《光学课件之八：光在晶体中的传播(2020年整理).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光学课件之八：光在晶体中的传播(2020年整理).ppt（30页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 制作者 赣南师范学院物理与电子信息学院 王形华 光在晶体中的传播 3 偏振光的干涉及其应用 2 相关知识点复习 1 双折射现象 一束光线照射到晶体的表面 在晶体内产生两条折射线 一条总是符合普通的折射定律 电矢量的振动方向与主平面垂直 称为寻常光 o光 而另一条却常常违背它 电矢量的振动方向与主平面平行 称之为非寻常光 e光 都是100 的线偏振光 2 主折射率 no c v0ne c ve 3 3 晶体偏振器 利用晶体的双折射现象可以制作晶体偏振器 常见的有洛匈棱镜 渥拉斯顿棱镜 尼科耳棱镜 任何光波通过晶体偏振器后出射光都是线偏振光 其偏振方向与偏振器的透振方向相同 4 4 波晶片 位
2、相延迟片 利用晶体的双折射现象可以制作出波晶片即位相延迟片 o e 2 d ne no 4片 2片 全波片 线偏振光通过波晶片后 一般情形下为椭圆偏振光 在一定条件下 退化为圆偏振光或线偏振光 5 干涉条件 频率相同 存在相互平行的振动分量 位相差 稳定 5 新授 4偏振光的干涉及其应用 偏振光的干涉现象在实际中有许多应用 它的基本原理可以通过一个典型装置 两偏振器间放一块波晶片来阐明 6 一 偏振器间的波晶片1 实验装置 7 2 实验现象 1 当波晶片的厚度均匀时 单色光入射 幕上照度是均匀的 转动任何一个元件 幕上的强度都会变化 2 白光入射时 幕上出现彩色 转动任何元件时 幕上的彩色发生
3、变化 3 如果波晶片厚度不均匀 幕上出现干涉条纹 白光照明时出现彩色条纹 4 用一块透明塑料代替波晶片 可能有条纹也可能没有 但给塑料加压力后 会出现干涉条纹 条纹随所加压力的大小而改变 8 3 理论分析偏振片I 透振方向P1 偏振片 透振方向P2 在波晶片内建立直角坐标系 e轴 o轴 e轴与P1的夹角为 e轴与P2的夹角为 入射光 偏振片 P1 波晶片 e轴 o轴 偏振片 P2 出射光 9 10 由上图分析可知 Ae A1cos Ao A1sin Ae2 Aecos A1cos cos Ao2 Aosin A1sin sin 出射光 E2 Ee2 Eo2设Ee2 Eo2的位相差为 则 A2
4、Ae22 Ao22 2Ae2Ao2cos 1 2I2 A22 Ae22 Ao22 2Ae2Ao2cos 干涉项 11 由三个因素决定 1 入 线偏振光在e轴 o轴坐标系中方向不同引起 入 0或 一 三象限为0 二 四象限为 2 波晶片引起的位相差 o e 2 d ne no 3 e轴 o轴 P2轴 坐标投影引起的位相差 0或 e轴 o轴正方向对P2轴的两个投影方向一致 0 若两个投影方向相反 入 入 2 d ne no 0 12 讨论 1 P1 P2 e轴为其对角线 450 入 0 I2 A12 2 1 cos A12 2 1 cos 13 2 P1 e轴不动 P2转到与P1平行 P1 P2
5、450 入 2 I2 A12 2 1 cos 14 小结 I2 A12 2 1 cos P1 P2 e轴为其对角线 450 I2 A12 2 1 cos P1 P2 e轴为其对角线 450 若 2k 即全波片 cos 1对于P1 P2I2 0 消光 对于P1 P2I2 A12 极大 显然转动任何一个元件 幕上的强度都会变化 这便是实验中 1 描述的现象 15 二 显色偏振1 白光是各种波长的单色光组成的 如果其中缺了某种颜色 如缺红色 则呈现它的互补色 绿色 2 对于给定的波晶片 对于某一单色光的波长 1满足 1 o e 2 d ne no 1 2k 则 cos 1 1P1 P2I2 0 消光
6、 暗场 P1 P2I2 A12 极大 亮场 对于另一单色光的波长 2满足 2 o e 2 d ne no 2 2k 1 k取整数 cos 2 1P1 P2I2 A12 极大 亮场 P1 P2I2 0 消光 暗场 16 如果入射光中同时包含波长为 1和 2的光 则P1 P2时显示出波长为 2的颜色 P1 P2时显示出波长为 1的颜色 白光中包含各种可能波长的光 随着P2的转动 将显示出各种色彩的变化 这便是实验中 2 描述的现象 这种现象叫做显色偏振 17 三 偏振光的干涉以上讨论的几种情况 幕上的干涉场中只有均匀的亮暗颜色的变化 但没有出现干涉条纹 这是因为晶片的厚度是均匀的 如果换一块厚度不
7、均匀的晶片 情况怎样 由于d的各处不同 位相差 入 2 d ne no 也不同 用透镜将晶片的出射光成像于幕上 则幕上相应点的强度也不同 出现等厚干涉 18 19 1 波长为 的单色光正入射并且P1 P2时 厚度d满足 o e 2 d ne no 2k 处cos 1I2 0 消光 出现暗纹 厚度d满足 o e 2 d ne no 2k 1 处cos 1I2 A12 极大 出现亮纹 2 P1 P2时 同样分析 可以得到类似的结果 20 3 用白光照明时 各种波长的光的干涉条纹不一样 在某种颜色的光出现暗纹的地方 就显示出它的互补色 这样 幕上就出现彩色条纹 这便是实验中 3 描述的现象 以上即为
8、偏振光的干涉 21 四 光测弹性 入 入 线偏振光在e轴 o轴坐标系中方向不同引起 波晶片引起的位相差 o e 2 d ne no e轴 o轴 P2轴 坐标投影引起的位相差前面讨论了d 对 也即 的影响 由此讨论了偏振光的干涉 同样的折射率之差 ne no 也是一个影响 也即 的因素 22 1 应力的影响对于一些晶体或媒质在成形的过程中 由于内应力的不均匀 会导致晶体或媒质一定程度的各向异性 如玻璃或塑料的退火过程 退火好是各向同性的 退火不好 则会产生一定程度的各向异性 导致媒质内不同点的ne no不一样 产生不同的位相差 其会在干涉条纹上反应出来 对于一些媒质 如玻璃或塑料 给其外加应力
9、也会导致各向异性 应力越集中的地方 各向异性越强 干涉条纹越密 这就是实验中 4 所看到的现象 23 24 2 光测弹性仪利用压力不同 导致媒质各向异性 从而引起偏振光干涉条纹变化 并由此来分析应力分布的仪器称为光测弹性仪 1 检测各种光学元件 如透镜 棱镜 的性能 2 机械工件 桥梁 水坝设计中应考虑的应力影响的测定 要建立模型进行 3 矿井冒顶预测 地震预报 矿井冒顶前及地震前岩层内将出现很大的应力 25 五 克尔效应与泡克耳斯效应1 克尔效应 在一个有平行玻璃窗的小盒内封着一对平行板电极 盒内充有硝基苯 C6H5NO2 的液体 两偏振片的透振方向垂直 P1 P2 极间电场与它们成450
10、见图4 6 26 E 27 实验表明 电极间不加电压时 没有光线射出这对正交的偏振片 这表明盒内液体没有双折射效应 0 当两极板间加上适当大小的强电场 E 104V cm 就有光线透过这个光学系统 这表明 盒内液体在强电场作用下变成了双折射物质 它把进来的光分解成e光和o光 使它们之间产生附加位相差 从而使出射光一般成为椭圆偏振光 28 进一步的实验表明 在克尔效应中 ne no E2 2 ne no d E2d 或 2 BE2d B 物质的克尔常数克尔盒有很多缺点 对硝基苯液体的纯度要求很高 否则克尔常数下降 弛豫时间变长 有毒 液体不便携带等 克尔盒逐渐为某些具有电光效应的晶体所代替 29 2 泡克耳斯效应某些晶体 如KDP 磷酸二氢钾 KH2PO4 附加的位相差 与电场强度的一次方成正比 线性光电效应 此称为泡克耳斯效应 用此类晶体来代替克尔盒 其可以克服克尔盒的有关缺点 性能优良 其基本原理与克尔效应相类似 不再重复 30 总结 本节偏振光的干涉主要讨论光经过两个偏振片及其中间的波晶片后 偏振方向 位相的变化情况以及产生的干涉现象 核心问题是搞清楚光经过它们组成的光学系统后 位相发生了怎样的变化 再结合光的偏振理论和干涉理论 进行相关分析讨论 得出相关结果 作业 P214 1 2
