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1、第三章 光的偏振第1页，共101页，编辑于2022年，星期二3.10 光弹性效应和电光效应光弹性效应和电光效应 3.11 线偏振光沿晶体光轴传播时振动面的旋转线偏振光沿晶体光轴传播时振动面的旋转3.12 偏振态的矩阵表述偏振态的矩阵表述 琼斯矢量和琼斯矩阵琼斯矢量和琼斯矩阵第2页，共101页，编辑于2022年，星期二3.1自然光自然光(naturallight)与偏振光（与偏振光（polarizedlight）3.1.1 3.1.1 光的偏振性光的偏振性 纵波纵波:波的振动方向与传播方向相同的波波的振动方向与传播方向相同的波 B转转900后后波不能通过波不能通过横波横波:波的振动方向与传播方向
2、相互垂直的波波的振动方向与传播方向相互垂直的波第3页，共101页，编辑于2022年，星期二偏振偏振:波的振动方向对于传播方向的不对称性，它是横波区别波的振动方向对于传播方向的不对称性，它是横波区别于纵波于纵波最明显的标志。最明显的标志。平面偏振光平面偏振光:光在传播过程中电矢量的振动只限于某一个确定平面内。光在传播过程中电矢量的振动只限于某一个确定平面内。线偏振光线偏振光:因为平面偏振光的电矢量因为平面偏振光的电矢量在在与传播方向与传播方向垂直垂直的平面上的的平面上的投影为一条直线，故而得名。投影为一条直线，故而得名。表示法：表示法：振动面：振动面：光振动方向与传播方向决定的平面称为振动面光振
3、动方向与传播方向决定的平面称为振动面.振动面振动面u第4页，共101页，编辑于2022年，星期二3.1.2 3.1.2 自然光与偏振光自然光与偏振光自然光：自然光：XYZ 这种大量振幅相同、各种振动方向都有、彼此没有固定相位这种大量振幅相同、各种振动方向都有、彼此没有固定相位关系的光矢量的组合叫自然光。关系的光矢量的组合叫自然光。自然光可以用下图表示自然光可以用下图表示第5页，共101页，编辑于2022年，星期二总光强总光强 非相干叠加非相干叠加自然光可以分解为两束等振幅的、振动方向互相自然光可以分解为两束等振幅的、振动方向互相垂直的、不相干的线偏振光。垂直的、不相干的线偏振光。自然光的分解自
4、然光的分解第6页，共101页，编辑于2022年，星期二3.2线偏振光与部分偏振光线偏振光与部分偏振光起偏器：起偏器：能以某种方式选择自然光中的一束线偏振光，能以某种方式选择自然光中的一束线偏振光，而摒弃另一束线偏振光的光学仪器。而摒弃另一束线偏振光的光学仪器。线偏振光的数学表示线偏振光的数学表示第7页，共101页，编辑于2022年，星期二Ex、Ey同相位，取正号同相位，取正号Ex、Ey相位相反，取负号相位相反，取负号第8页，共101页，编辑于2022年，星期二3.2.1由二向色性产生的线偏振光由二向色性产生的线偏振光二向色性二向色性:有些晶体对振动方向不同的电矢量具有选择有些晶体对振动方向不同
5、的电矢量具有选择吸收的性质。吸收的性质。偏振片：偏振片：先将聚乙烯醇片加热并延伸，然后用碘溶先将聚乙烯醇片加热并延伸，然后用碘溶液浸染，制成含有平行排列的长链聚合物分子的液浸染，制成含有平行排列的长链聚合物分子的薄膜，即为偏振片。薄膜，即为偏振片。偏振片的透振方向：偏振片的透振方向：偏振片上能透过电矢量振动的偏振片上能透过电矢量振动的方向方向第9页，共101页，编辑于2022年，星期二偏振方向平行的偏振片叠在一起，偏振方向平行的偏振片叠在一起，重叠部分透光；重叠部分透光；当偏振方向互相垂直，重叠部分透当偏振方向互相垂直，重叠部分透光；光；第10页，共101页，编辑于2022年，星期二第11页，
6、共101页，编辑于2022年，星期二马吕斯定律马吕斯定律第12页，共101页，编辑于2022年，星期二第13页，共101页，编辑于2022年，星期二马吕斯定律（马吕斯定律（18091809）消光消光第14页，共101页，编辑于2022年，星期二例例3.1将两块理想的偏振片将两块理想的偏振片P1和和P2共轴放置，然后让强度为共轴放置，然后让强度为I1的自然的自然光和强度为光和强度为I2的线偏振光同时垂直入射到偏振片的线偏振光同时垂直入射到偏振片P1上，从上，从P1透射后透射后又射到偏振片又射到偏振片P2上，试问：上，试问：（1）P1不动，将不动，将P2以光线为轴转动一周，从系统投射出来的光强以光
7、线为轴转动一周，从系统投射出来的光强度将如何变化？度将如何变化？（2）欲使从系统透射出来的光强度最大，应如何放置）欲使从系统透射出来的光强度最大，应如何放置P1和和P2？第15页，共101页，编辑于2022年，星期二解解：（1）设入射线偏振光的振动面与设入射线偏振光的振动面与P1的透振方向的夹角为的透振方向的夹角为，P1和和P2的透振方向之间的夹角为的透振方向之间的夹角为则自然光则自然光I1经过经过P1的光强为的光强为线偏振光线偏振光I2经过经过P1的光强为的光强为经过经过P1的总光强为的总光强为经过经过P1的光的振动方向与的光的振动方向与P2的透振方向之间的夹角为的透振方向之间的夹角为经过经
8、过P2的光强度为的光强度为将将P2以光线为轴转动一周，以光线为轴转动一周，连续改变连续改变3600，光强按上式变化，光强按上式变化，当当=00、1800、3600时，光强最大，为时，光强最大，为当当=900、2700时，光强为零。时，光强为零。第16页，共101页，编辑于2022年，星期二偏振片的应用偏振片的应用立体电影立体电影 在观看立体电影时，观众要戴上一副特制的眼镜，这副眼镜就是一在观看立体电影时，观众要戴上一副特制的眼镜，这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片这样，从银幕上看到的景象才有立对透振方向互相垂直的偏振片这样，从银幕上看到的景象才有立体感如果不戴这副眼镜看，银幕上的图像就模
9、糊不清了体感如果不戴这副眼镜看，银幕上的图像就模糊不清了摄像摄影摄像摄影 1 1、在摄影镜头前加上偏振镜消除反光、在摄影镜头前加上偏振镜消除反光第17页，共101页，编辑于2022年，星期二第18页，共101页，编辑于2022年，星期二有反射光干扰的橱窗有反射光干扰的橱窗在照相机镜头前加偏振片在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰消除了反射光的干扰第19页，共101页，编辑于2022年，星期二2、摄影时控制天空亮度，使蓝天变暗、摄影时控制天空亮度，使蓝天变暗没有用偏振滤镜的相片没有用偏振滤镜的相片用了偏振滤镜的相片用了偏振滤镜的相片第20页，共101页，编辑于2022年，星期二3.2.2反射
10、光的偏振态反射光的偏振态 1、利用电磁理论分析反射光的偏振态利用电磁理论分析反射光的偏振态由菲涅耳公式看，反射光与入射光电矢量平行分量由菲涅耳公式看，反射光与入射光电矢量平行分量与垂直分量的振幅比与垂直分量的振幅比n1n2第21页，共101页，编辑于2022年，星期二将以上二式结合起来，不考虑方向，有将以上二式结合起来，不考虑方向，有在在或或时，可得时，可得因为因为所以所以在在或或时，反射光为自然光时，反射光为自然光第22页，共101页，编辑于2022年，星期二在在或或时，时，由由得得因为因为所以所以时，反射光为部分偏振光时，反射光为部分偏振光所所以以或或第23页，共101页，编辑于2022年
11、，星期二部分偏振光的表示部分偏振光的表示第24页，共101页，编辑于2022年，星期二2、偏振度、偏振度部分偏振光在某一方向上具有的能量最部分偏振光在某一方向上具有的能量最大大值值部分偏振光在某一方向上具有的能量最部分偏振光在某一方向上具有的能量最小小值值当当时，时，自然光自然光当当时，时，线偏振光线偏振光第25页，共101页，编辑于2022年，星期二例例3.2通过偏振片观察一束部分偏振光，当偏振片由对应透射光强通过偏振片观察一束部分偏振光，当偏振片由对应透射光强最大的位置转过最大的位置转过600时，其光强减为一半。试求这束部分偏振光中的时，其光强减为一半。试求这束部分偏振光中的自然光和线偏振
12、光的强度之比以及光束的偏振度。自然光和线偏振光的强度之比以及光束的偏振度。解：解：设自然光强为设自然光强为In,线偏振光的强度为线偏振光的强度为Ip,，则部分偏振光的强度为，则部分偏振光的强度为In+Ip 当偏振片对应透射光强最大的位置时，透射光强为当偏振片对应透射光强最大的位置时，透射光强为当偏振片转过当偏振片转过600后，透射光强为后，透射光强为因为因为即即第26页，共101页，编辑于2022年，星期二此入射光的最此入射光的最大大光强为光强为最最小小光强为光强为偏振度偏振度第27页，共101页，编辑于2022年，星期二3、布儒斯特定律、布儒斯特定律由公式由公式可见可见当当时，可得时，可得反
13、射光中反射光中只有垂直只有垂直入射面的分量，入射面的分量，此时的入射角用此时的入射角用i10偏振光偏振光n1第28页，共101页，编辑于2022年，星期二由于由于所以所以布儒斯特定律布儒斯特定律布儒斯特角布儒斯特角例如：例如：1、从空气入射到玻璃、从空气入射到玻璃布儒斯特角布儒斯特角2、从空气入射到石英、从空气入射到石英布儒斯特角布儒斯特角第29页，共101页，编辑于2022年，星期二例题例题：画出下列图中的反射光、折射光以及它们的偏振状态画出下列图中的反射光、折射光以及它们的偏振状态.第30页，共101页，编辑于2022年，星期二第31页，共101页，编辑于2022年，星期二第32页，共10
14、1页，编辑于2022年，星期二3.2.3透射光的偏振态透射光的偏振态利用菲涅耳公式分析利用菲涅耳公式分析上上表面折射后电矢量表面折射后电矢量平行平行分量分量的振幅为的振幅为由于由于上式简化为上式简化为1、平行分量、平行分量第33页，共101页，编辑于2022年，星期二下表面折射后电矢量下表面折射后电矢量平行平行分量的振幅为分量的振幅为其中其中代入上式得代入上式得由于由于上式简化为上式简化为第34页，共101页，编辑于2022年，星期二将将代入上式得代入上式得结论：结论：光以布儒斯特角入射到一片透明介质时，在光以布儒斯特角入射到一片透明介质时，在没有吸收没有吸收的情况的情况下，透射光中电矢量的平
15、行分量等于入射光的平行分量，即下，透射光中电矢量的平行分量等于入射光的平行分量，即平行分平行分量量100%透射透射。2、垂直分量、垂直分量上上表面折射后电矢量表面折射后电矢量垂直垂直分量的振幅为分量的振幅为第35页，共101页，编辑于2022年，星期二下表面折射后电矢量下表面折射后电矢量垂直垂直分量的振幅为分量的振幅为将将代入上式得代入上式得结论：结论：光以布儒斯特角入射到一片透明介质时，在光以布儒斯特角入射到一片透明介质时，在没有吸收没有吸收的情况下，的情况下，透射光中透射光中因为，在自然光入射情况下：因为，在自然光入射情况下：光以布儒斯特角入射到一片透明介质时，透射光是光以布儒斯特角入射到
16、一片透明介质时，透射光是部分偏振光部分偏振光第36页，共101页，编辑于2022年，星期二3、利用折射获得线偏振光、利用折射获得线偏振光 ib玻璃玻璃片堆片堆设自然光通过设自然光通过n片互相平行的透明介质板片互相平行的透明介质板透射光中电矢量的透射光中电矢量的平行平行分量分量透射光中电矢量的透射光中电矢量的垂直垂直分量分量其中其中当当n很大时很大时第37页，共101页，编辑于2022年，星期二外腔式激光管加装布儒斯特窗外腔式激光管加装布儒斯特窗减少反射损失。减少反射损失。假如封闭管子两端的玻璃窗口是垂直于管轴线的玻璃片，那么假如封闭管子两端的玻璃窗口是垂直于管轴线的玻璃片，那么自然光每经过一个
17、窗口表面就有大约自然光每经过一个窗口表面就有大约4%的反射损失的反射损失(96%透入透入)。光在光在M1与与M2之间每个单程要之间每个单程要4次穿过窗口表面。这样，光来回次穿过窗口表面。这样，光来回反射时，反射损耗太大就不能形成激光。反射时，反射损耗太大就不能形成激光。i0i0激光输出激光输出布儒斯特窗布儒斯特窗M1M2i0i04、布儒斯特定律的应用、布儒斯特定律的应用第38页，共101页，编辑于2022年，星期二第三节第三节光通过单轴晶体时的双折射现象光通过单轴晶体时的双折射现象第39页，共101页，编辑于2022年，星期二3.3.1双折射现象双折射现象双折射现象：双折射现象：一束光入射在介
18、质中折射光线分一束光入射在介质中折射光线分为两束光（为两束光（o o光、光、e e光）的现象光）的现象.o光和光和e光：光：e光光(非常光非常光):不遵循折射定律。不遵循折射定律。o o光光(寻常光寻常光):):遵循折射定律遵循折射定律.ve光的入射角正弦与折射角的正弦之比不是一个常数光的入射角正弦与折射角的正弦之比不是一个常数v一般情况，一般情况，e光不在入射面内光不在入射面内第40页，共101页，编辑于2022年，星期二3.3.2光轴与主截面光轴与主截面光轴光轴:晶体中不发生双折射方向的任一直线晶体中不发生双折射方向的任一直线单轴晶体：单轴晶体：只有一个光轴的晶体。如方解石只有一个光轴的晶
19、体。如方解石,石英石英,红宝石等红宝石等.双轴晶体：双轴晶体：有两个光轴的晶体。云母有两个光轴的晶体。云母,蓝宝石蓝宝石,橄榄石等橄榄石等.AB光轴光轴102第41页，共101页，编辑于2022年，星期二主截面：主截面：包含晶体光轴和一条给定光线的平面叫做这条光线相对应包含晶体光轴和一条给定光线的平面叫做这条光线相对应的晶体的的晶体的主截面主截面o光与光轴所作的平面光与光轴所作的平面o光光的主截面的主截面e光与光轴所作的平面光与光轴所作的平面e光光的主截面的主截面o光振动光振动 垂直于垂直于o光光的主截面的主截面e光振动光振动 平行于平行于e光光的主截面的主截面注意：注意：1、对应一给定的入射
20、光束对应一给定的入射光束o光光和和e光光的主截面并不重合，的主截面并不重合，只有当光轴位于入射面内时，这两个主截面才严格地重合。只有当光轴位于入射面内时，这两个主截面才严格地重合。2、一般情况下，两个主截面之间的夹角很小，故、一般情况下，两个主截面之间的夹角很小，故o光光和和e光光的主截面几乎垂直的主截面几乎垂直第42页，共101页，编辑于2022年，星期二v自然光入射时，自然光入射时，Io=Iev线偏振光入射时线偏振光入射时3.3.3o光和光和e光的相对光强光的相对光强主截面与屏幕的交线主截面与屏幕的交线振动面与屏幕的交线振动面与屏幕的交线o光与光与e光的振幅为光的振幅为其中其中A是入射线偏
21、振光的振幅是入射线偏振光的振幅晶体中晶体中o光与光与e光的强度为光的强度为a为为e光传播方向和光轴的夹角光传播方向和光轴的夹角第43页，共101页，编辑于2022年，星期二相对光强相对光强o光与光与e光射出晶体后的光强光射出晶体后的光强晶体以入射光传播方向为轴旋转晶体以入射光传播方向为轴旋转第44页，共101页，编辑于2022年，星期二当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，e光的像围绕光的像围绕 o 光的像旋转。光的像旋转。o 光的像不动，光的像不动，光光光光双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体 o光的像光的像e光的像光的像第45页，共101页，编辑于2022年，星期二光光光光双双折折
22、射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体继续旋转方解石晶体：继续旋转方解石晶体：第46页，共101页，编辑于2022年，星期二光光光光双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体继续旋转方解石晶体：继续旋转方解石晶体：第47页，共101页，编辑于2022年，星期二光光光光双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体继续旋转方解石晶体：继续旋转方解石晶体：第48页，共101页，编辑于2022年，星期二光光光光双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体继续旋转方解石晶体：继续旋转方解石晶体：第49页，共101页，编辑于2022年，星期二例例3.4强度为强度为I的自然光，垂直入射到方解石晶体上后又垂直入射到的
23、自然光，垂直入射到方解石晶体上后又垂直入射到另一块完全相同的晶体上。两块晶体的主截面之间的夹角为另一块完全相同的晶体上。两块晶体的主截面之间的夹角为a，试求当试求当a分别等于分别等于300和和1800时，最后透射出来的光束的相对强度时，最后透射出来的光束的相对强度（不考虑反射、吸收等损失）。（不考虑反射、吸收等损失）。分析：分析：第50页，共101页，编辑于2022年，星期二解：解：自然光从第一块晶体出射后的光强自然光从第一块晶体出射后的光强当当o光和光和e光分解为光分解为当当合成为一束光合成为一束光第51页，共101页，编辑于2022年，星期二第四第四节光在晶体中的波面光在晶体中的波面第52
24、页，共101页，编辑于2022年，星期二o光与光与e光的波面光的波面o光的波面光的波面球面球面e光的波面光的波面椭球面椭球面惠更斯的假设（惠更斯的假设（1690年）年）晶体的各向异性在微观结构上的表现晶体的各向异性在微观结构上的表现构成晶体的原子、离子或分子被认为是各向异性的振子。构成晶体的原子、离子或分子被认为是各向异性的振子。它们在三个相互垂直的方向上一般具有不同的固有频率它们在三个相互垂直的方向上一般具有不同的固有频率1、2和和3。光波在通过物质时，物质中的带电粒子在光波的作用下做受光波在通过物质时，物质中的带电粒子在光波的作用下做受迫振动，其频率与入射光频率相同。如果入射光中电矢量的振
25、迫振动，其频率与入射光频率相同。如果入射光中电矢量的振动方向和上述方向中的某一个方向重合，则粒子作稳定的受迫动方向和上述方向中的某一个方向重合，则粒子作稳定的受迫振动。振动。第53页，共101页，编辑于2022年，星期二单轴晶体单轴晶体三个固有频率中有两个是相同的。三个固有频率中有两个是相同的。平行平行于晶体光轴的频率于晶体光轴的频率1垂直垂直于晶体光轴的频率于晶体光轴的频率2o光的波面是光的波面是球面球面e光的波面是光的波面是椭球面椭球面注意：注意：对于截面不大的对于截面不大的e光束，其传播方向不一定垂直于波面光束，其传播方向不一定垂直于波面振动方向振动方向垂直垂直主截面主截面振动方向振动方
26、向平行平行主截面主截面第54页，共101页，编辑于2022年，星期二问：问：在单轴晶体中，光沿光轴方向不发生双折射的原因是什么在单轴晶体中，光沿光轴方向不发生双折射的原因是什么？单轴晶体的分类：单轴晶体的分类：正晶体、负晶体正晶体、负晶体e光的速度在除光轴外的任光的速度在除光轴外的任何方向上都比何方向上都比o光的光的小小e光的速度在除光轴外的任光的速度在除光轴外的任何方向上都比何方向上都比o光的光的大大第55页，共101页，编辑于2022年，星期二第56页，共101页，编辑于2022年，星期二第五节第五节光在晶体中的传播方向光在晶体中的传播方向第57页，共101页，编辑于2022年，星期二一一
27、.单轴晶体内单轴晶体内o光与光与e光的传播方向光的传播方向1.光轴在入射面内（负晶体）光轴在入射面内（负晶体）研究方法：研究方法：惠更斯作图法，新波面为次波面的包络。惠更斯作图法，新波面为次波面的包络。光轴光轴AFEeOeO说明：说明：如果光轴不在入射面内，球面和椭球面相切的点，就不会如果光轴不在入射面内，球面和椭球面相切的点，就不会在入射面内，则在入射面内，则o光、光、e光振动方向并不相互垂直。光振动方向并不相互垂直。B第58页，共101页，编辑于2022年，星期二2.2.光轴在入射面内，光轴在入射面内，平行光垂直入射，平行光垂直入射，光轴光轴AEOeBFEF出射两束偏振方向相互垂直的线偏光
28、出射两束偏振方向相互垂直的线偏光第59页，共101页，编辑于2022年，星期二3.3.光轴在入射面内，且垂直晶体表面，平行光垂直入射光轴在入射面内，且垂直晶体表面，平行光垂直入射光沿光轴方向传播，传播速度相同，不产生双折射现象。光沿光轴方向传播，传播速度相同，不产生双折射现象。光轴光轴第60页，共101页，编辑于2022年，星期二4.4.光轴在入射面内，光轴平行晶体表面光轴在入射面内，光轴平行晶体表面,平行光垂直入射平行光垂直入射AEeBFEFO具有相互垂直具有相互垂直的偏振方向的偏振方向出射光沿同方向传播出射光沿同方向传播 晶体内晶体内o光、光、e光都不折射，但传播速度不同，波面不重合，到光
29、都不折射，但传播速度不同，波面不重合，到达同一位置时两者之间有相位差达同一位置时两者之间有相位差第61页，共101页，编辑于2022年，星期二5.5.光轴垂直入射面且与晶体表面平行，平行光垂直入射，光轴垂直入射面且与晶体表面平行，平行光垂直入射，晶体内晶体内o光、光、e光都不折射，但传播速度不同，波面不重合，到光都不折射，但传播速度不同，波面不重合，到达同一位置时两者之间有相位差达同一位置时两者之间有相位差问题：问题：画出上图中画出上图中o光和光和e光的振动方向光的振动方向第62页，共101页，编辑于2022年，星期二二二.单轴晶体的主折射率单轴晶体的主折射率晶体晶体 光轴光轴ir0reo o
30、t e eteoectO光的折射率光的折射率:e光的折射率光的折射率:(2)当当e光沿垂直于光轴的方向传播时，光沿垂直于光轴的方向传播时，有有(1)e光的传播速度与方向有关光的传播速度与方向有关第63页，共101页，编辑于2022年，星期二定义：定义：真空中的光速与真空中的光速与e光在光在垂直于垂直于光轴方向的传播速度之比光轴方向的传播速度之比叫做晶体对叫做晶体对e光的主折射率光的主折射率负晶体负晶体所以所以正晶体正晶体所以所以方解石方解石 1.4864 1.6584石英石英 1.5534 1.5443对波长为对波长为589.3纳米的钠黄光纳米的钠黄光第64页，共101页，编辑于2022年，星
31、期二例例3.5应该怎样切割单轴晶体才能用最小偏向角的方法测定由该应该怎样切割单轴晶体才能用最小偏向角的方法测定由该晶体制成的棱镜的两个主折射率晶体制成的棱镜的两个主折射率.(p329)分析分析:对于对于o光，由于光，由于o光在晶体种不同方向的传播速度相同，光在晶体种不同方向的传播速度相同，因此测定因此测定o光的折射率对晶体没有特殊的要求光的折射率对晶体没有特殊的要求对于对于e光光,测定其主折射率，必须保证其传播方向与光轴测定其主折射率，必须保证其传播方向与光轴的方向垂直。的方向垂直。对于三棱镜，光以最小偏向角入射时，折射光平行于棱对于三棱镜，光以最小偏向角入射时，折射光平行于棱镜的底边镜的底边
32、第65页，共101页，编辑于2022年，星期二第六节第六节偏振器件偏振器件第66页，共101页，编辑于2022年，星期二一、一、尼科耳棱镜（尼科耳棱镜（1828年）年）结构结构:两块特殊要求加工的直角方解石，如图：两块特殊要求加工的直角方解石，如图：第67页，共101页，编辑于2022年，星期二ACNM光轴在光轴在ACNM平面内方向与平面内方向与AC成成480，入射面取，入射面取ACNM面面 加拿大树胶的折射率加拿大树胶的折射率n=1.55=1.55，O O光入射角大于其临界角光入射角大于其临界角arc arc sin(1.55/1.658)=69sin(1.55/1.658)=690 012
33、12，被全反射，在被全反射，在CNCN处为涂黑层所吸收。处为涂黑层所吸收。出射偏振方向在出射偏振方向在ACNM平面内的偏振光平面内的偏振光。e760O方解石的折射率方解石的折射率n0=1.658,220680第68页，共101页，编辑于2022年，星期二尼科耳棱镜的起偏与检偏作用尼科耳棱镜的起偏与检偏作用入射到检偏器的线偏振光的振幅为入射到检偏器的线偏振光的振幅为A0,振动方向与尼科振动方向与尼科耳主截面之间的夹角为耳主截面之间的夹角为，则透过检偏器的平面偏振光则透过检偏器的平面偏振光的强度为的强度为当当时，平行尼科耳时，平行尼科耳当当时，正交尼科耳时，正交尼科耳第69页，共101页，编辑于2
34、022年，星期二eO两块直角方解石光轴相互垂直，如图：两块直角方解石光轴相互垂直，如图：ABDCO方解石方解石 光从光密到光疏光从光密到光疏折射光要偏离法线折射光要偏离法线e二、二、沃拉斯顿棱镜沃拉斯顿棱镜产生两束彼此分开的、振动互相垂直的线偏振光。产生两束彼此分开的、振动互相垂直的线偏振光。两束线偏振光之间的夹角为两束线偏振光之间的夹角为第70页，共101页，编辑于2022年，星期二三、三、波片波片厚度为厚度为d,光轴与两个表面平行的双折射晶体薄片称为光轴与两个表面平行的双折射晶体薄片称为波片波片。当自然光垂直入射时，当自然光垂直入射时，由晶体出射的是振动方向由晶体出射的是振动方向相互垂直的
35、线偏振光，它相互垂直的线偏振光，它们沿原入射方向同向传播，们沿原入射方向同向传播，但传播速度不同。但传播速度不同。对于负晶体对于负晶体e光比光比O光快。光快。对于正晶体对于正晶体e光比光比O光慢。光慢。eO光轴光轴d第71页，共101页，编辑于2022年，星期二设振幅为设振幅为A0的平行光垂直入射到波片上，在入射点分成了的平行光垂直入射到波片上，在入射点分成了O光和光和e光，在晶体中两者的传播速度不同，从而形成相位不同的光，在晶体中两者的传播速度不同，从而形成相位不同的两束光，这两束光在波片内引起的振动分别为两束光，这两束光在波片内引起的振动分别为波片中两束光的相位差为波片中两束光的相位差为第
36、72页，共101页，编辑于2022年，星期二以以代入上式，得代入上式，得两束光射出波片后两束光射出波片后相位差相位差为为两束光射出波片后两束光射出波片后光程差光程差为为四分之一波长片四分之一波长片*若若O和和e光相位差为光相位差为光程差是光程差是的奇数倍。的奇数倍。第73页，共101页，编辑于2022年，星期二，光程差是半波长的奇数倍。光程差是半波长的奇数倍。二分之一波长片或半波二分之一波长片或半波片片则则*若若O和和e光相位差为光相位差为线偏振光垂直入射到半波片透射光仍然为线偏振光线偏振光垂直入射到半波片透射光仍然为线偏振光说明说明垂直入射的线偏振光的振动面与主截面的夹角为垂直入射的线偏振光
37、的振动面与主截面的夹角为则透则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过波长片或全波片波长片或全波片则则，光程差是波长的整数倍。，光程差是波长的整数倍。*若若O光和光和e光的相位差为光的相位差为：为什么？为什么？第74页，共101页，编辑于2022年，星期二 椭椭椭椭圆圆圆圆偏偏偏偏振振振振光光光光：电电电电矢矢矢矢量量量量的的的的端端端端点点点点在在在在垂垂垂垂直直直直于于于于光光光光传传传传播播播播方方方方向向向向的的的的平平平平面面面面内画出一个椭圆。内画出一个椭圆。内画出一个椭圆。内画出一个椭圆。圆圆圆圆偏偏偏偏振振振振光光光光：电电电电矢矢矢矢
38、量量量量的的的的端端端端点点点点在在在在垂垂垂垂直直直直于于于于光光光光传传传传播播播播方方方方向向向向的的的的平平平平面面面面内内内内画画画画出一个圆。它是椭圆偏振光的特例。出一个圆。它是椭圆偏振光的特例。出一个圆。它是椭圆偏振光的特例。出一个圆。它是椭圆偏振光的特例。两两两两列列列列频频频频率率率率相相相相同同同同、振振振振动动动动方方方方向向向向互互互互相相相相垂垂垂垂直直直直，且且且且沿沿沿沿同同同同一一一一方方方方向向向向传传传传播的线偏振光叠加可得椭圆偏振光。播的线偏振光叠加可得椭圆偏振光。播的线偏振光叠加可得椭圆偏振光。播的线偏振光叠加可得椭圆偏振光。一、定义一、定义3.7椭圆偏
39、振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光第75页，共101页，编辑于2022年，星期二消去（消去（消去（消去（）得）得）得）得此为椭圆方程此为椭圆方程此为椭圆方程此为椭圆方程。二、二、二、二、椭圆偏振光和圆偏振光的描述椭圆偏振光和圆偏振光的描述椭圆偏振光和圆偏振光的描述椭圆偏振光和圆偏振光的描述设有沿设有沿Z方向传播的两束平面偏振光，其振动方向分别沿方向传播的两束平面偏振光，其振动方向分别沿轴振动，其波动方程为：轴振动，其波动方程为：为波矢为波矢为位相差为位相差合振动为合振动为合振动为合振动为:第76页，共101页，编辑于2022年，星期二一般来说，它的主轴一般来说，它的主轴(长轴或短轴长轴或短轴)
40、与与x轴构成轴构成角，角，椭圆主轴的大小和取向与这两列光波的振幅椭圆主轴的大小和取向与这两列光波的振幅Ax和和Ay以及它们的以及它们的位相差位相差有关系。有关系。第77页，共101页，编辑于2022年，星期二讨讨论：论：1.当当时，时，方程方程为为：合振动矢端的轨迹为一直线合振动矢端的轨迹为一直线合振动为平面偏振光合振动为平面偏振光合振动振幅合振动振幅为:振动方向由振动方向由 决定。决定。第78页，共101页，编辑于2022年，星期二2.当当时，时，方程方程为为：合振合振动为椭圆动为椭圆偏振光偏振光第79页，共101页，编辑于2022年，星期二椭圆偏振光椭圆偏振光(a)右旋右旋(b)左旋左旋第
41、80页，共101页，编辑于2022年，星期二各种形态的椭圆偏振光各种形态的椭圆偏振光第81页，共101页，编辑于2022年，星期二 右旋右旋右旋右旋:迎着光的传播方向，电矢量端点描出的圆沿顺时针方向迎着光的传播方向，电矢量端点描出的圆沿顺时针方向迎着光的传播方向，电矢量端点描出的圆沿顺时针方向迎着光的传播方向，电矢量端点描出的圆沿顺时针方向旋转旋转旋转旋转,叫右旋圆偏振光。叫右旋圆偏振光。叫右旋圆偏振光。叫右旋圆偏振光。左旋左旋左旋左旋:迎着光的传播方向，电矢量端点描出的圆沿逆时针方向旋迎着光的传播方向，电矢量端点描出的圆沿逆时针方向旋迎着光的传播方向，电矢量端点描出的圆沿逆时针方向旋迎着光的
42、传播方向，电矢量端点描出的圆沿逆时针方向旋转叫左旋圆偏振光。转叫左旋圆偏振光。转叫左旋圆偏振光。转叫左旋圆偏振光。3.当当，时时,得圆方程得圆方程电矢量的表达式为电矢量的表达式为式中的第二项取式中的第二项取正号正号时，表示左旋圆偏振光；取时，表示左旋圆偏振光；取负号负号时，时，表示右旋圆偏振光表示右旋圆偏振光第82页，共101页，编辑于2022年，星期二三、椭圆偏振光和圆偏振光的获得三、椭圆偏振光和圆偏振光的获得设波片的厚度为设波片的厚度为设波片的厚度为设波片的厚度为，合振动为，合振动为，合振动为，合振动为 k=k=0,2,4,0,2,4,得右旋圆偏振光；得右旋圆偏振光；得右旋圆偏振光；得右旋
43、圆偏振光；k=k=1,3,5,1,3,5,得左旋圆偏振光。得左旋圆偏振光。得左旋圆偏振光。得左旋圆偏振光。自自自自然然然然光光光光通通通通过过过过1/41/4波波波波片片片片后后后后是是是是大大大大量量量量的的的的各各各各种种种种长长长长短短短短轴轴轴轴比比比比例例例例的的的的椭椭椭椭圆圆圆圆偏偏偏偏振振振振光的集合，仍为自然光。光的集合，仍为自然光。光的集合，仍为自然光。光的集合，仍为自然光。欲欲欲欲产产产产生生生生椭椭椭椭圆圆圆圆偏偏偏偏振振振振光光光光,必必必必须须须须通通通通过过过过起起起起偏偏偏偏器器器器先先先先变变变变成成成成线线线线偏偏偏偏振振振振光光光光后后后后再再再再通通通通
44、过过过过1/41/41/41/4波片。波片。波片。波片。第83页，共101页，编辑于2022年，星期二检验工具检验工具:检偏器检偏器+已知光轴方向的已知光轴方向的1/4波片波片线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光:检偏器转动检偏器转动检偏器转动检偏器转动360360二次最强、二次最强、二次最强、二次最强、二次消光二次消光二次消光二次消光 圆偏振光圆偏振光圆偏振光圆偏振光1/41/4波片波片波片波片检偏器检偏器检偏器检偏器二次最强、二次最强、二次最强、二次最强、二次消光二次消光二次消光二次消光自然光自然光自然光自然光1/41/4波片波片波片波片检偏器检偏器检偏器检偏器强度无变化强度无变化强度无变化强
45、度无变化 椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光检偏器停在光强最强位检偏器停在光强最强位检偏器停在光强最强位检偏器停在光强最强位置置置置前插入前插入前插入前插入1/41/4波片使其光轴与检偏器透波片使其光轴与检偏器透波片使其光轴与检偏器透波片使其光轴与检偏器透振方向平行变成线偏振光振方向平行变成线偏振光振方向平行变成线偏振光振方向平行变成线偏振光 检偏器旋转检偏器旋转检偏器旋转检偏器旋转360360二次最强、二次消光。二次最强、二次消光。二次最强、二次消光。二次最强、二次消光。四、四、四、四、偏振态的实验检验偏振态的实验检验偏振态的实验检验偏振态的实验检验最后得二次最强、二次最弱。最后得二次
46、最强、二次最弱。部分偏振光部分偏振光步骤与检验椭圆偏振光相同，步骤与检验椭圆偏振光相同，第84页，共101页，编辑于2022年，星期二补偿器补偿器通过它可得任意相位差的器件。通过它可得任意相位差的器件。Balinet补偿器补偿器：光轴互相垂直的两块劈状石英。：光轴互相垂直的两块劈状石英。光通过补偿器的不同地方，可得任意相位差。光通过补偿器的不同地方，可得任意相位差。两束光通过两束光通过d1和和d2后的相位差：后的相位差：第85页，共101页，编辑于2022年，星期二 Soleit补偿器补偿器Soleil补偿器补偿器：原理基本相同：原理基本相同,可适用于宽光束。可适用于宽光束。第86页，共101
47、页，编辑于2022年，星期二3.8 3.8 偏振光的干涉偏振光的干涉一、偏振光干涉实验、偏振光干涉实验分解光束分解光束相位延迟相位延迟产生线偏光产生线偏光引导振动引导振动方向方向1.实验装置实验装置第87页，共101页，编辑于2022年，星期二通过通过P1后的线偏振光，经过晶片后分成振动相互垂直的后的线偏振光，经过晶片后分成振动相互垂直的o光光和和e光，且具有一定的相位差光，且具有一定的相位差,o光和光和e光光（a）晶片厚度均匀时）晶片厚度均匀时若单色光入射，屏幕上光强均匀，转动任一元件，光强发生若单色光入射，屏幕上光强均匀，转动任一元件，光强发生变化。变化。若白光入射，屏上呈一定颜色，转动任
48、一元件颜色发生变化。若白光入射，屏上呈一定颜色，转动任一元件颜色发生变化。（b）晶片厚度不均匀时）晶片厚度不均匀时单色光入射，出现干涉条纹；白光入射时出现彩色条纹，转动任单色光入射，出现干涉条纹；白光入射时出现彩色条纹，转动任一元件，彩色条纹及强度均发生变化。一元件，彩色条纹及强度均发生变化。、2.实验现象实验现象3.定性分析定性分析通过通过P2时，其仅有与时，其仅有与P2透振方向一致的振动分量通过，这两个分量是同透振方向一致的振动分量通过，这两个分量是同频率、振动方向在同一条直线上，且又有固定的相位差的，故可产生干涉。频率、振动方向在同一条直线上，且又有固定的相位差的，故可产生干涉。第88页
49、，共101页，编辑于2022年，星期二二二.平面偏振光干涉的强度分布平面偏振光干涉的强度分布设从设从P1透射出的线偏光的振幅为透射出的线偏光的振幅为A1,振动面振动面与与晶体光轴晶体光轴夹角夹角为为，则，则经波片后：经波片后：经波片后：经波片后：经经经经P P P P2 2 2 2后后后后:第89页，共101页，编辑于2022年，星期二总光强：总光强：总光强：总光强：所以，所以，I的大小由的大小由，及，及决定。决定。相位差：相位差：波片引起波片引起波片引起波片引起P2相对相对P1的取向引起的取向引起（P1P2在同一个相限中）在同一个相限中）（P1P2不在同一个相限中）不在同一个相限中）第90页
50、，共101页，编辑于2022年，星期二取两偏振片平行和正交两特殊情况讨论：取两偏振片平行和正交两特殊情况讨论：取两偏振片平行和正交两特殊情况讨论：取两偏振片平行和正交两特殊情况讨论：总光强：总光强：总光强：总光强：1）2）光强：光强：光强：光强：第91页，共101页，编辑于2022年，星期二（1 1）波片厚度均匀，单色光入射，转动波片）波片厚度均匀，单色光入射，转动波片）波片厚度均匀，单色光入射，转动波片）波片厚度均匀，单色光入射，转动波片 三、干涉现象的观察三、干涉现象的观察三、干涉现象的观察三、干涉现象的观察第92页，共101页，编辑于2022年，星期二（b b b b）波片厚度均匀，单色