光的偏振與波片

關(guān)于光的偏振與波片背景知識(shí)麥克斯韋方程組平面電磁波光矢量振動(dòng)形式物質(zhì)方程第2頁,共36頁，2024年2月25日，星期天光-橫電磁波kDESB(H)第3頁,共36頁，2024年2月25日，星期天光-橫電磁波自然光在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)沿各方向振動(dòng)的光矢量呈對稱分布任何取向的一個(gè)光矢量都可分解為兩個(gè)相互垂直方向上的分量自然光可分解為兩個(gè)任意垂直方向上的、振幅相等的獨(dú)立分振動(dòng)表示方法面對光的傳播方向第4頁,共36頁，2024年2月25日，星期天偏振光一、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

表示方法線偏振光也可以用傳播方向相同、相位相同或相差π、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)垂直紙面第5頁,共36頁，2024年2月25日，星期天二、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)

表示方法定義:垂直紙面的光振動(dòng)較強(qiáng)平行紙面的光振動(dòng)較強(qiáng)第6頁,共36頁，2024年2月25日，星期天從自然光獲得線偏振光的過程稱起偏(1)利用偏振片獲得偏振光某些晶體對相互垂直的兩個(gè)光振動(dòng)分量具有選擇吸收的性能，稱為二向色性。偏振片的起偏和檢偏馬呂斯定律將二向色性的晶體涂敷于透明薄片上，就成為偏振片。制成偏振片后，其上有一特殊的方向，沿著該方向的光振動(dòng)不被吸收—偏振化方向。用以判斷某束光是否是偏振光的器件稱作檢偏器(a)二向色型偏振片優(yōu)點(diǎn)孔徑角幾乎達(dá)180o，可以做的薄且大，價(jià)格低廉缺點(diǎn)有顏色，透過率低，消光比差（98%），不能用在大功率場合第7頁,共36頁，2024年2月25日，星期天自然光I0線偏振光I偏振化方向起偏器自然光經(jīng)過起偏器后轉(zhuǎn)變成線偏振光,強(qiáng)度為入射自然光強(qiáng)度的1/2第8頁,共36頁，2024年2月25日，星期天(b)散射型偏振片利用雙折射晶體的散射起偏光軸光軸NaNO3Zk2優(yōu)點(diǎn)本身無色，對各波長可見光透過率幾乎相同，可做較大通光面積，適用于反映自然光各種色光成分的彩色電影和彩色電視中第9頁,共36頁，2024年2月25日，星期天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)，屏上亮暗無變化。第10頁,共36頁，2024年2月25日，星期天對線偏振光，檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，光強(qiáng)兩亮兩暗第11頁,共36頁，2024年2月25日，星期天部分偏振光，檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，屏上光強(qiáng)兩亮兩弱第12頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

偏振片對光的吸收遵從馬呂斯定律(馬呂斯定律)—消光當(dāng);當(dāng)偏振化方向平行放置兩偏振片，使它們的偏振化方向成60

夾角。求透射光的光強(qiáng)與入射光的光強(qiáng)之比是多大？例P1P2解經(jīng)P1后:經(jīng)P2后:第13頁,共36頁，2024年2月25日，星期天一束自然光和線偏振光的混合光，垂直通過一偏振片。當(dāng)偏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5倍，求入射光中兩種光線光強(qiáng)的比值。例設(shè)自然光的光強(qiáng)為I0,偏振光的光強(qiáng)為I解入射光中自然光與線偏振光的光強(qiáng)之比為1/2第14頁,共36頁，2024年2月25日，星期天例有兩個(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30o時(shí)，一束單色自然光穿過它們，出射光強(qiáng)為I1；當(dāng)它們的偏振化方向之間的夾角為60o時(shí)，另一束單色自然光穿過它們，出射光強(qiáng)為I2，且I1=I2，求兩束單色自然光的強(qiáng)度之比。

解設(shè)第一束單色自然光的強(qiáng)度為I10，第二束單色自然光的強(qiáng)度為I20，根據(jù)馬呂斯定律第15頁,共36頁，2024年2月25日，星期天(2)反射和折射產(chǎn)生的偏振ib—

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ib+γ=90o

時(shí)，反射光為線偏振光線偏振光布儒斯特定律例n1=1.00(空氣)，n2=1.50(玻璃)，則空氣玻璃玻璃空氣第16頁,共36頁，2024年2月25日，星期天玻璃片堆線偏振光利用玻璃片堆可使反射光和透射光成為線偏振光入射自然光ib第17頁,共36頁，2024年2月25日，星期天偏振分光鏡第18頁,共36頁，2024年2月25日，星期天(3)利用雙折射產(chǎn)生偏振

方解石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。（a）雙折射現(xiàn)象折射率橢球各向同性介質(zhì)中，光波偏振可沿任意方向各向異性介質(zhì)中，光波只有2個(gè)特許的偏振方向xyDoEoEeDekSez第19頁,共36頁，2024年2月25日，星期天方解石晶體(冰洲石)（1）光軸是一特殊的方向,凡平行于此方向的直線均為光軸。（2）單軸晶體與雙軸晶體。光軸78o102o78o102o說明?

光軸方向其它方向，對某些晶體，(正晶體,石英),對另一些晶體(負(fù)晶體,方解石).光在晶體內(nèi)某個(gè)特殊方向傳播時(shí)，無雙折射現(xiàn)象。（該方向稱為晶體的光軸。）

光軸

光軸負(fù)晶體正晶體第20頁,共36頁，2024年2月25日，星期天頓隅方解石晶體(冰洲石)光軸78o102o78o102o第21頁,共36頁，2024年2月25日，星期天（b）雙折射光的特性兩束折射光皆為線偏振光。o光在入射面內(nèi)，遵從折射定律。

e光一般不在入射面內(nèi)，且不遵從折射定律。?說明

?

o光晶體內(nèi)沿各方向傳播速度相同，e光則隨折射方向而變化。尋常光與非尋常光（o光與e光）?o光e光

?

o光折射率不隨方向變化,e光折射率隨方向變化。第22頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

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光光軸o光的主平面··e光光軸e光的主平面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)，兩主平面重合，o、e光為相互完全垂直的線偏振光。

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e光o光··第23頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

如果能夠?qū)光和e光分開，就能獲得偏振光。由此人們制造出了尼科耳棱鏡（Nicolprism）。

方解石晶體中的光軸方向與晶面成450。過光軸與晶面垂直的平面為方解石晶體的主截面制作尼科耳棱鏡的步驟：①取長度為寬度三倍的優(yōu)質(zhì)方解石，對兩端晶面進(jìn)行打磨。②再過兩頂點(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）③用加拿大樹膠將切割面重新粘合起來④用內(nèi)壁涂黑的金屬筒（上下底為開口）封裝。（c）偏振棱鏡a.偏振起偏棱鏡第24頁,共36頁，2024年2月25日，星期天o光加拿大樹膠光軸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

i1=220

（方解石晶體對o光折射率

no=1.658；沿折射方向?qū)光折射率

ne=1.516），o光折射角r1o=130

，e光折射角

r1e=140；(2)入射到加拿大樹膠（對入射光折射率

n=1.55），o光入射角

i2o＝770

，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，為線偏振光。第25頁,共36頁，2024年2月25日，星期天兩半棱鏡光軸取向平行特點(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通光面積連續(xù)激光10W/cm2，脈沖激光104W/cm2抗損傷閾值稀缺貴重金屬，通光面積5~20mm孔徑角對于鈉黃光，o光臨界角69o若選棱鏡低角71.5o，棱鏡長寬比3:1，有效孔徑7o若選棱鏡低角81o，棱鏡長寬比6.3:1，有效孔徑40o增大孔徑角，將要求增大棱鏡長寬比，耗費(fèi)更大晶體材料，提高成本第26頁,共36頁，2024年2月25日，星期天格蘭－傅科棱鏡膠合層空氣層目的：提高抗損傷能力方法：要求：效果：連續(xù)激光100W/cm2，脈沖激光2×104W/cm2優(yōu)點(diǎn)：適用紫外波段，能承受強(qiáng)光缺點(diǎn)：孔徑角不大，對于632.8nm，棱鏡長寬比0.83，孔徑角8oe光在接近臨界角的情況下通過方解石-空氣界面，反射損耗大，透過率不高第27頁,共36頁，2024年2月25日，星期天b.偏振分束棱鏡兩半棱鏡光軸取向垂直特點(diǎn)馬普－赫斯棱鏡優(yōu)點(diǎn)：孔徑角增大第一塊棱鏡

第二塊棱鏡

o光e光偏離棱鏡法線e光o光靠近棱鏡法線兩束光夾角

光線分束角隨波長緩慢變化第28頁,共36頁，2024年2月25日，星期天高消光比，達(dá)10-5～10-4，傳輸損耗低優(yōu)點(diǎn)通光面積不大，存在孔徑角限制，造價(jià)昂貴第一塊棱鏡

第二塊棱鏡

o光o光無偏折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特殊要求：優(yōu)點(diǎn)：白光入射，能得到無色散的線偏振光偏振棱鏡優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)第29頁,共36頁，2024年2月25日，星期天（1）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題.討論縱波有無偏振現(xiàn)象?上述了獲得偏振光的幾種方法?

☆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，使其偏振方向與水平方向成450，可解決汽車夜間會(huì)車問題.（2）偏振濾光片：5.偏振光的檢驗(yàn)方法:利用偏振片檢驗(yàn)偏振光第30頁,共36頁，2024年2月25日，星期天橢圓偏振光與圓偏振光橢圓偏振光：定義圓偏振光:光的振動(dòng)的大小和方向隨時(shí)間而不斷變化光的振動(dòng)的大小不隨時(shí)間變化,而方向隨時(shí)間而不斷變化第31頁,共36頁，2024年2月25日，星期天利用兩頻率相同、振動(dòng)方向相互垂直、相位差為Δψ的簡諧振動(dòng)合成的原理，可以得出：產(chǎn)生ΔΦ=2kπ,o,e光合成線偏振光ΔΦ=（2k+1）π，線偏振光ΔΦ=（2k+1）π/2，圓偏振光其他值，橢圓偏振光第32頁,共36頁，2024年2月25日，星期天波片光軸和晶面平行的單軸晶片為波片定義全波片半波片四分之一波片??

第33頁,共36頁，2024年2月25日，星期天半波片線偏振光通過這種晶片后，仍是線偏振光，但其偏振化方向轉(zhuǎn)過了2α

圓偏振光入射時(shí)，出射光是旋向相反的圓偏振光第34頁,共36頁，2024年2月25日，星期天四分之一波片作用:1.線偏振光振動(dòng)方向與1/4波片成45度，出射為圓偏振光;2.線偏振光振動(dòng)方向與1/4波片不成45度，