波动光学-偏振3.ppt

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1、 光的偏振光的偏振(3(3)15.6 5.6 偏振光的干涉偏振光的干涉 单色自然光通过一个偏振片以后，垂直射单色自然光通过一个偏振片以后，垂直射在光轴平行于表面的晶片，从晶片出来的是在光轴平行于表面的晶片，从晶片出来的是两束传播方向相同、振动方向相互垂直、频两束传播方向相同、振动方向相互垂直、频率相等、有恒定相位差的线偏振光。率相等、有恒定相位差的线偏振光。它们能否干涉？它们能否干涉？单色自然光单色自然光不能干涉！不能干涉！2(忽略吸收和其它损耗忽略吸收和其它损耗)由振幅矢量图，知：由振幅矢量图，知：后面再放一个偏振片后面再放一个偏振片P2,P2后面后面就可以看到干涉就可以看到干涉.通常是让通

2、常是让P1 P2P2P1CA1AeAoA2oA2e d晶片晶片C 偏振片偏振片P2偏振化方向偏振化方向 偏振片偏振片P1偏振化方向偏振化方向光轴方向光轴方向单色单色自然光自然光3使干涉衬比度好。使干涉衬比度好。可见可见由振幅矢量图的投影关系知由振幅矢量图的投影关系知,A A2020和和A A2e2e的正方向的正方向相反，所以有附加相差相反，所以有附加相差 .（若（若P P1 1、P P2 2夹角小于夹角小于，则无附加相差）。，则无附加相差）。P2P1CA1AeAoA2oA2e 4 通过通过 P P2 2 后两束偏振光的相位差为后两束偏振光的相位差为 光强光强 I I A A2 22020+A+

3、A2 22e2e+2A+2A2020A A2e2ecoscos-相长干涉，亮相长干涉，亮-相消干涉，暗相消干涉，暗（k=1,2,3-）若单色光入射，且若单色光入射，且d d不均匀，不均匀，则屏上出现等厚干涉条纹。则屏上出现等厚干涉条纹。5 若白光入射，而若白光入射，而d d 均匀，均匀，则屏上由于某种则屏上由于某种 颜色干涉相消，另一些颜色干涉相长，颜色干涉相消，另一些颜色干涉相长，而呈现它的互补色而呈现它的互补色。如红色（或蓝色）相消如红色（或蓝色）相消显绿色（或黄色），显绿色（或黄色），这叫（显）这叫（显）色偏振色偏振.若白光入射，且若白光入射，且d d不均匀，不均匀，则屏上出现彩色则屏上

4、出现彩色 条纹。条纹。屏屏 6例如，色偏振是检验材料有无双折射效应例如，色偏振是检验材料有无双折射效应（即使（即使 n n0 0、n ne e 相差极小）的灵敏方法。相差极小）的灵敏方法。偏振光的干涉有许多应用，其基本思想是偏振光的干涉有许多应用，其基本思想是由光的干涉情况反推晶片情况。由光的干涉情况反推晶片情况。75.7 5.7 人工双折射人工双折射 人工双折射是用人工的方法造成各向异性人工双折射是用人工的方法造成各向异性,从而获得双折射的现象从而获得双折射的现象.。一、光弹效应（一、光弹效应（photoelastic effectphotoelastic effect）光弹效应也叫应力双折

5、射效应。光弹效应也叫应力双折射效应。将有机玻璃取代晶片将有机玻璃取代晶片,加力的方向即光轴加力的方向即光轴的方向的方向.P1P2 dFSF干涉干涉有机玻璃有机玻璃C8应力（应力（F/SF/S）各向异性各向异性光速光速V V各向不同各向不同 n n 各向不同，在一定应力范围内各向不同，在一定应力范围内,有：有：若应力均匀若应力均匀,则观察到均匀的干涉光强则观察到均匀的干涉光强.若应力不均匀若应力不均匀,若各处若各处 F/SF/S不同不同 各处各处 不同不同 出现干涉条纹出现干涉条纹.9演示演示:应力双折射（工字梁）应力双折射（工字梁）应力变化大的地方应力变化大的地方,条纹密条纹密;应力变化小的地

6、方应力变化小的地方,条纹疏条纹疏.演示演示:塑料纸，厚度不同引起的色偏振塑料纸，厚度不同引起的色偏振 检查半圆仪、透镜有无内应力检查半圆仪、透镜有无内应力 吊钩内部的应力分布吊钩内部的应力分布一层纸：一层纸：出现某种色偏振出现某种色偏振二层纸、三层纸：二层纸、三层纸：为什么各层颜色不同？为什么各层颜色不同？P P2 2 转动：转动：为什么颜色会变？为什么颜色会变？塑料纸转动：塑料纸转动：为什么颜色也会变？为什么颜色也会变？10二、电光效应二、电光效应电光效应也叫电光效应也叫电致双折射效应电致双折射效应。1.1.克尔效应克尔效应（kerr effect)kerr effect)将克尔盒取代晶片的

7、位置将克尔盒取代晶片的位置,加电场的方向加电场的方向即光轴的方向即光轴的方向.l+-45 45 P1P2克尔盒克尔盒d11克尔盒内充某种液体克尔盒内充某种液体(如如硝基苯硝基苯)，加电场加电场液体各向异性（由于分子定向液体各向异性（由于分子定向 排列的缘故，呈单轴晶体性质）排列的缘故，呈单轴晶体性质）光轴光轴 通光；通光；不加电场不加电场液体恢复各向同性液体恢复各向同性 P P2 2不通光（不通光（）。）。有有 E E 电场强度，电场强度，k k 克尔常数克尔常数 对硝基苯对硝基苯(C C6 6H H5 5NONO2 2)12经过克尔盒经过克尔盒的两束光的位相差为的两束光的位相差为它正比于它正

8、比于U2,因此也称为因此也称为二次电光效应二次电光效应.应用应用:可作光开关（克尔盒的响应时间极短，可作光开关（克尔盒的响应时间极短，每秒能够动作每秒能够动作10109 9次次）和光调制器。和光调制器。用于高速摄影、光测距、激光通讯用于高速摄影、光测距、激光通讯克尔盒有很多缺点：硝基苯有毒克尔盒有很多缺点：硝基苯有毒，易爆炸，易爆炸，需极高纯度和高电压，故现在很少用。需极高纯度和高电压，故现在很少用。132.2.泡克尔斯效应泡克尔斯效应(pockels effect)pockels effect)图示为纵向装置图示为纵向装置（光传播方向与（光传播方向与 电场平行）电场平行）用用 KDP 晶体晶

9、体(磷酸二氢钾磷酸二氢钾)取代克尔盒。取代克尔盒。电极电极K K，KK透明。透明。电光晶体电光晶体+。-P1P2KK 泡克尔斯盒泡克尔斯盒14 原来该晶体是单轴晶体，使光轴沿光传播原来该晶体是单轴晶体，使光轴沿光传播 方向，当然没有双折射现象，没有光透过方向，当然没有双折射现象，没有光透过P P2;2;加电场加电场晶体变双轴晶体晶体变双轴晶体 沿原来的光轴方向产生了沿原来的光轴方向产生了 附加了双折射效应。有光透过附加了双折射效应。有光透过P P2 2。-称为一次电光效应称为一次电光效应泡克尔斯盒的响应时间也极短，一般小泡克尔斯盒的响应时间也极短，一般小于于1010-9-9秒，也用作光开关和光

10、调制器，秒，也用作光开关和光调制器，近年来还用于数据处理，显示技术。近年来还用于数据处理，显示技术。15光轴平行磁场光轴平行磁场，且，且 这种效应很弱，需要很强的这种效应很弱，需要很强的磁场才能观察到。磁场才能观察到。三、磁致双折射（补充）三、磁致双折射（补充）类似于电场的克尔效应，某些透明液体类似于电场的克尔效应，某些透明液体在磁场在磁场 H H 作用下变为各向异性，性质作用下变为各向异性，性质类似于单轴晶体。类似于单轴晶体。二次效应。二次效应。165.8 5.8 旋光现象（补充）旋光现象（补充）一、物质的旋光性：一、物质的旋光性：18111811年实验物理学家阿喇果发现，年实验物理学家阿喇

11、果发现，线偏振光通过某些透明物质时，线偏振光通过某些透明物质时，其偏振面将旋转一定的角度。其偏振面将旋转一定的角度。d偏振片偏振片2偏振化方向偏振化方向 单色单色自然光自然光偏振片偏振片1偏振化方向偏振化方向光轴方向光轴方向P P2 2PP2 2石英晶片石英晶片(不产生双折射不产生双折射)（原消光）（原消光）（现消光）（现消光）17这种能使线偏振光的振动面发生旋转的性质，这种能使线偏振光的振动面发生旋转的性质，称为称为旋光性。旋光性。a旋光率旋光率 a 取决于入射光取决于入射光的波长和旋光物质。的波长和旋光物质。旋光物质旋光物质 d具有旋光性的物质：如石英、糖的水溶液、具有旋光性的物质：如石英

12、、糖的水溶液、酒石酸溶液、松节油等。酒石酸溶液、松节油等。迎着光看，振动面迎着光看，振动面 顺时针转的为右旋物质，顺时针转的为右旋物质，振动面振动面 逆时针转的为左旋物质。逆时针转的为左旋物质。18二、菲涅耳的解释：二、菲涅耳的解释：线偏振光可看作是同频率、线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确定相位差的等振幅、有确定相位差的左左(L L)、右右(R R)旋圆偏振光旋圆偏振光的合成。的合成。设设:入射时入射时L L，R R 初相为初相为0 0，旋光物质长，旋光物质长d.d.即即EELERo 例如，石英晶体有左旋例如，石英晶体有左旋,右旋两类旋光体右旋两类旋光体,是因为它的分子的空间排列方式有两类

13、。是因为它的分子的空间排列方式有两类。19在出射面上它们在出射面上它们的位相，分别比的位相，分别比入射面处的位相入射面处的位相落后，落后，由图示，有：由图示，有：看旋转矢量图看旋转矢量图:(a)(b)dELERE(a)(b)ELERE R L 同一时刻同一时刻20令令旋光率旋光率所以所以由上式看出，由上式看出，时，时，即振动面向左旋（对着光看）。即振动面向左旋（对着光看）。21三、量糖术三、量糖术对溶液对溶液 据此可制成据此可制成“量糖计量糖计”，并发展为并发展为“量糖术量糖术”。其他应用：分析化工产品、药剂中的其他应用：分析化工产品、药剂中的 左、右旋光异构体的成分，左、右旋光异构体的成分，

14、某些液体或溶液有左旋或右旋某些液体或溶液有左旋或右旋,是由于是由于 其分子本身具有螺旋状结构引起的。其分子本身具有螺旋状结构引起的。式中式中22 天然的蔗糖天然的蔗糖(C C1212H H2222O O1111)分子分子,不论是从甘蔗不论是从甘蔗 来还是从甜菜来来还是从甜菜来,都是右旋的。都是右旋的。天然氯霉素药能治病天然氯霉素药能治病,它是左旋的。它是左旋的。而正好人体所需要的葡萄糖而正好人体所需要的葡萄糖,其分子也是右旋的。其分子也是右旋的。生物体对生物体对 左旋左旋,右旋的物质能够识别并能右旋的物质能够识别并能作出选择。作出选择。而人工合成的氯霉素是左旋而人工合成的氯霉素是左旋,右旋各一

15、半右旋各一半,只有一半有疗效只有一半有疗效,所以所以,它的价格只是它的价格只是天然氯霉素的一半。天然氯霉素的一半。23四、磁致旋光（补充）四、磁致旋光（补充）利用人工方法也可产生旋光性，其中最利用人工方法也可产生旋光性，其中最重要的是重要的是磁致旋光磁致旋光，也称为也称为法拉第旋转法拉第旋转，是法拉第是法拉第18461846年发现的。年发现的。水、二硫化碳、食盐、乙醇等是磁致旋光物质。水、二硫化碳、食盐、乙醇等是磁致旋光物质。24V V：费德尔常量费德尔常量磁致旋光效应也能用于光通讯磁致旋光效应也能用于光通讯:若磁场若磁场B B是由信号电流是由信号电流i i产生产生(或调制或调制)的的,信号电

16、流信号电流i i的变化的变化磁场磁场B B的变化的变化,旋转角旋转角 变化变化,P P2 2通过的光强也变化通过的光强也变化.-这就是光通讯的原理这就是光通讯的原理.d磁致旋光物质磁致旋光物质B25 对自然旋光物质，对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由振动面的左旋或右旋是由 旋光物质本身决定的，与光的传播方向无关：旋光物质本身决定的，与光的传播方向无关：反射镜反射镜入射光入射光 左旋左旋反射镜反射镜反射光反射光 左旋左旋26 对磁致旋光物质，对磁致旋光物质，因加了一定方向的磁场，因加了一定方向的磁场，光沿逆向传播，振动面旋向相反光沿逆向传播，振动面旋向相反,可以作成可以作成光隔离器。光隔离器

17、。反射镜反射镜反射光反射光 右旋右旋 B反射镜反射镜入射光入射光 左旋左旋B27光隔离器光隔离器 消除反射光的干扰消除反射光的干扰 BPM 磁致旋光物质磁致旋光物质28 液晶是介于液态与结晶态之间液晶是介于液态与结晶态之间 的一种物质状态。的一种物质状态。将某种液晶注入小玻璃盒中，在玻璃表面将某种液晶注入小玻璃盒中，在玻璃表面涂上二氧化锡等透明导电薄膜，玻璃就成涂上二氧化锡等透明导电薄膜，玻璃就成为透明电极。为透明电极。电控双折射现象电控双折射现象液晶也有电光效应：液晶也有电光效应：把液晶盒放在两正交偏振片之间，把液晶盒放在两正交偏振片之间，加电场可由不透光变为透光。加电场可由不透光变为透光。29 动态散射现象动态散射现象注入某种液晶的液晶盒，在未加电场时是注入某种液晶的液晶盒，在未加电场时是透明的。透明的。-用于液晶数字显示技术。用于液晶数字显示技术。加电场时，因盒内离子和液晶分子加电场时，因盒内离子和液晶分子在电场作用下互相碰撞，使液晶分子产生在电场作用下互相碰撞，使液晶分子产生紊乱运动，液晶盒变为不透明。紊乱运动，液晶盒变为不透明。30光的偏振光的偏振 结束结束31