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1、Chap.5 Polarization of Light 第5章 光的偏振,主 要 内 容,5.1 自然光与偏振光 5.2 线偏振光与部分偏振光 5.3 光通过单轴晶体时的双折射现象 5.4 光在晶体中的波面 5.5 光在晶体中的传播方向 5.6 偏振器件 5.7 椭圆偏振光和圆偏振光 5.8 偏振态的实验检验 5.9 偏振光的干涉,Chap.5 Polarization of Light 第5章 光的偏振,偏 振 态,5.1 自然光与偏振光,一、光的偏振性. 纵波：波的振动方向与波的传播方向相互平行；如声波。 横波：波的振动方向与波的传播方向相互垂直。如张紧的柔软的绳、电磁波。 偏振：振动方
2、向对于传播方向的不对称性。只有横波才有偏振现象。 电磁波是横波 光波也是横波。（光波也是电磁波） 线偏振光：光在传播过程中电矢量的振动只限于某一确定平面内（投影为直线）。 振动面：电矢量和光的传播方向所构成的平面。,5.1 自然光与偏振光,二、自然光 具有在轴对称的各个方向上电矢量的时间平均值是相等的这种特点的光称为自然光。 它是由轴对称分布、无固定相位关系的大量线偏振光集合而成的， 。 即：它可以看作是两个振幅相同、振动相互垂直的非相干的线偏振光的叠加。,5.2 线偏振光与部分偏振光,一、由二向色性产生的线偏振光 二、反射光的偏振态 三、透射光的偏振态,5.2 线偏振光与部分偏振光,起偏器：
3、能以某种方式选择自然光中的一束线偏振光，而摈弃另一束线偏振光的光学器件。 自然光经过起偏器后可以转变成线偏振光。 线偏振光的电矢量：,一、由二向色性产生的线偏振光,二向色性：是指有些晶体对不同方向振动的电矢量，具有选择吸收的性质。 如：电气石（晶体）、聚乙烯醇片、硫酸碘奎宁晶体等。 偏振片：含有平行地排列起来的长链聚合物分子的薄膜。 透振方向：偏振片上能透过电矢量振动的方向。 马吕斯定律： 线偏振光通过检偏器后透射光强随 角变化的规律。 注意： 自然光通过无吸收的理想偏振片后其强度应减为原来的一半。,二、反射光的偏振态, 反射光的偏振态 当一束自然光在两种介质界面上反射和折射时，反射光和折射光
4、的传播方向由反射定律和折射定律决定，而其偏振态则由电磁场的边界条件决定：,二、反射光的偏振态,讨论： 在 当自然光以其它任何角度（除0、90外） 入射时，有,二、反射光的偏振态,部分偏振光的图示： 偏振度P： 讨论： if if,二、反射光的偏振态,布儒斯特定律：,三、透射光的偏振态,自然光以任意入射角入射时，折射后从介质透射出来的光总是部分偏振光。 只是在以布儒斯特角入射时，电矢量的平行分量是100%透过，这时透射光的偏振度最高。 （利用菲涅耳公式可给予解释，见P219-220）,三、透射光的偏振态,采用多次折射的方法，亦可获得线偏振光： 自然光以布儒斯特角入射到透明介质堆上时，透射光几乎是
5、线偏振光，它的电矢量平行于入射面。 在偏振光分析和激光技术中，广泛地应用着反射起偏和透射起偏。,5.3 光通过单轴晶体时的双折射现象,一、双折射现象 二、光轴、主平面和主截面 三、o光和e光的相对光强,一、双折射现象, 双折射：同一束入射光折射后分成两束的现象。 o光和e光： 寻常光（ordinary ray）:仍沿原方向在晶体内传播， 遵从折射定律； 非常光（extraordinary ray）:在晶体内偏离原来的方 向，不遵从折射定律。 注意：o光和e光只有在双折射晶体内部才有意义， 射出晶体以后就没有意义了。,二、光轴、主平面和主截面, 光轴：若改变入射光的方向，将发现在晶体内存在着一些
6、特殊的方向，沿着这些特殊方向传播的光并不发生双折射，即o光和e光的传播速度和传播方向都一样。这些特殊的方向就称为晶体的光轴。 注意：光轴仅标志一定的方向。 单轴晶体：只有一个光轴的晶体。如方解石（碳酸钙、冰洲石）、石英（水晶）、红宝石等。 双轴晶体：有两个光轴的晶体。如云母、硫磺、黄玉等。 主平面：包含晶体光轴和一条给定光线的平面叫做与这条光线相对应的晶体的主平面。 如：通过光轴和o光所作的平面就是和o光对应的主平面； 通过光轴和e光所作的平面就是和e光对应的主平面。,o光和e光都是线偏振光,但它们的光矢量的振动方向不同：o光的振动面垂直于自己的主平面；e光的振动面平行于自己的主平面。 一般情
7、况下，o光和e光的主平面并不重合；仅当光轴位于入射面内时，这两个主平面才严格的相互重合。在大多数情况下，这两个主平面之间的夹角很小，o光和e光的振动面几乎互相垂直。 3、主截面 ：包含晶体光轴和界面的法线的平面叫做与这条光线相对应的晶体的主截面。 当光线的入射面与主截面重合时， o光和e光都在入射面内，它们的主平面互相重合，也和主截面及入射面重合。,三、o光和e光的相对光强,不论是自然光，还是线偏振光，当它们入射到单轴晶体时，一般都会发生双折射。 在自然光入射的情况下，o光和e光的振幅相同；而在线偏振光入射时，o光和e光的振幅不一定相同，且随着晶体方向改变，其振幅也发生变化。 AA垂直入射 的
8、线偏振光的振动面 与纸面的交线。 晶体的主 截面与纸面的交线。 振动面与 主截面的夹角。,三、o光和e光的相对光强,又 o光的振动面垂直于主截面， e光的振动面平行于主截面. 即： if: o光和e光射出晶体后都在空 气中传播，此时则没有o光和 e光之分， 显然：o光和e光的相对光 强随 角的改变而改变，当晶体绕入射光传播方向为轴旋转时，两束光的相对光强也就不断变化。,三、o光和e光的相对光强,当 = ，即晶体主截面垂直于入射偏振光的振动面时， 当 ，即晶体主截面平行于入射偏振光的振动面时， 当（ 为任意角 且）扩大入射光束使o光和e光相互重叠时，则： 即 不论晶体怎样转动，重叠部分强度不变。
9、,5.4 光在晶体中的波面,波面 完全包住一个单色点光源的波阵面。 振动方向垂直于主截面的光是o光，它们沿着一切方向传播的速度都相同。o光的波面是一个球面。 振动方向平行于主截面的光是e光，它在不同方向有不同的传播速度。e光的波面是旋转椭球面。 对于截面不大的e光束来说，它的传播方向不一定垂直于波面。,5.4 光在晶体中的波面,光在单轴晶体中传播时，沿着光轴方向传播的光，速度都相同，不发生双折射。,5.5 光在晶体中的传播方向,一、单轴晶体内o光与e光的传播方向 利用晶体中波面的特点和惠更斯作图法，便可确定晶体内o光和e光的传播方向，下面以方解石为例： （因为方解石在偏振器件中应用广泛. 石英
10、不是一个简单的正晶体，在光轴方向上，e o ） 平行光斜入射： o光的传播方向 垂直于它的波面， e光的传播方向不 垂直于它的波面。,5.5 光在晶体中的传播方向,光轴在入射面内 o光和e光也都在入射面内，相应 的两个主截面都和入射面重合。 o 光的振动垂直于图面(小黑点)， e光的振动平行于图面（短线条）。 光轴不在入射面内 e光不在入射面内，o光和e光的主 截面不再重合。 光轴在入射面内并与晶体表面成一定角度 当一束光与光轴平行地入射到晶体时，e 光与入射光线在表面法线的同侧。 显然，、中的 e 光不满足折射定律。,平行光束垂直入射 o光和e光在晶体中沿同一方向传播。 光轴垂直于晶体表面并
11、平行于入射面 光沿着光轴传播，两束 光不再分开，且传播速度 相同，所以不发生双折射。 光轴平行于晶体表面并 垂直于入射面 o光和e光的传播方向相 同，但二者波面不重合（ 传播速度不同），传播一段 距离后，o光和e光有相位差， 有双折射。 光轴平行于晶体表面并平行于入射面 o光和e光的传播方向相同，但其传播速度不同，波面不重合，传播一段距离后，o光和e光有相位差，有双折射。 实际上，、是对应于相同的情况，它们代表同一组球面和椭球面的两个不同截面。,5.5 光在晶体中的传播方向,二、单轴晶体的主折射率 方解石： =1.65836， =1.48641 （e光沿垂直于光 轴的方向传播）， 石英： =1
12、.54425， =1.55336,5.6 偏振器件,o光和e光的特点：,5.6 偏振器件,一、尼科耳棱镜 二、沃拉斯顿棱镜 三、波片,一、尼科耳棱镜,原理： 利用双折射现象，将自然光分成o光和e光，再利用全反射把o光反射到棱镜侧壁上，只让e光通过棱镜，从而获得一束振动方向固定的线偏振光。 结构：,光路： 就e光来说，树胶相对于方解石是光密介质；就o光来说，树胶相对于方解石是光疏介质。 入射光平行于棱 e光因 ，不能产生全反射，透射出来。 入射光不是平行于棱 入射极限角SM 注意：在使用尼科耳时，应避免用高度会聚或发散的光束，激光作为入射光束最为理想。,一、尼科耳棱镜,一、尼科耳棱镜,应用： 尼
13、科耳可以作为起偏器，也可以作为检偏器。 作为检偏器： 透射出尼科耳后的线偏振光（e光）的光强为： 。 其中： 自然光连续通过两个尼科耳： N1 起偏器，N2 检偏器， 两尼科耳主截面(e光)之间的夹角。 a.平行尼科耳： 自然光通过平行尼科耳时透射光最强。 b.正交尼科耳： 自然光通过正交尼科耳时透射光强为0。,2,一、尼科耳棱镜,5.傅科棱镜： 仅以空气层代替加拿大树胶。横截面相同时，长度较尼科耳短。 优点： 可用于紫外线（加拿大树胶对紫外线有强烈吸收，尼科耳对此波段不适应用）； 制造成本较低（长度较尼科耳短） ； 更坚固耐用（短）。,二、沃拉斯顿棱镜,1.作用：能产生两束互相分开的、振动互
14、相垂直的线偏振光。 2.结构：由两个光轴互相垂直的直角棱镜组成（材料方解石）。 3.光路：自然光垂直入射 （证明见P266附录5.1）,三、波片,1.定义：由单轴晶体切割成的光轴平行于表面且能使o光和e光沿同一方向传播并产生一定相位差的薄片。 2.原理：当一束振幅为A0的平行光垂直入射到波片上时，在入射点分解成的o光和e光的相位是相等的。但光一进入晶体，由于o光和e光的传播速度不同，其波长也不相同，所以就逐渐形成相位不同的两束光。 这两束光在波片内引起的振动分别为： . 其中：o、 e 是在波片中o光和e光的波长，r 是光波进入波片中的某点离波片表面(入射点)的距离。 在波片中，两束光的相位差
15、为：,.,三、波片,可见：两束光在波片内不同深度的各点 不同。 当两束光射出波片后，其相位差即为： 可见：,三、波片,3.种类： 实际上： 半波片： 线偏振光垂直入射到半波片而透射后，仍为线偏振光。若入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过 2。 全波片： 其应用，以后各节再讲。 此外还有 波片及任意波片等。,.,5.7 椭圆偏振光和圆偏振光,一、椭圆和圆偏振光的描述 二、椭圆和圆偏振光的获得 三、自然光改造成椭圆或圆偏振光,一、椭圆和圆偏振光的描述,椭圆偏振光： 椭圆偏振光指的是电矢量的端点在波面内描绘出的轨迹是椭圆；它可用两列频率相同、振动方向相互垂直、相位差恒定且沿同一方向传播的线偏振光的叠加描述。 椭圆的方向取决于相位差 。 迎着光传播的方向观察，电矢 量端点描出的椭圆沿顺（逆） 时针 方向，则为右（左）旋椭圆偏振光。,.,2,2,一、椭圆和圆偏振光的描述,一、椭圆和圆偏振光的描述,圆偏振光： 电矢量的端点在波面内描绘出的轨迹是圆。 当 在光的传播方向上任意一个场点电矢量端点的轨迹是一个圆圆偏振光。 例：P237 L5.7：半波片使左旋圆偏振光转变成了右旋圆偏振光。,二、椭圆和圆偏振光的
