fang第十五章波動光學基礎

1、University PhysicsXian Jiaotong UniversityAiping Fang 11 / 28 / 2012 University physics AP Fang15-9 線偏振光 自然光光的偏振態(tài) (polarization state)：自然光、關注的主要問題： 當光入射到物質中，其偏振態(tài)發(fā)生哪些變化？ 當光經過偏振器件時，偏振光強度如何變化？ 偏振光如何干涉？一、線偏振光面對光傳播方向（光振動平行板面）（光振動垂直板面）線偏振光的表示法部分偏振光、線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光振動面University physics AP Fang線偏振光沿相互垂直方向分解

2、:二、自然光（natural light）各方向振動態(tài)均衡 一束自然光可分解為兩束振動方向相互垂直的、等幅的、不相干的線偏振光自然光的分解普通光源隨機發(fā)射出大量原子光波列自然光的表示法：三、部分偏振光 (partial polarization)介于線偏振光和自然光之間的情況：University physics AP Fang部分偏振光的分解部分偏振光 部分偏振光可分解為兩束振動方向相互垂直、不等幅、不相干的線偏振光部分偏振光 線偏振光和自然光的混合部分偏振光的表示法：平行板面的光振動較強垂直板面的光振動較強四、偏振度 (degree of polarization)設部分偏振光強度為,自然

3、光強度為強度為，線偏振光，則有 偏振度線偏振光部分偏振光自然光University physics AP Fang15-10 起偏與檢偏 馬呂斯定律一、起偏與檢偏自然光起 偏檢偏線偏振光線偏振光二、馬呂斯( Malus )定律（1809年） 當當 偏振片的應用：太陽鏡，照相機的濾光鏡等。偏振片ABUniversity physics AP Fang例1：將兩塊理想的偏振片共軸放置，用強度為和強度為的平面偏振光同時垂直入射到上，從透射之后，又入射到上。求：將以光線為軸轉動一周，該系統透射光強的變化？解：設平面偏振光與成角。自然光與偏振光通過第一塊偏振片的光強為： 消光位置自然光Universit

4、y physics AP Fang例2：設在兩互相正交的偏振片中夾有一個以旋轉的偏振片。試求：以自然光入射時，系統透射光的強度變化規(guī)律？解：如果沒有則在任意時刻注意: 以上討論都假設偏振片對通過的光完全沒有吸收。University physics AP Fang15-11 反射光和折射光的偏振 布儒斯特定律 一、反射和折射時光的偏振自然光部分偏振光部分偏振光線偏振光部分偏振光自然光二、布儒斯特定律（D.Brewster Law）入射面當 變化到某一角度 時，反射光就不再是部分偏振光，而是振動面垂直于入射面的線偏振光，且反射光與折射光相互垂直。 University physics AP Fa

5、ng布儒斯特角 布儒斯特定律 (1812年)例：(玻璃)，則：(空氣)，討論：1. 分析下列圖形中的偏振情況University physics AP Fang當玻璃片堆準線偏振光 2. 玻璃片堆折射起偏時，線偏振光自然光片堆上多次反射去除垂直振動成分，使透射光幾乎全為振動面平行于入射面的光。在玻璃例：將介質板放在水中，板與水面的夾角為，已知現欲使水面和介質反射光均為線偏振光，試求解：布儒斯特定律的應用University physics AP Fang在中：注意：熟悉偏振光的圖示方法，熟悉布儒斯特定律的應用15-12 晶體雙折射一、圓偏振光 橢圓偏振光University physics A

6、P Fang軌跡為一橢圓1. 當振動同相位為一，三象限的線偏振光。2. 當振動反相位為二，四象限的線偏振光。時時 兩相互垂直、同頻、相差恒定的線偏振光：University physics AP Fang右旋正橢圓偏振光3. 當滯后 4. 當滯后 左旋正橢圓偏振光5. 當為斜橢圓偏振光時時為其它值時當當時, 為順時針方向橢圓時, 為逆時針方向橢圓 垂直方向同頻線偏振光的合成，依賴于相位差的取值。University physics AP FangUniversity physics AP Fang方解石 (CaCO3)二、晶體雙折射現象及概念 雙折射( birefringence ) 尋常光和

7、非常光 尋常光 非常光（Extraordinary light）e 光折射線不一定在入射面內O 光e 光 一束光入射到各向異性介質后出現兩束折射光線 - 雙折射現象滿足折射定律（Ordinary light）不滿足折射定律University physics AP Fang 雙折射光的三個特點：（1）均為線偏振光，偏振態(tài)相互垂直。o光e光（2）當垂直入射時，一般（3）對尋常光來說，對非尋常光來說，一般 晶體的光軸（Optical axis）實驗發(fā)現，晶體存在一個特殊方向，當光沿該方向傳播時，無雙折射，該方向稱為晶體的光軸。方解石光軸78o102o78o102oUniversity physic

8、s AP Fang注意：光軸是一特殊方向，凡平行于該方向的直線均為光軸。單軸晶體( uniaxial crystal )：雙軸晶體( biaxial crystal )：藍寶石，云母，硫磺等方解石，石英，紅寶石等 晶體主平面 ( principal plane of crystal ) 晶體中某光線與晶體光軸構成的平面光振動垂直光振動在 e 光光軸e光的主平面o光光軸O 光的主平面光主平面和光主平面重合，此時光軸在入射面時，和光振動光振動相互垂直.光主平面，光主平面內University physics AP Fang 正晶體( positive crystal )、負晶體( negative

9、 crystal )光軸o光的波陣面為球面e光的波陣面為橢球面光軸向各個方向傳播速率相同向各個方向傳播速率不同正晶體光軸光軸負晶體( 垂直光軸截面 )( 垂直光軸截面 )( 平行光軸截面 )( 平行光軸截面 )University physics AP Fang三、單軸晶體中波陣面 惠更斯作圖法 光軸平行入射面，自然光斜入射負晶體o光光軸e光方解石光軸o光e光 光軸平行入射面， 自然光垂直入射負晶體光軸o光e光方解石e光o光光軸University physics AP Fango光e光o光e光光軸光軸四、晶體光學器件 波晶片（wave plate） 光軸平行入射表面，自然光垂直入射負晶體 光

10、軸垂直入射表面，自然光垂直入射負晶體 光軸垂直入射面， 自然光斜入射負晶體光軸注意：只有在晶體內光線才分為 O 光和e 光。o光e光University physics AP Fang 晶體偏振片某些晶體對o光和e光的吸收有很大差異，稱晶體的二向色性利用晶體的二向色性( dichroism )可產生線偏振光光軸 晶體偏振器1 尼科耳棱鏡( Nicol prism ) 尼科耳棱鏡可將兩偏振光分開，質量好，但價格貴。尼科耳棱鏡可以用作起偏器或檢偏器University physics AP Fang 波晶片（晶體移相器） 光軸平行表面、厚度均勻的晶片波晶片 光束入射波晶片，分為 o 光和 e 光，傳播方向相同，速度不同，出射光為兩束有相位差，振動方向相互垂直的偏振光。o 光e 光o光e光2 渥拉斯頓棱鏡由光軸相互垂直的方解石棱鏡構成University physics AP Fang光經過光程為相位改變?yōu)楣饨涍^光程為相位改變?yōu)楣獾南辔徊顬槌錾涔夂筒ň诸悾和ㄟ^波晶片前、后波片半波片全