大学物理偏振new 88页

光学第5章光的偏振和光在晶体中的传播1\n今晚的助教讨论课地点：3-101教室，晚上6:30-8:30，内容：散度和旋度意义，本次课计入平时成绩！2\n目录§5.1光的横波性和5种偏振状态§5.2线偏振光的获得与检验§5.3反射和折射光的偏振*散射光的偏振§5.4双折射现象§5.5椭圆偏振光和圆偏振光§5.6偏振光的干涉§5.7人工双折射§5.8旋光现象3\n横波还是纵波？如何设计实验判断?只有横波才有，纵波没有。电磁波是横波如何设计实验判断?BEcyExHz4\n金属丝吸收电场E线栅起偏器放过电场E光也是电磁波，是横波实用的光学线栅起偏器：偏振片，1928年19岁的美国大学生E.H.LAND发明硫酸碘奎宁蒸镀的晶片上。现在常用聚乙烯链沾碘分子年轻真好！！！！5\n§5.1光的偏振状态光矢量垂直于传播方向一、完全偏振光1、线偏振光（linearlypolarizedlight）传播方向E·光矢量E面振动面对光的传播方向看线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：yEyEExEcosExEEsinxy线偏振光表示法：·····光振动垂直板面光振动平行板面6\n2、圆偏振光（circularlypolarizedlight）椭圆偏振光（ellipticallypolarizedlight）观测右旋圆右旋椭圆偏振光偏振光yyEx0xz/2某时刻右旋圆偏振光E随z的变化线、圆和椭圆偏振光完全偏振光7\n圆和椭圆偏振光可看成是两束频率相同、传播方向一致、振动方向相互垂直、相位差为某个确定值的线偏振光的合成。yyx，y相位差不等于0，振幅相同，/2，，3/2相位差/2或3/2xx和2线偏振光则可以看成是两束频率相同、相位相同、振幅相同、传播方向也相同的左、·右旋圆偏振光的合成。8\n二、完全非偏振光自然光（naturallight）不相干没有优势方向自然光的分解一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。ExEyIIxIy2Ix自然光的表示法：···9\n三、部分偏振光自然光和完全偏振光的混合，就构成了部分偏振光。部分偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合，天空中的散射光和水面的反射光就是这种部分偏振光，它可以分解如下：不相干分解表示法：········平行板面的垂直板面的光振动较强光振动较强10\n四、偏振度（degreeofpolarization）IpIp偏振度：PIInIptI—部分偏振光的总强度tI—部分偏振光中包含的完全偏振光的强度pI—部分偏振光中包含的自然光的强度n完全偏振光（线、圆、椭圆）P=1自然光（非偏振光）P=0部分偏振光0no(vevo)光轴vet光轴votvotvet点波源点波源如：石英、冰如：方解石、红宝石56\n三、单轴晶体中光传播的惠更斯作图法tev以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法，to是研究光在晶体中传播的重要方法。v点波源光轴下面以负晶体(v>v)为例，介绍该方法：eo1、光轴平行晶体表面，自然光垂直入射····o、e方向上虽没分开，光轴晶但速度上是分开的，····体eoeo这仍是双折射。57\n2、光轴平行晶体表面，且垂直入射面，光轴votvet自然光斜入射点波源·····cΔtsinic··i·nosinovovoΔt光轴veΔtre·sinicr···晶体0neoeoesinvee在这种特殊的情况下，对e光也可以用折射定律。58\n3、光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射······晶体·光·光······轴·方解石·轴oeoeoe这正是前面演示的情形。59\n回忆o相互垂直的两个同频率简谐振动的合成过程x=Acos(t+)，y=Acos(t+)1122消去t得：22xyxy22cossin22AAAA1212位相差:2160\n位相差取各种值的情况=0=/4=/2=3/4==5/4=3/2=7/4=0,：轨迹为直线=/2,3/2：轨迹为正椭圆或园=其它值：轨迹为椭圆61\n§5.5椭圆偏振光和圆偏振光一、晶体起偏器件1、晶体的二向色性、晶体偏振器某些晶体对o光和e光的吸收有很大差异，这叫晶体的二向色性（dichroism）。例如，电气石对o光有强烈吸收，对e光吸收很弱，用它就可以产生线偏振光。e光····光轴光轴电气石62\n2、偏振棱镜偏振棱镜可由自然光获得高质量的线偏振光，它又可分为偏光棱镜和偏光分束棱镜。偏光棱镜：可由自然光获得原方向的线偏振光格兰—汤姆孙棱镜吸收涂层光轴的取玻璃eio向使e光对应············光轴方解石加拿大树胶的恰是n。e(n=1.655)n（1.6584）＞n（1.655）＞n（1.4864）oei>临界角，e光全反射了，o光可通过。63\n偏光分束棱镜：可由自然光获得分开的两束线偏振光沃拉斯顿棱镜12方解石·光轴光进入到第1块方oo解石后，o光和e光在······光轴ee·方向上没有分开。方解石·由于方解石2和方解石1二者光轴垂直，当光进入到方解石2时，o光变成e光（n>n）：光oe密光疏；而e光变成o光：光疏光密于是两光束在界面处发生折射而分开。64\n二、晶体相移器件圆和椭圆偏振光的起偏晶片：光轴平行于····表面的晶体薄片。光轴Pye··oe··oAeA晶片AeAxAoAo线偏振光椭圆(圆、线)AAsin光轴偏振光odAAcose从晶片出射的两束光由于出现相位差，而合成为一束椭圆、圆或线偏振光。65\ny晶片AAexAo线偏振光椭圆（圆、线）偏振光d光轴在入射点，o、e光的相位差为零或，在出射点晶片对o、e光产生的附加相位差：2πnenodπ3π当,，出射光为椭圆(圆)偏振光22当π,3π,，出射光仍为线偏振光66\ny晶片AeAx光轴PAoAeA线偏振光椭圆(圆、线)Aod光轴偏振光1、四分之一波(晶)片（quarter-waveplate）π厚度满足nenod42可从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）π4:线偏振光→圆偏振光0,π2:线偏振光→线偏振光0，π4，π2:线偏振光→椭圆偏振光67\n2、二分之一波片光轴AeA出A入nenodπ2Ao可使线偏振光振动面转过2角度3、全波片nenod2π注意：波片是对某个确定波长而言的68\n三、椭圆与圆偏振光的检偏【思考】如何用四分之一波片和偏振片区分自然光和圆偏振光部分偏振光和椭圆偏振光69\n自然光四自然光偏线偏振光振I不变分之片圆偏振光一线偏振光（线偏振光波转I变，有消光片动）以入射光方向为轴部分部分偏振光四偏振光偏线偏振光振I变,无消光分之片椭圆偏振光一线偏振光（线偏振光波转I变，有消光片动）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70\n§5.6偏振光的干涉一、偏振光干涉装置偏振片P1晶片C偏振片P2不相干相干单色自然光屏偏振化方向d光轴方向偏振化方向二、偏振光干涉的分析AP1C11、振幅关系不相干Ae相干A在P后：AoA1sinoP12AeA1cosA2oA2e在P2后：A2oAocosA1sincosAAsinAsincosA2ee12o71\n偏振片P1晶片C偏振片P2相干单色自然光屏偏振化方向d光轴方向偏振化方向2、相位关系2πd通过晶体C后：nenoAP1C1此两束光合成为一束椭圆偏振光。Ae再通过P后：Ao2P2πdAA2nnπ2o2eeo成为两束相干光。72\n2πdnenoπ，与d和有关2k1•如果2kπd,(k1,2,)neno2—相长干涉，P后面的光场最明亮。2k•如果(2k1)πdneno—相消干涉，P后面的光场最暗。2若单色光入射，且d不均匀，则屏上为等厚条纹。73\n石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）74\n三、色偏振（chromaticpolarization）若白光入射，且晶片d均匀，则：屏上由于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色，这叫（显）色偏振。如：红色（656.2nm）相消→绿色（492.1nm）；蓝色（485.4nm）相消→黄色（585.3nm）。若d不均匀，则屏上出现彩色条纹。色偏振是检验材料有无双折射效应的灵敏方法，用显微镜观察各种材料在白光下的色偏振，可以分析物质内部的某些结构—偏光显微术。75\n硫代硫酸钠晶片的色偏振图片76\n§5.7人工双折射人为地造成各向异性，而产生双折射。一、光弹效应（photoelasticeffect）光弹效应也叫应力双折射效应。P1FP2SC··干涉有机玻璃dF应力→各向异性→n各向不同F在一定应力范围内：nnkeoS77\n2πdkd2πFnenoππSF各处不同→各处不同→出现干涉条纹，SF变→变→干涉情况变。S吊模钩型的的光光弹弹图图象象78\n79\n二、电光效应（electroopticeffect）电光效应也叫电致双折射效应。1、克尔效应（kerreffect）（1875年）+4545PP12P1克尔盒-P2ld盒内充某种液体，如硝基苯（C6H5NO2）不加电场→液体各向同性→P不透光；2加电场→液体呈单轴晶体性质，光轴平行电场强度EP透光。280\n22UnnkEk—二次电光效应eo2dk—克尔常数，U—电压克尔效应引起的相位差为：22πkUnnl2πlkeodkπ时，克尔盒相当半波片，P透光最强。21822硝基苯k1.4410m/V，若l=3cm，d=0.8cm，对=600nm的黄光，当4k=时的电压U210V。81\n克尔盒的应用：可作为光开关（响应时间109s），用于高速摄影、激光通讯、光速测距、脉冲激光系统（作为Q开关）克尔盒的缺点：硝基苯有毒，易爆炸，需要极高的纯度和加数万伏的高电压，故现在很少用。82\n2、泡克尔斯效应（pockelseffect）（1893年）KH2PO4（KDP）、NH4H2PO4（ADP）等P1KKP2光传播方向与电场平行，PP，电极K和K′透明，·电光晶体·12。+。-晶体是单轴晶体，光轴沿泡克尔斯盒光传播方向。•不加电场→P不透光。2•加电场→晶体变双轴晶体→原光轴方向附加了双折射效应→P透光。283\n泡克尔斯效应引起的相位差：23nrU－线性电光效应pon—o光在晶体中的折射率；r—电光常数；oU—电压。pπ时，P2透光最强。KHPO（KDP）、NH4H2PO4（ADP）等24单晶都具有线性电光效应。如KDPno=1.51，12r10.610m/V，对=546nm的绿光，π时，7.6103V。pU应用：超高速开关（响应时间小于109s），激光调Q，显示技术，数据处理…84\n子弹射穿苹果的瞬间（高速摄影）85\n三、磁致双折射科顿—穆顿（Cotton-Mouton）效应：某些透明液体在磁场H作用下变为各向异性，性质类似于单轴晶体，光轴平行磁场。C2nnHeo——二次效应H需要很强的磁场才能观察到。86\n§5.8旋光现象一、物质的旋光性（opticalactivity）1811年，法国物理学家阿喇果（Arago）发现，线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时，其振动面能发生旋转，这称为旋光现象。除石英外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖的水溶液等也都具有旋光性。光轴al旋光物质a—旋光率l87\n三、量糖术对旋光溶液有=aCla·C=a—溶液的旋光率，C—溶液的浓度，a—溶液的比旋光率。“量糖计”可分析旋光（同分）异构体的成分，广泛用在化学和制药等工业中。例如：氯霉素天然品为左旋体，合成品为左、右旋各半，称合霉素，其中只左旋有疗效。用量糖术可分离出左旋品（左霉素），疗效同天然品。92\n四、磁致旋光（magneticopticity）水、二硫化碳、磁致旋光物质食盐、乙醇等B都是磁致旋光l物质。旋转的角度VlB4511V—费德尔常量，V~1010mT对自然旋光物质，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。93\n左旋入射光反射镜自然旋光物质反射光左旋反射镜94\n对磁致旋光物质，光沿B与逆B方向传播，振动面旋向相反。左旋入射光反射镜磁性旋光物质右旋B反射光反射镜B95\n光隔离器：PMB····磁致旋光物质令=45°，则2=90，反射光通不过P这样可以消除反射光的干扰。磁致旋光效应的应用：研究物质结构测电流和磁场光的偏振结束磁光调制96