物理2-21偏振2課件

1、北京交通大學(xué)工科物理基地16.8 偏振光的產(chǎn)生和檢驗16-8 偏振光的產(chǎn)生與檢驗16-8-1 自然光 偏振光16-8-2 反射起偏和折射起偏16-8-3 起偏和檢偏 馬呂斯定律 布儒斯特定律晶體的各向異性、例如方解石請看現(xiàn)象雙 折 射 現(xiàn) 象折 射 現(xiàn)尋常光(o光)、非常光(e光)oe入射光束晶體觀察屏ABCDoeoei當(dāng)晶體旋轉(zhuǎn)時16-8-4 雙折射現(xiàn)象 象折射現(xiàn)雙折射現(xiàn)o光e光方解石晶體CaCO3紙面 尋常光和非常光光光 當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時，o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)雙折射紙面方解石 晶體光光雙折射紙面方解石 晶體雙折射紙面方解石 晶體 當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時，o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光光雙

2、折射紙面方解石 晶體 當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時，o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光光雙折射紙面方解石 晶體 當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時，o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光光雙折射紙面方解石 晶體 當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時，o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光光雙折射紙面方解石 晶體 當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時，o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光光雙折射紙面方解石 晶體 當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時，o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光光雙折射紙面方解石 晶體 當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時，o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光光雙折射紙面方解石 晶體 當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時，o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光光雙折射紙面方解石 晶體 當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時，o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光光雙折射紙面

3、方解石 晶體 當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時，o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光光雙折射紙面方解石 晶體 當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時，o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光光雙折射紙面方解石 晶體 當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時，o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光光雙折射紙面方解石 晶體 當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時，o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)光光雙折射紙面方解石 晶體 當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時，o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)7878102102102102光軸AD天然方解石的晶體上過頂點A、D的三個棱邊之間夾角,為102.晶體的光軸是晶體中的一個方向. 光線與過入射點的光軸所決定的平面,稱為該在晶體中分為兩束線偏振光, ABCDoeoeie光振動方向在主平面內(nèi).光

4、在晶體內(nèi)沿光軸傳播,不發(fā)生雙折射方解石中過A、D的光軸與三個棱邊成相同角度光線的主平面o光振動方向垂直于主平面 光軸、主平面78 10278 78 102102光軸光軸：在方解石這類晶體中存在一個特殊的方向，當(dāng)光線沿這一方向傳播時不發(fā)生雙折射現(xiàn)象。稱這一方向為晶體的光軸單軸晶體：只有一個光軸(方解石、石英)雙軸晶體：有兩個光軸(云母、硫磺)主截面：光軸與自然晶面法線所組成的平面.主平面：某一光線與光軸所組成的平面. 一般來說，o光主平面和 e光主平面并不重合. 當(dāng)入射光線在主截面內(nèi)時，o光、e光以及它們的主平面都在主截面內(nèi). 此時，兩光的振動方向相互垂直. o光垂直于主截面振動，e光在主截面內(nèi)

5、振動. o光及e光都是線偏振光.光面主光面主平平光軸方向eo光e光oO波面e波面光軸光軸正晶體負(fù)晶體單軸晶體,雙軸晶體正晶體,負(fù)晶體,雙折射晶體中, e光光速不恒定,與方向有關(guān),波陣面為橢球形.其中ve,ne均取垂直于光軸方向的值, ne =c/ ve 稱為e光的主折射率. 單軸晶體的子波波振面正晶體負(fù)晶體vevovevononenone光軸vove* 產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象的根本原因是晶體光學(xué)光軸vevo*e波面o波面性質(zhì)的各向異性.單軸晶體的子波波振面iA光軸DCNNGEFoeoe光軸G DBACEFooee光軸DBACoe(a)(b)(c)在(c)的情形中,光軸平行于表面 ,o光和e光經(jīng)過晶體并

6、不分開,但是它們在晶體中的光程不同.可制作特殊的晶片.惠更斯原理在雙折射現(xiàn)象中的應(yīng)用ACDFE.eoeo光軸i1. 平面波傾斜入射方解石晶體ACDFE.eoeo光軸B 2. 平面波垂直入射方解石晶體3. 平面波垂直入射方解石晶體 光軸平行于晶面ACD.eoeo光軸B.68AMCNAgCf102781. 尼科爾棱鏡71加拿大樹膠的折射率n=1.55，O光入射角大于其臨界角arc sin(1.55/1.658)=69012，被全反射，在CN處為涂黑層所吸收。ACNM方解石的折射率 n0=1.658, e760O220680 晶體偏振器件710尼科耳棱鏡的制作過程680尼科耳棱鏡的制作過程尼科耳棱鏡

7、的制作過程680尼科耳棱鏡的制作過程680尼科耳棱鏡的制作過程680尼科耳棱鏡的制作過程680涂上加拿大樹膠680尼科耳棱鏡的制作過程o光發(fā)生全反射n加=1.55n=e1.516n=1.6584onon加.90 oe2268oeAMCN自然光加拿大樹膠光軸n=e1.48641.6584 = 77臨界角，且n加no因為e光不會發(fā)生全反射所以尼可耳棱鏡可以用作起偏器與檢偏器. 2.渥拉斯頓棱鏡eO兩塊直角方解石光軸相互垂直ABDCO方解石光從光密到光疏折射光要偏離法線e在棱鏡BCD中，傳播的O光和e光波面與入射面相截成兩個同心圓。eOO光振動垂直于光線和光軸組成的平面。e光振動平行于光線和光軸組成

8、的平面。雙折射晶片、自然光線偏振光偏振片P晶片C橢圓偏振光CCMAM光軸DBoed(對負(fù)晶體)16.9 偏振光干涉16-9- 1 橢圓偏振光和圓偏振光橢圓偏振光正晶體,負(fù)晶體,橢圓偏振光厚度為d ,光軸與兩個表面平行的雙折射晶體薄片稱為波片。當(dāng)自然光垂直入射時，由晶體出射的是振動方向相互垂直的線偏振光，它們沿原入射方向同向傳播，但傳播速度不同.對于方解石晶體e光比O光快.對于石英晶體e光比O光慢。O光和e光兩者到達(dá)波片的另一表面時,必然產(chǎn)生相位差.(正晶體)(負(fù)晶體) 波晶片 (波片)e光軸d石英O(2) 若O和e光相位差為 稱為二分之一波片稱為四分之一波長片則則(3) 若O和e光相位差為:

9、波片的作用是使通過它的O光和e光有相位上的改變，因此也稱為相位延遲器。(1) 若O光和e光的相位差為： 該波片稱為波長片或全波片(方解石)Wave plate在偏振光分析中有著獨特的作用橢圓偏振光和圓偏振光都是完全偏振光，均可等效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。波片可以將垂直入射的線偏光分解成同頻率、相互垂直振動的O光和e光，它們沿同一方向傳播.波片厚度d 決定O光,e光之間恒定相位差的大小。 橢圓偏振光、圓偏振光的產(chǎn)生e光軸d石英O因此，可用波片來產(chǎn)生橢圓偏振光、圓偏振光或改變?nèi)肷涞钠駪B(tài)。P是起偏器，經(jīng)它可從自然光中獲得垂直射向波片C的線偏光。波片C光軸平行

10、于晶體表面，偏振方向與光軸方向之間的夾角垂直射入波片的線偏光入射波片的線偏光的振幅 分解成的e光振動方向平行于入射面,平行于光軸。分解成的O光其振動方向垂直于入射面,垂直光軸；若C為1/4波片,即 =/2,且若 =45,則從C出射若C為1/4波片,且 45, 90或0,則出射若C不是波長片也不是半波片，即 k 時,且 45、 90或、 0時則從C垂直出射橢圓偏振光。圓偏振光橢圓偏振光 試分析 一 線偏振光入射1/4波片上，且與波片光軸成30.討論出射光的偏振狀態(tài)。解：光矢量正晶體波片y軸(光軸）傳播速度慢慢軸 y快軸 xe光o光xy(光軸）o光e光CCMEMCCMEMxy(光軸）o光e光左旋！

11、xy線偏光垂直通過波片后的偏振態(tài)d 出射光的偏振態(tài)波長片 任意 與入射光偏振態(tài)相同任意 00或900 與入射光偏振態(tài)相同1/2波片 出射線偏光振動方向與入射光 振動方向?qū)τ诠廨S對稱，兩者間夾角2 1/4波片450 圓偏振光 00或900 線偏光900 450 長短軸之比為tan或Ctan 的正橢圓偏光非波片 00450非半波片 900 =450非波片非半波片非1/4波片橢圓偏振光橢圓偏振光自然光通過1/4波片后，仍然是自然光光振動方向和 1/4 波片光軸垂直的線偏光，出射的偏振態(tài)不變。橢圓偏光通過光軸與其短軸方位一致的1/4波片后,出射線偏光。OCOC 關(guān)于偏振態(tài)的檢驗七種偏振態(tài)的檢驗把檢偏器

12、對著被檢光旋轉(zhuǎn)一周，若得到兩明兩零 光強不變 兩明兩暗線偏振光在光路中插入1/4波片，再旋轉(zhuǎn)檢偏器，若得在光路中插入1/4波片,并使光軸與檢得的暗方位相重合,再旋轉(zhuǎn)檢偏器,若兩明兩零則為光強不變則為兩明兩暗則為圓偏光自然光自加然圓光偏 光橢圓偏光自加然線光偏 光自橢然圓光偏加光兩明兩零則為兩明兩暗但暗程度與前不同則為兩明兩暗但暗方位與未插入1/4波片時相同則為完全暗相干嗎？和CP1P2自然光線偏振光橢圓偏振光 + =90CP2P2CP1AP1P1 P216-9-2 偏振光(分振動面)的干涉相位差是相干光！當(dāng) =2k 或 (no-ne)d=(2k1)/2 時, =(2k+1)或(no ne)d=

13、k 時, 不同頻率的光,對于一定的晶片厚度d, 有強有弱,干涉加強,視場明亮;干涉減弱,視場變暗.視場中顯出彩色條紋.因此稱為色偏振.例：一塊厚0.025mm的方解石晶片，其表面與光軸平行，放置在兩正交的偏振片之間.已知第一塊偏振片的偏振化方向與晶片的光軸成45. 現(xiàn)用白光垂直入射第一塊偏振片，問經(jīng)第二塊偏振片透射的可見光中缺少哪些波長？no-ne =0.172CP2P2CP1AP1光軸解:經(jīng)第二塊偏振片透射A20A2e若兩偏振片的偏振化方向相互平行?P170-64430478538614717nm109876 k實驗裝置SP1P2dFOO屏E 非晶體E在應(yīng)力作用下有單軸晶體的性質(zhì),沿應(yīng)力OO方向為光軸方向. (ne-no)的值與脅強成正比.光彈性方法事例應(yīng)力較小補充: 人為雙折射應(yīng)力較大 光彈性效應(yīng)實驗裝置電光效應(yīng)又稱克爾效應(yīng),非晶體或液體在強電場中會發(fā)生雙折射現(xiàn)象.給克爾盒加電場,屏幕變亮.克爾盒4545lP1P2CC克爾盒k克爾常數(shù).通過控制外加電壓，可調(diào)節(jié)輸出的光脈沖的長短,把電訊號轉(zhuǎn)變成光訊號。由于光電效應(yīng)幾乎沒有慣性，電訊號的控制速度可達(dá)10-9 m/s.“光開關(guān)”,“光調(diào)制器”“光斷續(xù)器”有極快的速度啟閉