1、,光波的偏振,第二十章,完全偏振光,一、光的偏振状态,第二十章 光波的偏振 (Polarization of light),光的干涉、衍射现象揭示了光的波动性。,光波是横波，横波还具有一特别的现象偏振,什么是偏振？,光波是横波，光矢量E在垂直于光传播方向的平面，E可能有的振动状态光的偏振状态,光的偏振状态可分为五种：,自然光 (非偏振光）,线偏振光,部分偏振光,圆偏振光,椭圆偏振光,1,自然光：可分解为两个方向任意互相垂直、振幅相等，没有任意相位关系的偏振光。,自然光加偏振光,光矢量末点的 运动轨迹是 圆或椭圆,2,1. 线偏振光,光矢量只沿一个方向作振动线偏振光,的振动方向与 构成的平面振动
2、面,平面偏振光,线偏振光的表示法：,光振动垂直板面,光振动平行板面,2. 自然光,自然光可分解为两振动 方向相互垂直的、等幅 的、不相干的线偏振光。,自然光的表示法：,3. 部分偏振光,部分偏振光可分解为两束 振动方向相互垂直的、不等 幅的、不相干的线偏振光。,部分偏振光的表示法：,平行板面的光振动较强,垂直板面的光振动较强,4. 圆偏振光、 椭圆偏振光,3,注：,圆偏振光、椭圆偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅（不等幅）的、相干的线偏振光。,则有：,轨迹为一正椭圆长短轴分别为：2A1、2A2,若A1=A2，就是一个圆。,4,线偏振光和圆偏振光是椭圆偏振光的特例,5,二、偏振片的起偏和
3、检偏，马吕斯定律,1. 起偏,起偏的原理：利用某种光学的不对称性,偏振片,从自然光获得偏振光,起偏器: 起偏的光学器件，它有一个特定的方向，只让平行与该方向的振动通过。,自然光 I0,线偏振光 I,偏振化方向 (透振方向),偏振片的起偏,6,动画,线偏振光,2. 马吕斯定律( Malus law ),I0,I = ?,马吕斯定律,消光,3. 检偏,用偏振器件分析、检验光的偏振态,I不变？是什么光,I变，有消光？是什么光,I变，无消光？是什么光,圆偏,自然光,线偏振光,椭圆偏,部分偏,7, 为线偏光的光 振动方向与检偏 器透振方向间的 夹角。,动画,例：两偏振片P1，P2平行放置，透光轴成60角
4、。 (1)自然光垂直入射时，透射光与入射光光强比为多少？ (2) 在P1，P2之间平行插入P3，其透光轴与P1、P2均成 30角，透射光与入射光光强比又为多少？,(2) 加P3后,再过P2后透射光光强,解：(1)透过P1后,8,自然光经界面反射和折射后， 光的偏振态发生改变：,三、反射和折射光的偏振,1. 反射和折射时光的偏振态,i = iB 时，反射光只有S分量,iB 布儒斯特角( Brewster angle )或起偏角,iB + 0 = 90,由：,有：,布儒斯特定律,反射光和折射光 均为部分偏振光,例 n1 =1.00 (空气)n2 =1.50 (玻璃),空气玻璃,玻璃空气,互余,则：
5、,9,动画,3. 反射产生线偏振光的定性解释,2. 反射产生偏振光的应用,玻璃片堆起偏,10,增强反射光的强度和折射光的偏振化程度,应用：光强的调制、求材料的折射率,11,例题：已知某材料在空气中的布儒斯特角 ，求它的折射率？若将它放在水中（水的折射率为 1.33），求布儒斯特角？该材料对水的相对折射率是多少？,解： 设该材料的折射率为 n ，空气的折射率为1, 放在水中，则对应有,所以：,该材料对水的相对折射率为1.2,12,1. 光的双折射现象,S,S,方解石晶体,实验一,实验二,在各向同性的介质中S是点物S 的象,天然的方解石晶体是双折射晶体,A,B,四、光在晶体中的传播, 双折射(bi
6、refringence),动画,1. 双折射现象,2. 有关的几个基本概念,o光 (ordinary light): 遵从折射定律,e光(extraordinary light) : 一般不遵从折射定律,e光折射线也不一定在入射面内。,o,e,e,o,1）寻常光和非寻常光,说明：,（1） o光 、 e光 在双折射晶体内部才有意义。,（2）产生双折射，是晶体对两光束有不同的折射率。,13,2） 晶体的光轴,当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生 双折射，该方向称为晶体的光轴。,例如，方解石晶体(冰洲石),光轴,注：光轴是一特殊的方向,凡平行于此方向的直线均为光轴。,单轴晶体：只有一个光轴的晶体,
7、双轴晶体：有两个光轴的晶体,3） 主平面和主截面,主平面：晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。,主截面：晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。,一般,14,注意：,重点研究：,* o光、e 光的主平面不一定重合,o光的振动方向 o光的主平面,e光的振动方向 / e 光的主平面,（1）入射光在主截面内 （2）主平面、主截面重合为同一平面 （3） o光振动方向 e光振动方向,* 主平面，主截面不一定重合,15,o光、e光在晶体中不同方向传播速度不同。,3. 用惠更斯原理解释双折射现象,o光: 各方向速度相同：,1）解释：,任意一点子波源的波面球面,e光: 各方向速度不相同：,常量,平行光轴的方向
8、上：,垂直光轴的方向上：,任意一点子波源的波面旋转椭球球面,no ，ne称为晶体的主折射率,16,ne no,ne no,正晶体 (vo ve),负晶体 (vo ve ),ve vo,vevo,同一子波源发出的两个子波面在光轴方向相切：,两种相切法：,外切正晶体 :,内切负晶体 :,2）惠更斯作图法 (vevo),（1） 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射与斜入射。,两光没分开但速度上是分开的,光轴,e,e,o,o,晶体,光轴,o,e,两光可分开,17,(3) 光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射,(2) 光轴平行晶体表面，且垂直入射面，自然光斜入射,光轴,vet,e,e,此时e光的波面不再与其波
9、线垂直了,o,o,18,vot,方解石,树胶 (n = 1.55),4. 利用双折射获得线偏振光,1）晶体的二向色性、晶体偏振器,某些晶体对o光和e光的吸收不同,晶体的二向色性,2） 偏振棱镜,格兰汤姆孙棱镜,方解石,o,e,光轴的取向使o光、 e光对应的恰是no、 ne,no (1.6584)n (1.55),ne(1.4864) n (1.55),o光从波密波疏，全反射临界角：,i i 临，o光将全反射,19,五、圆和椭圆偏振光的起偏,1. 波晶片相位延迟片,波晶片是光轴平行表面的晶体薄片。,通过厚为d的晶片，o、e光不可分开，但产生光程差：,光轴,出射时位相改变：,(1) 四分之一波片,
10、(2) 二分之一波片,(3) 全波片,可见： 一定，适当选择d 可使两分振动产生任意数值的位相差,常用的几种波晶片：,20,振幅关系：,即：一束线偏振光经1/4晶片后 出射的是两束传播方向相同、振 动方向相互垂直、频率相等、相 位差为/2的线偏振光，它们合 成为一束椭圆偏振光。,2. 圆偏振光（椭圆偏振光）的获得,自然光,？,显然：若Ao=Ae，则为圆偏振光,不确定,21,讨论：,1） =45，,出射为圆偏振光,2） =0，,与e光对应的线偏光,3） =90，,与o光对应的线偏光,保持原有 的线偏态,4） 0、45、90，,椭圆偏振光,问：,如何知道出射光是圆偏振光？,或圆偏振光经1/4波片出
11、射光是什么光？,22,3. 椭圆与圆偏振光的检偏,14波片,偏振片（转动）,以入射光方向为轴,14波片,偏振片（转动）,光轴平行最大光强或最小光强方向放置或光轴 平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置,23,附：,使线偏振光振动面转过2 角度,全波片：,1/2波片、全波片,1/2波片：,不改变入射 光的偏振态：,使圆偏振光旋转方向改变,不改变入射光的任何状态。,24,在P2 后，两束光振动方向平行，振幅为：,六、偏振光的干涉,1. 偏振光干涉现象,3. 偏振光干涉的分析,1） 振幅关系（P1P2）,P2,P1,C,A1,Ae,Ao,A2o,A2e,2. 偏振光干涉装置,经C后：,25,通过晶体C后：,
12、 一束椭圆偏振光,通过P2 后：,2）位相关系,干涉相长,干涉相消,3) 若 P1 / P2，,在P2 后振幅为：,max,min,26,（2）白光入射,由于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色这叫色偏振。,若d不均匀，则屏上出现彩色条纹。,如： 红色相消绿色；蓝色相消黄色，,（1）若单色光入射,讨论：,d均匀，,d不均匀，则出射为等厚干涉条纹,出射或亮、或暗、或不明不暗,晶片d均匀，,出射是满足干涉极大的彩色,27,4. 人工双折射,人为地造成各向异性，而产生双折射。,又称为： 光弹效应 (应力双折射效应),应力各向异性v各向不同n各向不同,在一定应力范围内：,各处 不同各处 不同出现干涉条纹
13、,变 变干涉情况变。,28,5. 电光效应,电光效应也叫 电致双折射效应,1）克尔效应 (J.Kerr, 1875年),不加电场液体各向同性P2不透光,加电场液体呈单轴晶体性质，,二次电光效应,E 电场强度，k 克尔常数,光轴平行 P2透光,克尔效应引起的相位差为：,克尔盒相当于半波片， P2透光最强 。,时，,29,硝基苯 ， 若l =3cm, d=0.8cm，=600nm的黄光，则产生 k= 时 的电压,例：,2） 泡克尔斯效应(Pockels, 1893年),硝基苯 ， 若l =3cm, d=0.8cm，=600nm的黄光，则产生 k= 时 的电压,不加电场 P2 不透光,加电场晶体变双轴晶体,泡克尔斯效应引起的相位差, 线性电光效应,noo光在晶体中的折射率； V 电压； r 电光常数。,原光轴方向附加了双折射效应 P2 透光。,30,例：,作 业：20T1T4(p.3536)预习21章,
