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1、光的偏振教学第1页，本讲稿共47页线偏振光线偏振光部分偏振光部分偏振光右旋圆右旋圆偏振光偏振光圆偏振光圆偏振光本章主要讲偏振光的产生本章主要讲偏振光的产生(起偏起偏)和检验和检验(检偏检偏)左旋椭圆左旋椭圆偏振光偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光第2页，本讲稿共47页1.自然光自然光:一一.偏振态的表示偏振态的表示:E传播方向传播方向E偏振面偏振面 任意时刻，可以把每个光矢量分解成相互垂直的两任意时刻，可以把每个光矢量分解成相互垂直的两个光矢量分量，自然光可以用下图表示。每个光矢量个光矢量分量，自然光可以用下图表示。每个光矢量分量的光强等于自然光光强的一半。分量的光强等于自然光光强的一半。第3页，本讲
2、稿共47页2.线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光光矢量与光矢量与板板面斜交面斜交3.部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光.光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面相互独立的相互独立的第4页，本讲稿共47页 y yx z传播方向传播方向 /2x某某时时刻刻右右旋旋圆圆偏偏振振光光E随随z的变化的变化E 04.圆偏振光圆偏振光 椭圆偏振光椭圆偏振光右旋圆右旋圆偏振光偏振光可以看作互相垂直的两个线可以看作互相垂直的两个线偏偏振光的合成振光的合成.且且y向光矢量的振动向光矢量的振动位相超前位相超前/2;如果如果y向落后向落后/2形成左形成左旋圆偏振光旋圆偏振光.;如果它们如果它们的振
3、幅相等可得正椭圆偏振光的振幅相等可得正椭圆偏振光.第5页，本讲稿共47页二二.起偏起偏:1.线偏振光线偏振光:偏振片偏振片:是用某种晶粒是用某种晶粒(碘硫酸金鸡钠碘硫酸金鸡钠)按一定方按一定方 式涂在一层薄的透明膜上制成式涂在一层薄的透明膜上制成.它具有强烈的它具有强烈的 二向色性：只允许某一方向的光通过二向色性：只允许某一方向的光通过-偏振偏振 化方向化方向.I0偏偏偏偏振振振振化化化化方方方方向向向向自自然然光光线线偏偏振振光光偏振片偏振片1/2 I0非偏振光非偏振光I0线偏振光线偏振光 IP偏振化方向偏振化方向(透振方向透振方向)(也可直接利用某些晶体的二向色性也可直接利用某些晶体的二向
4、色性-电气石电气石)第6页，本讲稿共47页玻璃片堆玻璃片堆利用玻璃堆获得偏振光利用玻璃堆获得偏振光.线偏振光线偏振光自然光自然光 入射入射i0(玻璃片足够多时玻璃片足够多时)第7页，本讲稿共47页.in1n2r以任意角度入射以任意角度入射 以任意角度入射时，反射光以任意角度入射时，反射光和折射光都为部分偏振光。和折射光都为部分偏振光。实验和理论都表明：实验和理论都表明：反射光中垂直于入射面振动反射光中垂直于入射面振动的光的强度比较大，折射光中的光的强度比较大，折射光中在入射面内振动的光的强度比在入射面内振动的光的强度比较大。较大。以布儒斯特角入射时，反射以布儒斯特角入射时，反射光为线偏振光，折
5、射光为部分光为线偏振光，折射光为部分偏振光。并且：偏振光。并且：.i0i0n1n2900r以布儒斯特角入射以布儒斯特角入射90r0+=i0第8页，本讲稿共47页i=i0 时，反射光只有时，反射光只有S分量分量i 0 布儒斯特角布儒斯特角或或 起偏角起偏角i0+r0=90O 由由 有有布儒斯特定律布儒斯特定律(1812年年)n1n2i0i0r0线偏振光线偏振光S起偏振角起偏振角若若 n1=1.00(空气空气)，n2=1.50(玻璃玻璃)，则：，则：第9页，本讲稿共47页利用晶体特性制成的各种偏振棱镜利用晶体特性制成的各种偏振棱镜尼科耳棱镜尼科耳棱镜:偏光镜偏光镜:格兰格兰汤姆孙汤姆孙 棱镜棱镜偏
6、光分束镜偏光分束镜:沃拉斯顿棱镜沃拉斯顿棱镜12方解石方解石方解石方解石 oe光轴光轴光轴光轴 光轴光轴方解石方解石玻璃玻璃树胶树胶(n=1.655)eo吸收涂层吸收涂层i.900oe220680oeAMCN自然光自然光加拿大树胶加拿大树胶光光轴轴.第10页，本讲稿共47页散射光的偏振散射光的偏振zx py入射自然光入射自然光 B 散射光散射光(部分偏振光部分偏振光)散射光散射光(线偏振光线偏振光)散射光散射光 (自然光自然光)第11页，本讲稿共47页2.部分偏振光部分偏振光反射与折射反射与折射散射散射一般晶体的二向色性一般晶体的二向色性.in1n2r以任意角度入射以任意角度入射第12页，本讲
7、稿共47页3.圆偏振光圆偏振光 椭圆偏振光椭圆偏振光利用晶体波片利用晶体波片.使使的的线偏振光一线偏振光一分为二分为二,产生互产生互相垂直的有固定位相差的两个相垂直的有固定位相差的两个线偏振光线偏振光其合成光其合成光束一般为束一般为椭圆偏振光椭圆偏振光.如果波片的厚度使得如果波片的厚度使得:线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光圆偏振光圆偏振光.自然光自然光线偏振光线偏振光.波片波片第13页，本讲稿共47页光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体三三.光在晶体中的传播光在晶体中的传播,双
8、折射双折射第14页，本讲稿共47页光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体第15页，本讲稿共47页光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体第16页，本讲稿共47页光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体第17页，本讲稿共47页光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋
9、转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体第18页，本讲稿共47页光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体第19页，本讲稿共47页光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体第20页，本讲稿共47页光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸
10、面纸面方解石方解石 晶体晶体第21页，本讲稿共47页光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体第22页，本讲稿共47页光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体第23页，本讲稿共47页光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体第24页，本讲稿共47页光光光光 当方解石晶体旋转
11、时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体第25页，本讲稿共47页光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体第26页，本讲稿共47页光光光光 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体第27页，本讲稿共47页 方解石方解石oee o 双折射双折射-折射光分成两束折射光分成两束,且都是线偏振光且都是线偏振光1.双
12、折射的概念双折射的概念(晶体各向异性晶体各向异性).eo.oeACDB(垂直入射时垂直入射时e光也不沿原方向光也不沿原方向)第28页，本讲稿共47页寻常光和非寻常光寻常光和非寻常光o光光:遵从折射定律遵从折射定律e光光:一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律e光折射线也不一定在入射面内。光折射线也不一定在入射面内。晶体的光轴晶体的光轴光轴光轴：在方解石这类晶体：在方解石这类晶体中存在一个特殊的方向，中存在一个特殊的方向，当光线沿这一方向传播时当光线沿这一方向传播时不发生双折射现象。称这不发生双折射现象。称这一方向为晶体的光轴。一方向为晶体的光轴。780102078078010201020光轴光轴
13、光轴是一特殊的方向光轴是一特殊的方向,凡平凡平行于此方向的直线均为光轴行于此方向的直线均为光轴第29页，本讲稿共47页单轴晶体：单轴晶体：只有一个光轴的晶体只有一个光轴的晶体(方解石、石英方解石、石英)双轴晶体：双轴晶体：有两个光轴的晶体有两个光轴的晶体（云母、硫磺）（云母、硫磺）主平面和主截面主平面和主截面主平面：主平面：晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的 平面平面 e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面o光光光轴光轴o光的光的主平面主平面主截面：主截面：晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。O光及光及E光都为线偏振光。光都为
14、线偏振光。第30页，本讲稿共47页 一般来说，一般来说，O光主光主 平面和平面和 e光主平面光主平面 并不重合。并不重合。当入射光线在主截面内时，当入射光线在主截面内时，O光、光、e光以及光以及 它们的主平面都在主截面内。此时，两光的振动它们的主平面都在主截面内。此时，两光的振动 方向相互垂直。方向相互垂直。O光垂直于主截面振动，光垂直于主截面振动，e光在光在 主截面内振动。主截面内振动。.光轴方向光轴方向光光e光光oO光的振动方向垂直其光的振动方向垂直其主平面主平面.e光的振动方向光的振动方向在其在其主平面内主平面内.晶体的主折射率，正晶体、负晶体晶体的主折射率，正晶体、负晶体第31页，本讲
15、稿共47页vo tve t光轴光轴 负晶体负晶体(vo no负晶体负晶体:ne ve)e光光:(e o)e光传播方向不同光传播方向不同,传播速度也不同。传播速度也不同。光轴光轴第32页，本讲稿共47页 单轴晶体中光传播的惠更斯作图法单轴晶体中光传播的惠更斯作图法(e o)光轴平行晶体表面，自然光垂直入射光轴平行晶体表面，自然光垂直入射 e oe o光光轴轴晶晶体体 o,e在在方方向向上上虽虽没没分分开开，但速度上是分开的。但速度上是分开的。光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射o e晶体晶体光轴光轴 e方解石方解石光轴光轴o eo此时此时e光的波面不再与其波射线垂
16、直了光的波面不再与其波射线垂直了第33页，本讲稿共47页解释起偏中提到的二个问题解释起偏中提到的二个问题:方解石方解石:负晶体负晶体vo tve t光轴光轴 负晶体负晶体(vo ve)子波源子波源.900oe220680oeAMCN自然光自然光加拿大树胶加拿大树胶光光轴轴尼科耳棱镜尼科耳棱镜:(加拿大树胶加拿大树胶.方解石方解石)第34页，本讲稿共47页偏光镜偏光镜:格兰格兰汤姆孙棱镜汤姆孙棱镜 偏光分束镜偏光分束镜:沃拉斯顿棱镜沃拉斯顿棱镜12方解石方解石方解石方解石 oe光轴光轴光轴光轴 光轴光轴方解石方解石玻璃玻璃树胶树胶(n=1.655)eo吸收涂层吸收涂层i第35页，本讲稿共47页晶
17、体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏晶体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏 波片波片相位延迟片相位延迟片波片波片是是光轴平行表面的晶体薄片。光轴平行表面的晶体薄片。ydxAAoAe 线线偏偏振振光光光轴光轴 通过厚为通过厚为d的晶片，的晶片，o、e光产生相位差：光产生相位差：AAoAe 光轴光轴P 振幅关系振幅关系第36页，本讲稿共47页从晶片出射的是从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向相互垂直、两束传播方相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差频率相等、相位差 的线偏振光，它们合成为一束的线偏振光，它们合成为一束椭圆椭圆偏振光偏振光。时为圆偏振光时为圆偏振光.四分之一波片四分之一波片从线偏振光获得
18、椭圆或圆偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）（或相反）线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光 线偏振光线偏振光圆偏振光圆偏振光第37页，本讲稿共47页四四.检偏检偏:起偏器都可以用做检偏器起偏器都可以用做检偏器1.马吕斯定律马吕斯定律:I0IPP E0 E=E0cos 马吕斯定律马吕斯定律（1809）消光消光第38页，本讲稿共47页.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化偏振片偏振片偏振片偏振片第39页，本讲稿共47页.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋
19、转的检偏器，光强发生变化光强发生变化第40页，本讲稿共47页.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化第41页，本讲稿共47页.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化第42页，本讲稿共47页.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化第43页，本讲稿共47页.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋
20、转的检偏器，光强发生变化光强发生变化第44页，本讲稿共47页.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化第45页，本讲稿共47页.起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化光强发生变化两偏振片的偏振化方向相互垂直两偏振片的偏振化方向相互垂直 光强为零光强为零第46页，本讲稿共47页2.检偏检偏用偏振器件分析、检验光的偏振态用偏振器件分析、检验光的偏振态I?P待检光待检光思考：思考：I不变不变？是什么光？是什么光 I变，有消光变，有消光？是什么光？是什么光 I变，无消光变，无消光？是什么光？是什么光第47页，本讲稿共47页