光学4-2(基础物理课堂讲稿下第二十讲).ppt

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1、第四章 光的偏振 第四章 光的偏振 (续 ) 第二十讲 4.1 自然光和偏振光 4.2 起偏振器与检偏振器 马吕斯定律 4.3 反射和折射时的偏振 4.4 散射光的偏振 4.5 双折射现象 4.6 惠更斯作图法 4.7 偏振棱镜 4.8 波片和补偿器 4.9 偏振光的干涉 4.10 人为双折射 4.11 旋光性 第四章 光的偏振 问题： 1.为什么天空呈蔚蓝色？ 2.为什么朝霞晚霞呈橙红色？ 3.为什么云彩是白色的？ 4.为什么异性晶体有双折射现象？ 6.怎样检测物体内部是否有残存的内应力？ 7.怎样制造高速快门开关？ 8.怎样快速测量溶液的浓度？ 5.怎样检验园偏振光和自然光？ 第四章 光的

2、偏振 4.5 双折射现象 1669.(丹 )巴塞林纳斯 -方解石 (CaCO3)-双折射现象 方解石 S o光 e光 起因：各向异性晶体中 , 各方向 波速不同 -有双折射现象 特点： O光满足折射定律 - 寻常光 ； 旋转晶体时 , e光不满足折射定律 - 非常光 . O光不动 , e光随晶体旋转 . o光 e光 S 一般 vO ve， nO ne vO与传播方向无关 ,ve与传播方向有关。 第四章 光的偏振 光轴 78o 102o 78o 102o 存在一个特殊方向无双折射现象 -光轴方向 改变入射光方向并旋转晶体发现 : 晶体内有一个特定方向不发生双折射 . 说明在这个方向上 o、 e光

3、折射率相同 S 特定方向入射 e光 = O光 光轴 方解石晶体 单轴晶体 (方解石 ,石英 ,红宝石 ); 双轴晶体 (云母 , 硫磺 ,蓝宝石 ) 光轴是一特殊的方向 , 凡平行于此方向的直线均为光轴 vO = ve nO= ne 第四章 光的偏振 O光和 e光均为线偏振光 O光与光轴构成的平面 e光与光轴构成的平面 O光振动矢量垂直於 O 光主平面； e光振动矢量平行於 e光主平面 . o光 光轴 o 光的 主平面 (o光振动垂直 o 光主平面 ) 主平面 : 光线方向与光轴所成平面 . e光 光轴 e 光的 主平面 (e 光振动在 e 光主平面内 ) 一般 o光主平面与 e光主平面不重合

4、 , 但夹角很小 主截面 : 包含光轴且与晶体表面垂直的平面 . 入射面 : 入射光线与晶体表面法线构成的平面 . 若入射面与主截面重合 三面重合 (o光主平面 ,e光主平面 ,主截面 ) 自证 近似 : o光 e光 第四章 光的偏振 4.6 惠更斯作图法 单轴晶体中的波面 设晶体内有一个次波源 ,在 t=0时刻发次波 ,t=1时刻的波面如图 o e o e 光轴 正晶体 eo nn eo vv 负晶体 eo nn eo vv 平行 光轴截面 ov ev ev ov 垂直 光轴截面 负晶体 正晶体 o光恒为球面 , e光为 旋转椭球面 /光轴 ：光速相等 o 光轴 ： o光 no, o ; e

5、光 ne, e 波 面 形 状 不 同 O光各方向光速相等 ; e光光速与方向有关 . 原因 : 第四章 光的偏振 用惠更斯作图法确定光在晶体中的传播 光在 各向同性 介质界面上的折射 入射角 i 设 t = 0 时刻 入射光波面到 AB 各向同性介质 B A 折射角 C D t = t 时刻 波面到 t = 2t 时刻 波面到 t = 3t 时刻 波面到 DC AD = v2 3t, BC = v1 3t 折射光 入射光 2 1 1 2 n n v v BC AD iAC AC s in s in s i ns i n 21 nin 折射定律 同性介质 球面波 球面波 n1 n2 第四章 光

6、的偏振 (1)光轴平行入射面且与晶体表面斜交 ,自然光 斜入射 光在 各向异性 介质界面上的折射 光轴 A B C O光 e光 方解石 光轴 D E 分析： 入射面 (纸面 )与主截面重合 三面重合 (O光主平面、 e光主平面、主截面 ) O光 e光 负晶体 若光轴微外翘呢？ 第四章 光的偏振 (2)光轴平行入射面且与晶体表面斜交 ,自然光 垂直入射 光轴 负晶体 O光 e光 A D E 方解石 光轴 O光 分析： 左右两边的次波波面一样大 O光的次波波面是球面 D点在正下方 折射角 O=0 e光的次波波面是椭球面 E点偏右 折射角 e0 三面重合 O光 e光 e光 第四章 光的偏振 (3)光

7、轴平行晶体表面 ,自然光 垂直入射 光O 光e 光轴 光O光e O,e 光传播方向相同 ， 但传播速度不同 。 分析： D E 光轴平行晶体表面 D点和 E点都在正下方 从晶体出射后 ， 二者产生相位差 dnn eo )(2 d O光 e光 e =O=0 (重要 !) 第四章 光的偏振 (4)光轴垂直入射面 ,自然光 斜 入射 方解石 光轴 负晶体 光轴 A B O光 D E e光 C 分析： 光轴 入射面 入射面截出两个同心半园 切点 D、 E都在入射面内 O光 e光 小 O光 大 e光 两个同心半园 O光和 e光都遵循折射定律 eee nin s ins in0 提问： 若线偏振光入射，则

8、 入射面 ? 入射面 ? 其它情况 ? 第四章 光的偏振 4.7 偏振棱镜 目的：将 O光和 e光大分开，以便获得 极纯的 线偏振光 ; 出射的光束与入射方向一致 ,以便光路调节。 1n 2n 回倾全反射条件： 21 nn 1 2 0 ar c s i n n nii 22201 2s i ns i ns i n nnnin 1 2 0s in n ni 结论：从光密介质 n1 光疏介质 n2 存在全反射角 i0， 当入射角 ii 0时，便全反射，无折射光。 0i 全反射 第四章 光的偏振 加拿大透明树胶 方解石 77 O光 线偏振光 自然光 尼科耳棱镜如图： 已知在方解石中： 55.1 ,

9、49.1 , 66.1 树胶光光 nnn eO 69a r c s i n77 0 光 树胶 树胶光 且光： O O n ninnO 振光无全反射，但输出线偏光： 树胶光 nne e O光 全反射 光轴 e光 68 22 (被吸收掉了 ) 吸收层 特点：能获得极纯的线偏振光；出射光束与入射光束方向一致。 第四章 光的偏振 格兰 -汤普森棱镜 是尼科耳棱镜的改进型如图 光轴 光轴 原理与尼科耳棱镜相同 自然光 纯线偏振光 设计技巧： 长方体长 光轴 晶体表面 第一棱镜内 O光 e光同向 胶合面处 O光入射角 全反射 直角棱镜加工容易 特点：能获得极纯的线偏振光； 出射光束与入射光束方向一致。 第

10、四章 光的偏振 Ex=E0 xcos(t+x) Ey=E0ycos(t+y) xy x x yy 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 yE0 y xE0 x 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 4.8 波片和补偿器 目的 :控制 O,e光间 改变 出光偏振状态 回顾 :Ex Ey的合成 结论 ： =一般值 一般斜椭园 =特殊值 特殊椭园 =2k 或 (2k+1) 斜直线 =2k+/2 右旋正椭圆 (顺时针 ) =2k+3/2 左旋正椭圆 (逆时针 ) 第四章 光的偏振 例如： =y- x=/2 右旋正椭圆 (顺时针 ) x x yy 12 1 2 3 4

11、 5 6 7 8 9 10 11 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 xE0 0 x y yE0 0 O光 e光且 O= e ( 来自同一波列 ) 若 O光与 e光相位差 k k偶 k奇 线偏振光 对 O光和 e光来说： )212( k 右旋 正椭圆 偏振光 )232( k 左旋 若 E0 x=E0y 圆 偏振光 =/2 第四章 光的偏振 波片 光轴平行晶体表面 波晶片 光O 光e 光轴 光O光e O光和 e光经过晶体后 ： dnn eO )( 其光程差为： dnn eO )(2 其相位差为 : 4 2 2 2 d 波片 分类： 1/4波片 1/2波片 全波片 可见：通过

12、 d可设计 O,e光间 可改变 出射光的偏振状态 第四章 光的偏振 总结： 波片 相位延迟器 设计 O光和 e光之间 1/4波片 O光和 e光之间 =2k+/2 1/2波片 O光和 e光之间 =2k+ 线偏振光 波片 椭圆偏振光 光O光e 线偏振方向 光轴 椭圆偏振光 线偏振光 /4 波片且 =45 =/2 EO=Ee d 圆偏振光 光O 光e /2 波片 线偏振光 转过 2 (自证 ) 用旋转矢量法证之 从上向下看 第四章 光的偏振 补偿器 -任意改变光程差的器件 巴比涅补偿器 波片 -光程差固定了 如图 光轴 光轴 设计技巧 : 左右两光轴互垂直 小楔角石英片 左 O光变成右 e光 左 e

13、光变成右 O光 d1 d2 出射光中 O光与 e光的相位差 : 21 )()(2 dnndnn OeeO 不同部位 d1、 d2不同 不同 用法：将补偿器向上或向下移动，可找到设计要求的 。 细束入射光 出射光 O光 ,e光 第四章 光的偏振 偏振光的检验 线偏振光的检验 : 旋转检偏器，消光者为线偏振光。 椭园偏振光和 部分偏振光 的检验 : 旋转检偏器，有部分消光者为 : 部分偏振光 椭园偏振光 采用 1/4波片 波片 ,其光轴放在最亮或最暗的方位上。 若是椭园偏振光 最亮方向光振动与最暗方向光振动的 前 =/2. 经 1/4波片后 ,又增加 /2 O光和 e光之间 总 = 线偏振光 旋转

14、检偏器 ,消光者为椭园偏振光 若是部分偏振光 因无固定相位 无消光 入射波片前 第四章 光的偏振 园偏振光和自然光的检验 : 旋转检偏器，无部分消光者为 : 自然光 园偏振光 采用 1/4波片 波片 若是园偏振光 相互垂直的两光振动 前 =/2. 经 1/4波片增加 /2 O光和 e光之间 总 = 线偏振光 旋转检偏器 ,消光者为园偏振光 . 若是自然光 入射波片前 前 =不确定 , 经 1/4波片后附加 /2 O光和 e光之间 总 =/2+ 前 =仍不确定 旋转检偏器 ,无消光者为自然光 . 第四章 光的偏振 第四章 光的偏振 第四章 光的偏振 第四章 光的偏振 第四章 光的偏振 第四章 光的偏振 参考书： 1.赵凯华，钟锡华 .光学上册 2.毌 国光，战元令 .光学 作业： 4.8, 4.10, 4.12