有小夾角 等厚條紋等厚條紋十字叉絲十字叉絲等厚條紋等厚條紋若若M M1 1平移平移 d d時(shí)，干涉條移過時(shí)，干涉條移過N N條，條，則有則有：2 Nd三三. . 應(yīng)用：應(yīng)用：微小位移測量微小位移測量測折射率測折射率M 122

19、 11 S半透半反膜半透半反膜M2M1G1G2E第二第二章章 光的衍射光的衍射（Diffraction of Diffraction of lightlight）1 1 衍射現(xiàn)象、惠更斯衍射現(xiàn)象、惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理一一. . 光的衍射光的衍射1.1.現(xiàn)象現(xiàn)象: :*S衍射屏衍射屏觀察屏觀察屏a 10 - 3 a2.2.定義定義: : 光在傳播過程中能繞過障礙光在傳播過程中能繞過障礙物物 *S衍射屏衍射屏觀察屏觀察屏L L的邊緣而偏離直線傳播的現(xiàn)象的邊緣而偏離直線傳播的現(xiàn)象二二. . 惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理波傳到的任何一點(diǎn)都是子波的波源，波傳到的任何一點(diǎn)都是子波的波源，pdE(

20、p)rQdSS(波前波前)設(shè)初相為零設(shè)初相為零n 遠(yuǎn)場衍射遠(yuǎn)場衍射(2) (2) 夫瑯禾費(fèi)衍夫瑯禾費(fèi)衍射射近場衍射近場衍射(1) (1) 菲涅耳衍菲涅耳衍射射 3. 3. 分類分類: :dSrKQadEp)()()( 各子波在空間某點(diǎn)的相干疊加，就各子波在空間某點(diǎn)的相干疊加，就決定了該點(diǎn)波的強(qiáng)度。決定了該點(diǎn)波的強(qiáng)度。) 2cos()()()( rtdSrKQadEp dSrtrKQaEsp ) 2cos()()()( ) cos()(0pptE（ P P處波的強(qiáng)度處波的強(qiáng)度2)(0 ppEI 取決于波前上取決于波前上Q Q點(diǎn)處的強(qiáng)度點(diǎn)處的強(qiáng)度)(Qa 0,2)(, 0maxKKKK K K(

21、( ): ):方向因方向因子子2 2 單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射、半波帶法單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射、半波帶法一一 . . 裝裝置置*S f f a 透鏡透鏡L 透鏡透鏡LpAB縫平面縫平面觀察屏觀察屏0二二 . . 半 波 帶半 波 帶法法 ( (縫寬縫寬) )aAB S: S: 單色光源單色光源 : : 衍射角衍射角 sina 00 ， 中央明紋中央明紋( (中心中心) ) 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，可將縫分為兩個(gè)時(shí)，可將縫分為兩個(gè)“半波帶半波帶” sina A AP P和和B BP P的光程差的光程差a12BA半波帶半波帶半波帶半波帶12兩個(gè)兩個(gè)“半波帶半波帶”上發(fā)的光在上發(fā)的光在P P處干涉相消處干涉相消形成暗紋。形

22、成暗紋。 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，可將縫分成三時(shí)，可將縫分成三個(gè)個(gè)“半波帶半波帶” 23sin aP P處近似為明紋中心處近似為明紋中心a/2/2BA/2/2半波帶半波帶半波帶半波帶1212a/2/2BA形成暗紋。形成暗紋。 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí), ,可將縫分成四可將縫分成四個(gè)個(gè)“半波帶半波帶”, , 2sin a，3 , 2 , 1sin kka 暗紋暗紋，3 , 2 , 1 2)1 2(sin kka 明紋明紋( (中心中心) )0sin a 中央明紋中央明紋( (中心中心) )上述暗紋和上述暗紋和中央明紋中央明紋( (中心中心) )位置是準(zhǔn)確的，位置是準(zhǔn)確的，其余明紋中心的位置較上稍有偏離。其余明紋中心的位置較

23、上稍有偏離。一般情況一般情況三三. . 振幅矢量法、光強(qiáng)公式振幅矢量法、光強(qiáng)公式Nax 2sin2sin Nax( ( N N很大很大 ) )每個(gè)窄帶發(fā)的子波在每個(gè)窄帶發(fā)的子波在P P點(diǎn)振幅近似相等點(diǎn)振幅近似相等, ,設(shè)為設(shè)為0E P P處的合振幅處的合振幅E EP P 就是各子波的振幅矢量和的模就是各子波的振幅矢量和的模透鏡透鏡 f px x xsin 縫平面縫平面縫寬縫寬a ABC0觀測屏觀測屏P P 處是多個(gè)同方向、同頻率、同振幅、初處是多個(gè)同方向、同頻率、同振幅、初對(duì)于對(duì)于O O點(diǎn)點(diǎn): : = 0 = 0 , , = 0 = 0E0 E0E E0 0 = = N N E E0 0對(duì)于其

24、他點(diǎn)對(duì)于其他點(diǎn)P P： E EP P E E0 0EP E0當(dāng)當(dāng)N N 時(shí)時(shí), , N N個(gè)相接的折線將變?yōu)橐粋€(gè)個(gè)相接的折線將變?yōu)橐粋€(gè)圓弧。圓弧。相依次差一個(gè)恒量相依次差一個(gè)恒量 的簡諧振動(dòng)的合成，的簡諧振動(dòng)的合成，合成的結(jié)果仍為簡諧振動(dòng)。合成的結(jié)果仍為簡諧振動(dòng)。 2sinaN ,2sin2 REp RE02sin22sin200 EEEp令令 sin2a 有有 sin0EEp 又又2002 EIEIp ，P P點(diǎn)的光強(qiáng)點(diǎn)的光強(qiáng)20sin IIREPE0由由 可得可得20sin II(1) (1) 主極大（中央明紋中心）位置：主極大（中央明紋中心）位置：max01sin00III 處處，(2)

25、 (2) 極小（暗紋）位置：極?。ò导y）位置：00sin3 , 2 , 1 Ikk 時(shí)時(shí)，由由 得得 sin ka sin ka 或或 kakN sin2 tg0ddI(3) (3) 次極大位置：次極大位置：解得解得 : :， 47. 346. 243. 1 相應(yīng)相應(yīng) : :,47. 3 ,46. 2 ,43. 1sin a(4)(4)光強(qiáng)光強(qiáng) : : 從中央往外各次極大的光強(qiáng)依次為從中央往外各次極大的光強(qiáng)依次為: :0 . 0 4 7 20 . 0 4 7 2I I0 0 , 0 . 0 1 6 5, 0 . 0 1 6 5I I0 0 , , 0.00830.0083I I0 0 , ,

26、I I次極大次極大 0i 1)1)例如對(duì)例如對(duì)NaNa雙線：雙線： 1 =5890 , 2 = + =5896 NkR 98265890 ( (k=2,=2,N N=491),(=491),(k k=3,=3,N N=327)=327)都可分辨開都可分辨開NaNa雙線雙線5 5 X X射線的衍射射線的衍射一一. . X X 射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)生X X射 線射 線 : 1 0: 1 0- -1 110102 2 X射線射線準(zhǔn)直縫準(zhǔn)直縫晶體晶體勞厄斑勞厄斑證實(shí)了證實(shí)了X X射線的波動(dòng)性射線的波動(dòng)性勞厄勞厄（LaueLaue）實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)（19121912）-KAX射線射線X X射線管射線管+ dd d

27、 dsin 12晶面晶面ACB二二. . X X射線在晶體上的衍射射線在晶體上的衍射1. 1. 衍射中心衍射中心 : : 掠射角掠射角d : d : 晶面間距晶面間距( (晶格常數(shù)）晶格常數(shù)）2. 2. 點(diǎn)間散射光的干涉點(diǎn)間散射光的干涉每個(gè)原子都是散射子波的子波源每個(gè)原子都是散射子波的子波源 3 .3 .面間散射光的干涉面間散射光的干涉 sin2dCBAC 散射光干涉加強(qiáng)條件：散射光干涉加強(qiáng)條件：), 2 , 1(sin2 kkd 烏利夫?yàn)趵虿祭窆讲祭窆饺? . 應(yīng)用應(yīng)用 已知已知 、 可測可測d d X X射線晶體結(jié)構(gòu)分析。射線晶體結(jié)構(gòu)分析。 已知已知 、d d可測可測 X X射

28、線光譜分析。射線光譜分析。四四. . 實(shí)際觀察實(shí)際觀察X X射線衍射的作法射線衍射的作法1.1.勞厄法：勞厄法： 勞厄相勞厄相 德拜相德拜相2.2.粉末法：粉末法： 第二章結(jié)束第二章結(jié)束（本章編者：李桂琴（本章編者：李桂琴 崔硯生）崔硯生）1 1 光的偏振狀態(tài)光的偏振狀態(tài)一一. . 線偏振光線偏振光E播播傳傳方方向向振振動(dòng)動(dòng)面面面對(duì)光的傳播方向看面對(duì)光的傳播方向看線偏振光可沿兩個(gè)相互垂直的方向分解線偏振光可沿兩個(gè)相互垂直的方向分解EEyEx yx sincosEEEEyx 第三章第三章 光的偏振光的偏振 (Polarization of (Polarization of light)light

29、)線偏振光的表示法：線偏振光的表示法： 光振動(dòng)垂直板面光振動(dòng)垂直板面光振動(dòng)平行板面光振動(dòng)平行板面二二. . 自然光自然光沒有優(yōu)勢方向沒有優(yōu)勢方向自然光的分解自然光的分解一束自然光可分解為兩束振動(dòng)方向相互一束自然光可分解為兩束振動(dòng)方向相互垂直的、等幅的、不相干的線偏振光。垂直的、等幅的、不相干的線偏振光。yxEE yxIII 自然光的表示法：自然光的表示法：三三. . 部分偏振光部分偏振光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部分偏振光可分解為兩束振動(dòng)方向相互部分偏振光可分解為兩束振動(dòng)方向相互垂直的、不等幅的、不相干的線偏振光。垂直的、不等幅的、不相干的線偏振光。部分偏振光的表示法

30、：部分偏振光的表示法： 平行板面的光振動(dòng)較強(qiáng)平行板面的光振動(dòng)較強(qiáng)垂直板面的光振動(dòng)較強(qiáng)垂直板面的光振動(dòng)較強(qiáng)右旋圓右旋圓偏振光偏振光右旋橢圓右旋橢圓偏振光偏振光 y yx z傳播方向傳播方向 /2x某時(shí)刻右旋圓偏振光某時(shí)刻右旋圓偏振光E隨隨z的變化的變化E 0四四. . 圓偏振光圓偏振光, , 橢圓偏振橢圓偏振光光五五. . 偏振度偏振度 pnpIIIIItpP I Ip p 部分偏振光中包含的完全偏振光的強(qiáng)部分偏振光中包含的完全偏振光的強(qiáng)度度I It t 部分偏振光的總強(qiáng)度部分偏振光的總強(qiáng)度I In n 部分偏振光中包含的自然光的強(qiáng)度部分偏振光中包含的自然光的強(qiáng)度完全偏振光完全偏振光 ( (線、

31、圓、橢圓線、圓、橢圓 ) ) P P =1=1自然光自然光 ( ( 非偏振光非偏振光 ) ) P P = 0= 0部分偏振光部分偏振光 0 0 P P no負(fù)晶體負(fù)晶體 : : n ne e ve) 負(fù)晶體負(fù)晶體 (vo ve ) 子波源子波源,oon ( ( e o o) )三三. . 單軸晶體中光傳播的惠更斯作圖法單軸晶體中光傳播的惠更斯作圖法( ( e e o o) )1. 1. 光軸平行晶體表面，自然光垂直入射光軸平行晶體表面，自然光垂直入射 e o e o光軸光軸晶體晶體 o o, , e e在方向上雖沒分在方向上雖沒分開，但速度上是分開的。開，但速度上是分開的。2. 2. 光軸平行

32、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 ectnrooci0sinsin nreeeci sinsin3. 3. 光軸與晶體表面斜交，自然光垂直入光軸與晶體表面斜交，自然光垂直入射射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(shí)此時(shí)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5 5 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件一一. . 晶體起偏器件晶體起偏器件 1. 1. 晶體的二向色性、晶體偏振器晶體的二向色性、晶體偏振器某些晶體對(duì)某些晶體對(duì)o光和光和e光的吸收有很大差異，光的吸收有很大差異

33、，這叫晶體的這叫晶體的二向色性二向色性電氣石電氣石 光軸光軸e光光電氣石電氣石光軸光軸可產(chǎn)生線偏振光可產(chǎn)生線偏振光2. 2. 偏振棱鏡偏振棱鏡偏光鏡偏光鏡: : 格蘭格蘭湯姆孫棱鏡湯姆孫棱鏡偏光分束鏡偏光分束鏡 : :沃拉斯頓棱鏡沃拉斯頓棱鏡 光軸光軸光軸光軸方解石方解石方解石方解石加拿大樹膠加拿大樹膠 (n = 1.55)oe吸收涂層吸收涂層i光軸的取向使光軸的取向使o光、光、e光對(duì)應(yīng)的恰是光對(duì)應(yīng)的恰是no、 ne 。no (1.6584)n (1.55)ne(1.4864)12方解石方解石方解石方解石 oe光軸光軸光軸光軸方解石方解石 n0ne二二. . 晶體相移器件，圓和橢圓偏振光的起偏

34、晶體相移器件，圓和橢圓偏振光的起偏1. 1. 晶片晶片相位延遲片相位延遲片晶片晶片是是光軸平行表面的晶體薄片。光軸平行表面的晶體薄片。ydxAAoAe 線偏振光線偏振光光軸光軸 通過厚為通過厚為d的晶片，的晶片，o、e光產(chǎn)生相位差：光產(chǎn)生相位差： 2 dnnoeAAoAe 光軸光軸P cossinAAAAeo 振幅關(guān)系振幅關(guān)系從晶片出射的是從晶片出射的是兩束傳播方相同、振動(dòng)方向兩束傳播方相同、振動(dòng)方向相互垂直、頻率相等、相位差相互垂直、頻率相等、相位差 的線偏振光，的線偏振光，它們合成為一束它們合成為一束橢圓偏振光橢圓偏振光。,4 23,2 時(shí)為圓偏振光時(shí)為圓偏振光 2. 2. 波（晶）波（晶

35、）片片 (1) (1) 四分之一波四分之一波片片24 dnnoe4 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）240 ， 線偏振光線偏振光橢圓偏振光橢圓偏振光(2) (2) 二分之一波片二分之一波片 2dnnoe使線偏振光振動(dòng)面轉(zhuǎn)過使線偏振光振動(dòng)面轉(zhuǎn)過2 2 角度角度 A0入入A0出出A入入A出出Ae入入= Ae出入出入光軸光軸(3) (3) 全波全波片片 2 dnnoe三三. . 橢圓與圓偏振光的檢偏橢圓與圓偏振光的檢偏用四分之一波片和偏振片用四分之一波片和偏振片P P可區(qū)分出自然光

36、可區(qū)分出自然光和圓偏振光或部分偏振光和橢圓偏振光和圓偏振光或部分偏振光和橢圓偏振光 四分之一波片四分之一波片圓偏振光圓偏振光自然光自然光自然光自然光線偏振光線偏振光 偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）線偏振光線偏振光 I不變不變線偏振光線偏振光I變變, 有消光有消光以入射光方向?yàn)檩S以入射光方向?yàn)檩S 四分之一波片四分之一波片橢圓偏振光橢圓偏振光部分偏振光部分偏振光線偏振光線偏振光 偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）線偏振光線偏振光I變變, 有消光有消光 部分部分偏振光偏振光光軸平行最大光強(qiáng)或最小光強(qiáng)方向放置或光軸平行最大光強(qiáng)或最小光強(qiáng)方向放置或光軸平行橢圓偏振光的長軸或短軸放置光軸平行橢圓偏振光的長軸或短軸

37、放置線偏振光線偏振光I變變, 無消光無消光6 6 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d晶片晶片C 偏振片偏振片P2偏振化方向偏振化方向 單色單色自然光自然光偏振片偏振片P1偏振化方向偏振化方向光軸方向光軸方向二二. . 偏振光干涉的分析偏振光干涉的分析1. 1. 振幅關(guān)系振幅關(guān)系P2P1CA1AeAoA2oA2e sin1AAo cos1AAe 在在P P2 2 后，兩束光振動(dòng)方向平行，振幅為：后，兩束光振動(dòng)方向平行，振幅為： cossincos12 AAAoooeeAAAA212cossinsin 通過晶體通過晶體C C后后oecnnd 2此兩束光合成為一束橢圓

38、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 ） oecnnd22. 2. 相位關(guān)系相位關(guān)系), 2 , 1(,2122 knnkdkoe 相長干涉相長干涉相消干涉相消干涉 oennkdk )12(若單色光入射，且若單色光入射，且d不均勻，則屏上不均勻，則屏上出現(xiàn)等厚干涉條紋。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)它由于某種顏色干涉相消，而呈現(xiàn)它的的互補(bǔ)色互補(bǔ)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

39、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(lán)色藍(lán)色相消黃色黃色，7 7 人工雙折射人工雙折射人為地造成各向異性，而產(chǎn)生雙折射。人為地造成各向異性，而產(chǎn)生雙折射。一一. . 光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)( (應(yīng)力雙折射效應(yīng)應(yīng)力雙折射效應(yīng)) )P1P2 dFSF干涉干涉有機(jī)玻璃有機(jī)玻璃C應(yīng)力應(yīng)力各向異性各向異性 各向不同各向不同n各向不同各向不同SFknnoe 在一定應(yīng)力范圍內(nèi)：在一定應(yīng)力范圍內(nèi)： SFdknndoe22各處各處 不同不同各處各處 不同不同出現(xiàn)干涉出現(xiàn)干涉條紋條紋SF 變變 變變干涉干涉情況變。情況變。SF 二二. . 電光效應(yīng)電光效應(yīng)電光效應(yīng)也叫電致雙折射效應(yīng)電光效應(yīng)也叫電致雙折射效應(yīng)1.1.克爾效應(yīng)克爾效應(yīng) (1875年)l+-45 45 P1P2克爾盒克爾盒d 不加電場不加電場液體各向同性液體各向同性P P2 2不透光不透光 加電場加電場液體呈單軸晶體性質(zhì)，液體呈單軸晶體性質(zhì)，2kEnnoe 二次電光效應(yīng)二次電光效應(yīng) E E 電場強(qiáng)度，電場強(qiáng)度，k 克爾?？藸柍?shù)數(shù)克爾效應(yīng)引起的相位差為：克爾效應(yīng)引起的相位差為：dkVllnnoek