1、,5.1 自然光與偏振光 5.2 線偏振光與部分偏振光 5.3 光通過(guò)單軸晶體時(shí)的雙折射現(xiàn)象 5.4 光在晶體中的波面 5.5 光在晶體中的傳播方向 5.6 偏振器件 5.7 橢圓偏振光與圓偏振光,5.8 偏振態(tài)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) 5.9 偏振光的干涉 5.10 光彈性效應(yīng)和電光效應(yīng) 5.11 線偏振光沿晶體光軸傳播時(shí)振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn) 5.12 偏振態(tài)的矩陣表述 瓊斯矢量和瓊斯矩陣,5.1 自然光與偏振光,前言,橫波波的振動(dòng)方向與傳播方向相互垂直。,縱波波的振動(dòng)方向與傳播方向相同。,波的振動(dòng)方向?qū)鞑シ较蚓哂袑?duì)稱性。,波的振動(dòng)方向?qū)鞑シ较驔](méi)有對(duì)稱性,偏振,一、光的偏振性,光,單色光,復(fù)色光,（頻率）,光

2、波是電磁波，光與物質(zhì)相互作用是， 起主要作用的是電矢量,所以電矢量 稱為光矢量。,偏振態(tài)在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)光矢量 的振動(dòng)狀態(tài)。,自然光 （非偏振光）,一 般 光 源 發(fā) 出 的 光,圓 偏 振 光,橢圓 偏 振 光,左 旋,右 旋,偏振態(tài)的分類,部分偏振光,完全偏振光,左 旋,右 旋,平面偏振光 （線偏振光）,一般，用單色光討論偏振態(tài)。,二、自然光與偏振光,線偏振光可沿兩個(gè)相互垂直的方向分解,1.平面偏振光（線偏振光）,表示法：,2. 自然光,等幅的、不相干的線偏振光。,自然光的表示法：,一束自然光可分解為兩束振動(dòng)方向相互垂直的、,5.2 線偏振光與部分偏振光,利用,物質(zhì)的二向色性,分

3、界面的反射和折射,晶體的雙折射,可得到線偏振光,一、由二向色性產(chǎn)生平面偏振光,1. 二向色性,對(duì)相互垂直的振動(dòng)的具有不同吸收本領(lǐng)的特性。,偏振片,起偏器用來(lái)產(chǎn)生線偏振光,檢偏器用來(lái)檢驗(yàn)偏振光,檢偏,2. 馬呂斯定理,馬呂斯定律（1809）, 消光,馬呂斯定律,二、反射光的偏振態(tài),1. 布儒斯特角,當(dāng),rp=0,即反射光中無(wú)平行分量， 成為平面偏振光。,用i10表示,i10布儒斯特角,p分量振動(dòng)方向平行于入射面 s分量振動(dòng)方向垂直于入射面,自然光反射和折射后成為部分偏振光,2. 部分偏振光,平面偏振光+自然光,表示法：,最常討論的部分偏振光可看成是自然光和線偏振光的混合，,天空的散射光和水面的反

4、射光就是這種部分偏振光，它可以分解如下：,自然光不以布儒斯特角入射：,自然光反射和折射后成為部分偏振光,書(shū)P52頁(yè)，例5.2,實(shí)驗(yàn)上很難以準(zhǔn)確的布儒斯特角入射，使反射光成平面偏振光。 一般用玻璃堆， 透射光成平面偏振光。,激光器諧振腔輸出線偏振光,布儒斯特窗,透振方向,書(shū)P.312,例5.2,通過(guò)偏振片觀察一束部分偏振光。當(dāng)偏振片由對(duì)應(yīng)透射光強(qiáng)最大位置轉(zhuǎn)過(guò)60時(shí)，其光強(qiáng)減為一半。試求這束部分偏振光的強(qiáng)度之比和光束的偏振度。,經(jīng)偏振片P后透射光強(qiáng)最大為(=0),P,Ip,偏振片轉(zhuǎn)動(dòng)60 (=60)后透射光強(qiáng)為,整理得，,偏振度,5.3 光通過(guò)單軸晶體時(shí)的雙折射現(xiàn)象,一、雙折射現(xiàn)象,2.尋常（o）

5、光和非尋常（e）光,方解石,o,e,演示,以入射方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)方解石,雙折射的兩 束光振動(dòng)方 向相互垂直,雙折射會(huì)映射出雙像：,當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時(shí),o 光的像不動(dòng)，,e光的像圍繞 o 光的像旋轉(zhuǎn)。,二、光軸和主截面,特定的方向，晶體中光沿這個(gè)方向傳播時(shí)，不發(fā)生雙折射現(xiàn)象。,例如，方解石晶體（冰洲石）,由鈍隅引出的與三個(gè)棱邊成等 角的方向就是光軸。,沿此方向的直線均為光軸。,1. 光軸,沿光軸方向傳播 n()=no,沿垂直于光軸方向傳播 n()=ne,n()為e光的折射率,單軸晶體：只有一個(gè)光軸的晶體，如方解石、石英。,雙軸晶體：有兩個(gè)光軸的晶體，如云毋、硫磺、黃玉。,2. 主截面,晶體中光的傳播

6、方向與晶體光軸構(gòu)成的平面,叫該光線的主截面。,o光的振動(dòng)方向垂直于o光的主截面,e光的振動(dòng)方向平行于e光的主截面,一般， o光與e光 的振動(dòng)方向不垂直。,晶體雙折射,如果光軸在入射面內(nèi)，兩主截面重合，則 o光與e光的振動(dòng)方向相互垂直。,注：若兩截面夾角很小，常常將o光與e光的振動(dòng)方向 看作近似垂直。,三、 o光與e光的相對(duì)光強(qiáng),1. 自然光入射,考慮垂直入射的特殊情況（光軸在入射面內(nèi)）,2. 線偏振光入射,以入射光為軸旋轉(zhuǎn)晶體，主截面隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，即改變。, =0 ，I0=0, Ie=I =90，I0=I ,Ie=0,書(shū)P321頁(yè)，例5.4,強(qiáng)度為I的自然光，垂直入射到方解石晶體上后又垂直入射到

7、另一塊完全相同的晶體上。兩塊晶體的主截面之間的夾角為， 試求當(dāng)分別等于30和180時(shí)，最后透射出來(lái)的光束的相對(duì)強(qiáng) 度（不考慮反射、吸收等損失）。,解：,經(jīng)第一塊晶體后：,經(jīng)第二塊晶體后,相對(duì)強(qiáng)度為,經(jīng)第二塊晶體后,由于兩塊晶體相同，兩主截面夾角為180，此時(shí)它們 光軸方向關(guān)于表面法線對(duì)稱，則e光在第一塊晶體中的 偏折方向與在第二塊晶體中的偏折方向相反，因而從 第二塊晶體出射的o光和e光傳播方向重合，成為一束 自然光。其強(qiáng)度為：,5.4 光在晶體中的波面,o光在晶體中的波面是球面。,e光在晶體中的波面是旋轉(zhuǎn)橢球面。,相對(duì)介電常數(shù)，,磁導(dǎo)率,單軸晶體，以光軸（z軸）旋轉(zhuǎn)對(duì)稱（如圖）,光振動(dòng)方向垂直

8、z軸,光振動(dòng)方向沿z軸, e光,主截面光的傳播方向與晶體光軸構(gòu)成的平面,光的振動(dòng)方向垂直于主截面,不管往任何方向傳播，光振動(dòng)方向垂直于光軸，,波陣面為球面 o光,光的振動(dòng)方向平行于主截面,光振動(dòng)方向垂直z軸,光振動(dòng)方向平行z軸,波陣面為旋轉(zhuǎn)橢球面 e光,光沿光軸傳播,光垂直光軸傳播,沿任何方向傳播速度相同,沿不同方向傳播速度不相同,5.5 光在晶體中的傳播方向,正晶體,負(fù)晶體,vevo,vevo,石英,方解石,一、單軸晶體內(nèi)o光和e光的傳播方向,1. 以i角入射到晶體，光軸在入射面內(nèi),r0,晶體,i,vot,vet,A,B,D,e,o,re,晶體雙折射,2. 光軸垂直于晶體表面，正入射,3.

9、光軸平行于晶體表面，正入射,光軸,晶體,不發(fā)生雙折射,發(fā)生雙折射,4. 光軸垂直入射面向外，正入射,光軸 ,晶體,二、單軸晶體的主折射率,o光主折射率,e光主折射率,特殊情況下，光軸 垂直于入射面時(shí)， 有,發(fā)生雙折射,5.6 偏振器件,一、尼科耳棱鏡,no=1.658 ne=1.486 n膠=1.550,涂黑,e,o光被吸收,二、渥拉斯頓棱鏡, ,加拿大樹(shù)膠,e,o,e,o,尼科耳棱鏡,三、波（晶）片,波片光軸平行于表面的單軸晶體，其o光和e光 沿同一方向傳播。（發(fā)生雙折射）,波片厚度為d，,nodo光在波片中的光程,nede光在波片中的光程,光程差： = （no- ne）d,相位差：,主截面

10、,與光軸夾角為的線偏振光 經(jīng)過(guò)半波片后，出射光振動(dòng) 方向偏轉(zhuǎn)2 。,平面偏振光入射：,o光、 e光光強(qiáng)比sin2/cos2 ,相位差：,自然光入射：,o光、 e光光強(qiáng)比1，無(wú)固定相位差自然光,對(duì)于半波片，, , ,玻璃,舉例：,（1）,（2）,方解石晶體,no=1.658 ne=1.486,no=1.658 ne=1.486 n玻=1.5,方解石,e,o,5.7 橢圓偏振光與圓偏振光,圓偏振光電矢量大小不變，末端在波面內(nèi) 描繪出一個(gè)圓。,橢圓偏振光電矢量大小改變，末端在波面內(nèi) 描繪出一個(gè)橢圓。,迎著光線方向看，,順時(shí)針右旋,逆時(shí)針左旋,一、圓偏振光和橢圓偏振光的描述,2. 描述,1. 定義,橢

11、圓偏振光可通過(guò)兩列頻率相同，振動(dòng)方向相互垂直， 沿同一方向傳播的線偏振光疊加得到。,振幅,端點(diǎn)軌跡方程：, =0，, = /2, =其他值,討論,線偏振光,AxAy 橢圓偏振光,Ax=Ay 圓偏振光,斜向橢圓偏振光,圓偏振光可通過(guò)兩頻率相同，振動(dòng)方向相互垂直，且振幅相同， 位相差(2k+1)/2, 沿同一方向傳播的線偏振光疊加得到。,晶片是光軸平行表面的晶體薄片。,通過(guò)厚為d的晶片，o、e光產(chǎn)生相位差：,振幅關(guān)系：,從晶片出射的兩束光合成為一束橢圓偏振光。,二、圓偏振光和橢圓偏振光的獲得,1. 晶片,則出射光為圓偏振光。,若,且,2. 波（晶）片,四分之一波片, 線偏振光圓偏振光, 線偏振光線

12、偏振光,可從線偏振光獲得橢圓或圓偏振光（或相反）,（是對(duì)某個(gè)確定波長(zhǎng) 而言的）,波片厚度滿足,線偏振光橢圓偏振光,三、自然光改造成橢圓或圓偏振光,自然光入射：,無(wú)固定相位差自然光,自然光須先經(jīng)過(guò)一起偏器，再經(jīng)過(guò)四分之一波片才可獲得橢圓或圓偏振光。,光軸,透振方向,1/4波片,=45時(shí)，獲得,圓偏振光,5.8 偏振態(tài)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),一、檢偏器,旋 轉(zhuǎn) 檢 偏 器,偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）,以入射光方向?yàn)檩S,偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）,線偏振光,I不變, 無(wú)消光,四分之一波片,偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）,以入射光方向?yàn)檩S,四分之一波片,偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）,光軸平行最大光強(qiáng)或最小光強(qiáng)方向放置,或光軸平行橢圓偏振光的長(zhǎng)軸或短軸放置,加 四 分 之 一 波 片, 如何區(qū)分由自然光和橢圓偏振光組成的 部分偏振光與由自然光和線偏振光組成 的部分偏振光？, 如何區(qū)分由自然光和圓偏振光組成的部分 偏振光與自然光？,5.9 偏振光的干涉,一、 偏振光干涉裝置和強(qiáng)度分布,1. 振幅關(guān)系,A1o,A2o,P2,P1,C,A1,A1e,A2e,在P2 后：,在P1 后：,干涉光強(qiáng)：,波片引入的位相差：,P1，P2在波片光軸的同側(cè)。, + P1，P2在波片光軸的異側(cè)。,相長(zhǎng)干涉,相消干涉,若單色光入射，,則屏上為等厚條紋。,且d不均勻，,P1，P2在波片光軸的同側(cè),P1，P2在波片光軸的異側(cè),相消干涉,相長(zhǎng)干涉,特例：,（1）