大学物理光学ppt课件.ppt

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1、1,2,5.1 光的偏振状态,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,目 录,3,5.1 光的偏振状态,一、完全偏振光,线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：,1、线偏振光（linearly polarized light）,线偏振光表示法：,光矢量垂直于传播方向,4,2、圆偏振光（circularly polarized light）,线、圆和椭圆偏振光 完全偏振光,椭圆偏振光（elliptically polarized light）,5,为某个确定

2、值的线偏振光的合成。,右旋圆偏振光的合成。,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,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、,相位差 /2或3 /2,和 2,6,二、完全非偏振光自然光（natural light）,垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。,自然光的表示法：,一束自然光可分解为两束振动方向相互,7,三、部分偏振光,表示法：,自然光和完全偏振光的混合，就构成了部分,部分偏振光可看成是自然光和线偏振,光的混合，,偏振光。,就是这种部分偏振光，,天空中的散射光和水面的反射光,它可以分解如下：,8,四、偏振度

3、（degree of polarization）,Ip 部分偏振光中包含的完全偏振光的强度,It 部分偏振光的总强度,In 部分偏振光中包含的自然光的强度,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 0 P 1,偏振度：,9,5.2 线偏振光的获得与检验,一、起偏,起偏的原理：利用某种光学的不对称性,偏振片（Polaroid）P（获得线偏振光）,起偏器（polarizer）：起偏的光学器件,：从自然光获得偏振光,（常用）,10,非偏振光I0,线偏振光 I,偏振化方向 （通光方向）,二、马吕斯定律（Malus law）,I0,I,线偏振光的起偏, 马

4、吕斯定律（1809）, 消光,11,三、线偏振光的检偏,检偏：用偏振器件检验光的偏振态,若 I 不变，是什么光？,若 I 变，有消光，是什么光？,若 I 变，无消光，是什么光？,然光混合而成的部分偏振光,设入射光可能是自然光,线偏振光,或由线偏振光与自,或,【演示】线偏振光的起偏和检偏,12,四、偏振片的应用,偏振片的应用很多，例如：,作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必要的,反射光。,制成偏光眼镜，可观看立体电影。,若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与,作为许多光学仪器中的起偏和检偏装置。,可以避免汽车会车时灯光的晃眼。,地面成45角、且向同一方向倾斜的偏振片，,13,5.3 反射和折射光的偏振

5、 *散射光的偏振,一、反射和折射时光的偏振,反射光垂直入射面的分量（S）比例大，,折射光平行入射面的分量（P）比例大，,入射角i 变,反射、折射光的偏振度也变。,14,i = i0 时，反射光只有S分量：,i0 布儒斯特角（Brewster angle）或 起偏角,i0 +r0 = 90,由,得布儒斯特（Brewster）定律 （1812年）,15,【思考】如何测量不透明介质的折射率？,例：外腔式激光管加布儒斯特窗减少反射损失,则：,垂直分量损耗大，不能形成激光，但平行分量能形成激光。,16,有反射光干扰的橱窗,在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰,17,对布儒斯特定律的定性解释：,折射光

6、波在第二种介质中激起电子做受迫振动，振动方向沿光矢量方向。振动的原子可看做是电偶极子辐射次波，这些次波传回第一种介质相干叠加形成反射波。,当以布儒斯特角入射时，反射光垂直于折射光。在入射点处，P分量的振动方向正好沿着反射光线的方向，因电磁波是横波，所以反射光只有S分量。,18,二、玻璃片堆起偏和检偏,1、起偏：,当 时反射光是线偏振的，可用来起偏。,但单次反射的反射光强太低（只占15），而且方向发生变化，使用不方便。因此更多利用 时的折射光起偏，并采用玻璃片堆增大透射光的偏振度。,【演示】玻璃片堆起偏,19,若反射光光强不变 入射光是自然光；若反射光光强变且有消光 入射光是线偏振光；若反射光光

7、强变且无消光 入射光是部分偏振光。,让待检验的光以布儒斯特角i0入射到界面上，,保持i = i0不变，以入射线为轴旋转界面：,20,*三、散射光的偏振,1、瑞利散射,光的散射与介质颗粒的线度有关。颗粒线度小于十分之一波长的散射瑞利散射。,光波电场分子范围内交变的均匀场,在入射光的激励下，颗粒电偶极子，辐射电磁波。,瑞利定律（1899）：散射光强与 成反比。,【演示】白光的散射,21,2、散射光的偏振,例如：天空大气散射的日光就是部分偏振光。颜色偏兰。,22,蜜蜂和某些鸟可辨别出大气散射光的偏振，从而用来确定方向。,多次散射可以把个别散射方向的不对称抵消，从而可消除偏振。,【演示】光不能透过两个

8、互相垂直的偏振片，但在其间夹一蜡纸（形成多次散射），光又能透过了。,23,i,一、双折射的概念,1、双折射：,n1,n2,ro,re,(各向异性介质),自然光,o光,e光,2、寻常（o）光和非寻常（e）光,o光 ： 遵从折射定律,e光 ： 一般不遵从折射定律,e光折射线也不一定在入射面内。,射到各向异性介质时，,5.4 双折射（birefringence）现象,一束光入,折射光分成两束的现象。,24,双折射会映射出双像,25,方解石,o,e,以入射方向为轴旋转方解石,双折射的两束光振动方向相互垂直,【演示】方解石的双折射,26,当方解石晶体旋转时，,e光的像围绕 o 光的像旋转。,o 光的像不

9、动，,27,继续旋转方解石晶体：,28,继续旋转方解石晶体：,29,继续旋转方解石晶体：,30,继续旋转方解石晶体：,31,3、晶体的光轴（optical axis of crystal）,当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发,例如，方解石晶体（冰洲石）的光轴：由钝顶角引出的与三个棱边成等角的方向就是光轴。,光轴是一个特殊的方向，,单轴晶体：只有一个光轴的晶体，如方解石。,双轴晶体：有两个光轴的晶体，如云毋。,该方向称为晶体的光轴。,生双折射，,直线均为光轴。,凡平行于此方向的,32,方解石的光轴,33,4、主平面（principal plane）,晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面,叫该

10、束光的主平面。,34,晶体的各向异性：,介电常数为 x , y,x= y z,光矢量垂直于光轴时，,光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同，,介电常数就不同，光的传播速度也就不同。,二、晶体的主折射率，正晶体、负晶体,35,o光：,no ，ne 称为晶体的主折射率,正晶体：ne no,负晶体：ne no,e光：,(ve vo),(ve vo),如：石英、冰,如：方解石、红宝石,36,三、单轴晶体中光传播的惠更斯作图法,1、光轴平行晶体表面，自然光垂直入射,o、 e方向上虽没分开，,下面以负晶体(ve vo)为例，介绍该方法：,但速度上是分开的，,这仍是双折射。,以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法，,

11、是研究光在晶体中传播的重要方法。,37,o,e,2、光轴平行晶体表面，且垂直入射面，,晶体,re,vot,vet,o,e,ct,自然光斜入射,在这种特殊的情况下，对e 光也可以用,折射定律。,38,3、光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射,此时e光的波面不再与其波射线垂直了。为什么？,这正是前面演示的情形。,39,5.5 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，,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。,这叫晶体的二向色性（dichroism）。,40,2、偏振棱镜,偏光棱镜：,光轴的取向使

12、e光对应的恰是 ne 。,no（1.6584） n（1.55） ne（1.4864）,i 临界角，o 光全反射了，e 光可通过。,偏振棱镜可由自然光获得高质量的线偏振光，,可由自然光获得原方向的线偏振光,它又可分为偏光棱镜和偏光分束棱镜。,41,偏光分束棱镜：,可由自然光获得分开的两束线偏振光,光进入到第1块方解石后，o光和e光在方向上没有分开。,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（none）：光密光疏；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。,42,二、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。,从晶片出射

13、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。,43,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：,，出射光为椭圆(圆)偏振光,当,，出射光仍为线偏振光,当,44,1、四分之一波(晶)片（quarter-wave plate）,线偏振光圆偏振光,线偏振光线偏振光,可从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）,厚度满足,线偏振光椭圆偏振光,45,2、二分之一波片,可使线偏振光振动面转过2 角度,3、全波片,【演示】四分之一波片 二分之一波片,注意：波片是对某个确定波长 而言的,46,三、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,部分偏振光

14、和椭圆偏振光,自然光和圆偏振光,47,四分之一波片,偏振片（转动）,以入射光方向为轴,四分之一波片,偏振片（转动）,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,48,如何区分由自然光和椭圆偏振光组成的 部分偏振光，与由自然光和线偏振光组成 的部分偏振光？,【思考】,如何区分由自然光和圆偏振光组成的部分 偏振光，与自然光？,49,5.6 偏振光的干涉,一、偏振光干涉装置,二、偏振光干涉的分析,1、振幅关系,在P2 后：,相干,在P1 后：,不相干,50,通过晶体C后：,此两束光合成为一束椭圆偏振光。,再通过P2 后：,2、相位关系,成为两束相干光。,51, 相长干涉

15、，P2后面的光场最明亮。, 相消干涉，P2后面的光场最暗。,若单色光入射，且d不均匀，则屏上为等厚条纹。,如果,如果,，与d 和 有关,52,石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）,53,于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色，,三、色偏振（chromatic polarization）,若白光入射，且晶片d 均匀，,若d不均匀，则屏上出现彩色条纹。,红色（656.2 nm）相消,如：,蓝色（485.4nm）相消,【演示】玻璃纸厚度不同的色偏振,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，,分析物质内部的某些结构, 偏光显微术。,则：屏上由,这叫（显）色偏振。,绿

16、色（492.1nm）；,黄色（585. 3 nm）。,可以,54,硫代硫酸钠晶片的色偏振图片,结冰过程色偏振显微摄影,55,5.7 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（photoelastic effect）,应力各向异性,在一定应力范围内：,光弹效应也叫应力双折射效应。, n各向不同,56,各处 不同各处 不同出现干涉条纹，,【演示】,模型的光弹图象,吊钩的光弹图象,变 变干涉情况变。,应力双折射,57,二、电光效应（electro optic effect）,电光效应也叫电致双折射效应。,1、克尔效应 （kerr effect） （1875年）,盒内充某种液体，如

17、硝基苯（C6H5NO2）,不加电场液体各向同性P2不透光；,加电场液体呈单轴晶体性质，,光轴平行电场强度 P2透光。,58,二次电光效应,k 克尔常数，U 电压,克尔效应引起的相位差为：,当,若 l = 3cm，,d = 0.8cm，,对 = 600nm的黄光，,59,可作为光开关（响应时间109s），,克尔盒的应用：,克尔盒的缺点：,和加数万伏的高电压，,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）,硝基苯有毒，,需要极高的纯度,故现在很少用。,易爆炸，,60,2、泡克尔斯效应（pockels effect） （1893年）,光传播方向与电场平行，,电极K和 K透明，,

18、晶体是单轴晶体，,不加电场 P2 不透光。,加电场晶体变双轴晶体,了双折射效应,原光轴方向附加, P2 透光。,光轴沿,光传播方向。,61,no o光在晶体中的折射率；,泡克尔斯效应引起的相位差：, 线性电光效应,r 电光常数；,时，P2透光最强。,KH2PO4（KDP）、NH4H2PO4（ADP）等,对 = 546nm的绿光，,如KDP no =1.51，,U 电压。,激光调Q，,超高速开关（响应时间小于109s），,数据处理,显示技术，,应用：,单晶都具有线性电光效应。,62,子弹射穿苹果的瞬间（高速摄影）,63,三、磁致双折射,科顿 穆顿（Cotton-Mouton）效应：,某些透明液体

19、在磁场H作用下变为各向异性，, 二次效应,需要很强的磁场才能观察到。,性质类似于单轴晶体，光轴平行磁场。,64,5.8 旋光现象,一、物质的旋光性（optical activity）,除石英外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖的,a 旋光率,1811年，法国物理学家阿喇果（Arago）,其振动面能发生旋转，,发现，,线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时，,这称为旋光现象。,水溶液等也都具有旋光性。,65,二、菲涅耳对旋光性的解释,线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确定相位差的左(L)、右(R)旋圆偏振光的合成。,实验表明，旋光率 a 与旋光物质和入射波长,有关，,对于溶液，还和旋光物质的浓度有关。,石英对

20、 = 589nm的黄光，a = 21.75/mm；,而对 = 408nm的紫光，a = 48.9/mm 。,同一种物质也可以有左旋体和右旋体，,物质的旋光性是和物质原子排列结构有关的，,原子排列互为镜像对称，,它们的,称为同分异构体。,66,光通过旋光物质后，位相,在出射面上：,设入射时L、R位相为0，,旋光物质长为l，,同一时刻,光通过左旋物质,此物质为左旋体(vLvR),位相,位相,要滞后。,67,由图示：,令, 旋光率,则,这既解释了旋光现象，,与物质（由nR和nL反映）和入射波长有关。,又说明了旋光率a,68,如图示，用右旋型（R）和左旋型（L）石英,证实了自己的假设。,菲涅耳进行了如

21、下实验，,棱镜交替胶合成多级组合棱镜。,光从 R 进入 L 时，左旋光速度由小变大，,右旋光速度由大变小，将靠近界面法线折射。,光密媒质光疏媒质，光将远离界面法线折射。,各界面继续使左右旋圆偏振光分开的角度放大，,射出棱镜时就成了两束分开的圆偏振光。,从,69,三、量糖术,对旋光溶液有,C 溶液的浓度，,“量糖计”可分析旋光（同分）异构体的成分，,例如：氯霉,广泛用在化学和制药等工业中。,素天然品为左旋体，,称合霉素，其中只左旋有疗效。,分离出左旋品（左霉素），,疗效同天然品。,用量糖术可, = a C l,合成品为左、右旋各半，,70,四、磁致旋光（magnetic opticity）,旋转的角度,V 费德尔常量，,水、二硫化碳、,食盐、乙醇等,对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由,都是磁致旋光,物质。,旋光物质本身决定的，,与光的传播方向无关。,71,72,对磁致旋光物质，光沿 与逆 方向传播，,振动面旋向相反。,73,光隔离器：,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,磁光调制,令 = 45，,则 2 = 90，,反射光通不过P,