光的偏振和晶体光学基础课件.ppt
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1、第十五章 光的偏振和晶体光学基础,晶体偏振光学元件、偏振光的干涉,偏振光概述,光在晶体中的传播,晶体偏振器件,偏振的矩阵表示,物理光学,偏振光的变换和测定,偏振光的干涉,15.1 偏振光的概述,一、偏振光与自然光,自然光:具有一切可能的振动方向的许多光波之和,1、自然光(natural light),特点:振动方向的无规则性。,表示:可用两个振动方向垂直的、强度相等的、位相关系不确定的光矢量表示。,光矢量的方向和大小有规则变化的光,2、偏振光(polarized light),线偏振光:光矢量方向不变,其大小随位相变化。圆偏振光:光矢量大小不变,其方向绕传播方向均匀转动,且矢量末端轨迹为圆。椭
2、圆偏振光:光矢量大小和方向都在有规律地变化,且矢量末端轨迹为椭圆。,光矢量与传播方向组成的平面称为线偏振光的振动平面。,1)线偏振光,2)圆偏振光,左旋,,右旋,3)椭圆偏振光,左旋椭圆光右旋椭圆光,3、部分偏振光,自然光在传播过程中,由于外界的作用造成振动方向上强度不等,使某一方向上的振动比其它方向上的振动占优势。,表示:部分偏振光=完全偏振光+自然光,光的电矢量在某一确定的方向上最强,而在和它成正交方向上最弱,这种光称为部分偏振光。,完全偏振光,自然光,部分偏振光,4、偏振度,偏振度,部分偏振光的总强度;,部分偏振光中包含的自然光的强度;,部分偏振光中包含的完全偏振光的强度。,完全偏振光(
3、线、圆、椭圆)P=1自然光 P=0部分偏振光 0 P 1,二、偏振光的产生,主要方法:(与偏振相关的过程)利用反射和折射利用二向色性利用散射利用晶体双折射,当自然光入射到介质表面时,反射光和折射光都是部分偏振光,当光以一个特定角b从折射率为 n1 的介质射向折射率为 n2 的介质时,反射光就变为振动方向垂直于入射面的完全偏振光,而折射光仍为部分偏振光,1、由反射和折射产生偏振光,由菲涅耳公式:反射光、折射光和入射光电矢量的P分量和S分量振幅比分别为,布儒斯特定律,由折射定律,布儒斯特定律,b称为布儒斯特角(全偏振角),注意:,玻璃 n2=1.5,布儒斯特角,水 n2=1.33,1)当入射角为布
4、儒斯特角时,反射光为振动方向垂直入射面的线偏振光,而折射光仍为振动方向平行于入射面的成分占优势的部分偏振光,这是因为反射光强很弱,光强达不到自然光的一半,2)要注意布儒斯特角与全反射角的区别:两者条件不同。全反射时对n1、n2 有要求;而布儒斯特角无此要求;入射角大于全反射角时都会发生全反射,但只有入射角等于布儒斯特角时反射光才是完全线偏振光,3)在布氏定律中,n1为反射光线所在媒质的折射率,n2为折射光线所在媒质的折射率,自然光以布儒斯特角由空气入射到玻璃表面时,反射的线偏光(振动面垂直于入射面)的光强仅占入射光强的15%,而折射到玻璃中的部分偏光(振动面平行于入射面的分量为主)的光强约占入
5、射光强的85%,用玻璃片堆后,可使得反射光和折射光均为线偏光。且光强约各占50%,2,用玻璃片堆获得偏振光,偏振分光镜,n3,制作 原理 n3 膜层厚度 层数,在光学中,某些物质能有选择的吸收某一个方向的光振动,而只允许某个特定方向的光振动通过,物质的这种性质称为二向色性。自然光通过这种介质,就能去掉自然光中某一方向的光振动而形成偏振光。,2、二向色性产生偏振光,二向色性的有机晶体,如硫酸碘奎宁、电气石或聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后,在高温下拉伸、烘干,然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片。它有一个特定的方向,只让平行与该方向的振动通过。,一束非偏振光入射到气体上,那么在与入射光束垂直的方向上
6、被散射的光是线偏振光。散射光的振动方向 在光线传播方向的垂直平面内。,3、由散射产生偏振光,三、马吕斯定律和消光比,如果一入射线偏振光的电矢量振动方向和检偏器的透光轴成 q 角,则通过检偏器之后的光强 I 为:,起偏器:用来产生偏振光的偏振器件。检偏器:用来检验偏振光的偏振器件。,消光比:最小透射光强和最大透射光强之比。消光比与最大透射比(透过的最大光强之比)评价偏振器性能的主要参数。消光比小,最大透射比大,偏振器质量高,验证马吕思定律的实验装置:,一、晶体的双折射现象,1.双折射现象,当一束单色光在各向异性晶体的界面折射时,一般可以产生两束折射光,这种现象称为双折射。,15.2 光在晶体中的
7、传播,一束折射光服从折射定律,沿各方向的传播速度相同,各向折射率no 相同,且在入射面内传播,这一条光称为寻常光,简称 o光。,一束折射光不服从折射定律,沿各方向的传播速度不相同,各向折射率 ne 不相同,并且不一定在入射面内传播,这一条光称为非常光,简称 e光。,2、寻常光(o光)和非常光(e光),在双折射晶体中存在一个特殊的方向,当光束在这个方向传播时不发生双折射,此方向称为晶体的光轴。,在光轴方向上,o 光和 e 光都遵守折射定律。而且:no=ne,1、光轴:,具有一个光轴的晶体,称为单轴晶体。例如:方解石、石英等。具有两个光轴的晶体,称为双轴晶体。例如:云母、硫黄等。,一、晶体特性,1
8、5.3 晶体光学性质的几何表示,2、o光和e光的主平面(单轴晶体),A.o光主平面:o光和晶体光轴组成的面为o主平面。,o光振动方向垂直于o主平面。总与光轴垂直,B.e光主平面:e光和晶体光轴组成的面为e主平面。,e光振动方向位于e主平面。与光轴的夹角随着传播方向的不同而改变。,3、主截面:光轴和晶体表面法线组成。,当光线在主截面入射(不与光轴重合)时,在晶体内o光和e光都在主截面内,但no和ne不等。(o光和e光共同的主平面),光线在一般情况下入射晶体,o光和e光是不同面的。,当入射光在主截面内时,o光,e光主平面均为主截面。o光,e光的光矢量互相垂直。,4、折射率椭球 光线面,单轴晶体折射
9、率椭球,光线面:光线速度面,等相位面,o 光在晶体内任意点所引起的波阵面是球面。即具有各向同性的传播速率。e 光在晶体内任意点所引起的波阵面是旋转椭球面。沿光轴方向与o光具有相同的速率。,e光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同,传播速度也不同,5正负晶体:VoVe时为正晶体;VoVe时为负晶体。,正晶体:no ne,e光波面(椭球面)在o光波面(球面)之内。,负晶体:no ne,o光波面(球面)在e光波面(椭球面)之内。,正晶体,y=0截面,正晶体,z=0截面,负晶体,y=0截面,负晶体,z=0截面,光轴,e,e,A,o,A,A,o,A,入射光,E,O,光线垂直入射时的双折射现象,E,O,A,A
10、,15.4 光在晶体表面的折射和反射,光轴,e,e,A,o,A,A,o,A,入射光,O,光线垂直入射时的双折射现象(晶体表面垂直于光轴),E,O,E,光轴,e,e,A,o,A,A,o,A,入射光,O,光线垂直入射时的双折射现象(晶体表面平行于光轴),E,O,E,光轴,e,e,A,o,A,A,o,A,入射光,O,光线垂直入射时的双折射现象(晶体表面平行于光轴),E,O,光轴,e,A,o,A,A,A,入射光,E,O,A,A,O,o,e,光线在晶体主截面内倾斜入射时的双折射现象(光轴在主截面内),光轴,e,A,o,A,A,A,入射光,E,o,o,A,A,光线在晶体主截面内倾斜入射时的双折射现象(光轴
11、垂直于主截面),o,e,一、偏振器件,作用:产生偏振光或检测偏振光。,自然光入射,其中一束线偏振光发生全反射,只出射另一束偏振光,15.5 晶体偏振器件,(一)偏振起偏棱镜,材料:方解石,加拿大树胶,O光全反射,透出的偏振光的光矢量与入射面平行e光,1、尼科耳棱镜(W.Nicol),光轴,S1,S2,光轴,e,A,o,A,A,A,入射光,E,O,A,A,O,o,e,光线在晶体主截面内倾斜入射时的双折射现象,尼科耳棱镜(W.Nicol),孔径角:,缺点:1.不适用于高度会聚,2.价格十分昂贵,优点:1.对可见光的透明度高,2.能产生完善的线偏振光,综合评定:比较优良,或发散的光束,光垂直于棱镜端
12、面入射时,方解石直角棱镜,胶合剂,2、格兰汤姆逊(Glan-Thompson)棱镜,光轴,e,e,A,o,A,A,o,A,入射光,O,光线垂直入射时的双折射现象(晶体表面平行于光轴),E,O,光轴,e,A,o,A,A,A,入射光,E,o,o,A,A,光线倾斜入射时的双折射现象,o,e,空气薄层,优点:适用于紫外波段,能承受强光照射,缺点:孔径角小,透射比不高,3、格兰付科(Glan-foucault)棱镜,光轴,e,e,A,o,A,A,o,A,入射光,O,光线垂直入射时的双折射现象(晶体表面平行于光轴),E,O,E,利用两个正交的光轴分解光。材料:冰洲石,石英,A,B,C,D,(二)偏振分束棱
13、镜,改变振动方向互相垂直的两束线偏振光的传播方向,获得两束分开的线偏振光,1、渥拉斯顿棱镜(Wollaston):,光轴,e,e,A,o,A,A,o,A,入射光,O,光线垂直入射时的双折射现象(晶体表面平行于光轴),E,O,E,光轴,e,A,o,A,A,A,入射光,E,o,o,A,A,光线倾斜入射时的双折射现象,o,e,材料:石英,只允许光从左方射入棱镜,2.洛匈棱镜,二、波片(位相延迟器),作用:使两个振动方向相互垂直的光产生位相延迟。,制作:用单轴透明晶体做成的平行平板,光轴与表面平行。,波片最常用的材料:云母,石英,聚乙烯醇薄膜,光轴,e,e,A,o,A,A,o,A,入射光,O,光线垂直
14、入射时的双折射现象(晶体表面平行于光轴),E,O,光轴,e,e,A,o,A,A,o,A,入射光,O,光线垂直入射时的双折射现象(晶体表面平行于光轴),E,O,E,o光和e光通过波片时的光程差与位相差:,d是波片厚度。,快轴:称晶体中传播速度快的光矢量方向为快轴。,慢轴:称晶体中传播速度慢的光矢量方向为慢轴。,性质:,1)对某一特定波长的光产生某一特定的相位变化2)自然光入射,出射光为自然光3)只改变偏振态,不改变光强,则称该波片是1/4波片.,若,1、/4波片,1/4波片的最小厚度:,与快慢轴都成45度线偏振光入射,出射光为圆偏振光,1、/4波片,1)线偏振光入射时,出射光一般为椭圆偏振光,沿
15、快慢轴方向偏振线偏振光入射,出射光偏振不变,入射线偏振光在二四象限,出射光右旋,入射线偏振光在一三象限,出射光左旋,2)可以使圆偏振光或正椭圆偏振光变成线偏振光,O光和e光产生的光程差,称该晶片为二分之一波片。,2、/2波片,性质:,线偏振光入射时,出射光仍为线偏振光。若入射的线偏振光与快(慢)轴夹角为,出射光的振动方向向着快(慢)轴转动了2。,出射光是入射光沿快轴或慢轴的镜像,入射时,快(慢)轴,出射时,椭圆偏振光入射时,出射光仍为椭圆偏振光,只是旋向相反,3、全波片,称该晶片为全波片。,性质:,1)不改变入射光的偏振状态;2)只能增大光程差。,产生连续改变的位相差,三、补偿器,一、偏振器件
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