工程光学基础教程教学课件ppt作者郁道银谈恒英第十二章光的偏振.ppt
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21292J,第十二章光的偏振,21292J,第十二章光的偏振,21292J,第十二章光的偏振,第一节偏振光概述第二节晶体的双折射第三节晶体偏振器件第四节偏振光和偏振器件的矩阵表示第五节偏振光的干涉第六节磁光、电光效应第七节液晶,21292J,第一节偏振光概述,一、偏振光和自然光二、产生偏振光的方法三、马吕斯定律和消光比,21292J,一、偏振光和自然光,图12-1自然光和部分偏振光a)自然光b)部分偏振光,21292J,二、产生偏振光的方法,1.反射及折射产生线偏振光由第九章知道,当自然光以布儒斯特角入射到界面时,反射光成为光矢量垂直于入射面振动的线偏振光,因此任何光滑的电介质表面都可以获取线偏振光。
2.由二向色性产生线偏振光有些各向异性的晶体对不同振动方向的偏振光有不同的吸收系数,这种特性称为二向色性。
3.双折射晶体产生线偏振光在双折射晶体内,自然光波被分解成光矢量互相正交的线偏振光传播,通常两束光靠得很近,应设法将两束光分开,便得到可利用的线偏振光。
21292J,1.反射及折射产生线偏振光,图12-2偏振分光镜,21292J,2.由二向色性产生线偏振光,有些各向异性的晶体对不同振动方向的偏振光有不同的吸收系数,这种特性称为二向色性。
21292J,3.双折射晶体产生线偏振光,在双折射晶体内,自然光波被分解成光矢量互相正交的线偏振光传播,通常两束光靠得很近,应设法将两束光分开,便得到可利用的线偏振光。
21292J,三、马吕斯定律和消光比,能够将自然光变为偏振光的器件称为起偏器,用于检验偏振光的器件称为检偏器。
一束自然光通过偏振器后,出射线偏振光矢量的振动方位是由偏振器决定的。
称偏振器允许透过的光矢量的方向为偏振器的透光轴。
使从起偏器出射的光通过一检偏器,则透过两偏振器后的光强I随两器件透光轴的夹角而变化,21292J,第二节晶体的双折射,一、晶体的双折射现象二、光在晶体中的传播三、光在晶体表面的折射和反射,21292J,一、晶体的双折射现象,1.寻常光和非常光对方解石的双折射现象研究表明,晶体中的两束折射光中,一束的折射行为遵循折射定律,即不论入射光方位如何,折射光总在入射面内,且入射角的正弦与折射角的正弦之比为常数,因此称这束折射光为寻常光或o光;另一束折射光则不同,一般情况下,入射角的正弦与折射角的正弦之比不是常数,且折射光往往不在入射面内,即不遵守折射定律,称它为非常光或e光。
2.晶体的光轴、主平面、主截面光轴是晶体中存在的一个特殊方向,当光在晶体中沿此方向传播时不产生双折射现象。
21292J,1.寻常光和非常光,对方解石的双折射现象研究表明,晶体中的两束折射光中,一束的折射行为遵循折射定律,即不论入射光方位如何,折射光总在入射面内,且入射角的正弦与折射角的正弦之比为常数,因此称这束折射光为寻常光或o光;另一束折射光则不同,一般情况下,入射角的正弦与折射角的正弦之比不是常数,且折射光往往不在入射面内,即不遵守折射定律,称它为非常光或e光。
21292J,2.晶体的光轴、主平面、主截面,图12-3方解石晶体,21292J,二、光在晶体中的传播,1.晶体的各向异性和介电张量光在晶体中出现的双折射现象,说明晶体在光学上的各向异性,表现在对不同方向的光振动,在晶体中有不同的传播速度或折射率,这是晶体物质与入射光电磁场相互作用的结果。
2.单色平面波在晶体中的传播利用麦克斯韦方程组和晶体中的物质方程可以得到单色平面波在晶体中传播的以下特点。
21292J,1.晶体的各向异性和介电张量,图12-4晶体中D,E,k,S与H的方向关系,21292J,2.单色平面波在晶体中的传播,1)在晶体中,波矢量方向即波法线方向k(波面的传播方向)与光线方向S(能量的传递方向)一般不同向。
2)当光波沿z轴传播时,o、e光波有相同的折射率no和相同的法线速度vo,不发生双折射。
3)在晶体中,对应于给定的波法线方向k,产生两束振动方向互相垂直的线偏振光(o光和e光)。
4)对于晶体中的一点,o光以相同速度vo沿各方向传播,其波面为球面;而e光随不同传播方向,其传播速度不同,其波面是在光轴方向与o光波面相切的回转椭球面,光轴方向为回转轴(见图12-6)。
21292J,图12-5单轴晶体中o,e光各矢量的方向,21292J,图12-6单轴晶体的光波面a)负晶体b)正晶体,21292J,表12-1几种单轴晶体的主折射率,21292J,三、光在晶体表面的折射和反射,1.光在晶体表面的折射和反射定律在各向异性晶体中,只是物质方程与各向同性时不同,麦克斯韦方程组和电磁场的连续条件仍然正确,因此由式(9-52)表达的最普遍的反射和折射定律仍然成立,这是确定界面上反射和折射方向的基本出发点。
2.光在单轴晶体中的传播方向考察从各向同性介质向晶体入射的一束平行光束的传播路径。
21292J,1.光在晶体表面的折射和反射定律,在各向异性晶体中,只是物质方程与各向同性时不同,麦克斯韦方组和电磁场的连续条件仍然正确,因此由式(9-52)表达的最普遍的反射和折射定律仍然成立,这是确定界面上反射和折射方向的基本出发点。
21292J,2.光在单轴晶体中的传播方向,图12-7惠更斯作图法求取折射光波的,,21292J,2.光在单轴晶体中的传播方向,图12-8惠更斯作图法(垂直界面入射),21292J,第三节晶体偏振器件,一、偏振棱镜二、波片三、椭圆偏振光的获得和检验,21292J,一、偏振棱镜,
(一)偏振起偏棱镜
(二)偏振分束棱镜,21292J,
(一)偏振起偏棱镜,1.格兰-汤姆逊(-)棱镜格兰-汤姆逊棱镜由两块方解石直角棱镜沿斜面相对胶合而成,光轴取向垂直于图面并相互平行(见图12-9)。
2.格兰-傅科(-)棱镜将格兰-汤姆逊棱镜中的加拿大树胶用空气薄层代替,成为格兰-傅科棱镜(见图12-11a)。
21292J,1.格兰-汤姆逊(-)棱镜,图12-9格兰-汤姆逊棱镜,21292J,1.格兰-汤姆逊(-)棱镜,图12-10孔径角的限制,21292J,2.格兰-傅科(-)棱镜将,图12-11格兰-傅科棱镜)光轴入射面)光轴入射面,21292J,
(二)偏振分束棱镜,1.渥拉斯顿()棱镜见图12-12所示,它是由两块底面相同的方解石直角棱镜其光轴正交地胶合而成。
2.洛匈()棱镜图12-13所示是洛匈棱镜的一种。
21292J,1.渥拉斯顿()棱镜,图12-12渥拉斯顿棱镜,21292J,2.洛匈()棱镜,图12-13洛匈棱镜(石英),21292J,2.洛匈()棱镜,图12-14渥拉斯顿棱镜的计算,21292J,二、波片,
(一)全波片
(二)半波片(三)波片,21292J,
(一)全波片,全波片产生2整数倍的相位延迟,故不改变入射光的偏振态。
全波片一般用于应力仪中,以增大应力引起的光程差值,使干涉色随内应力变化变得灵敏。
21292J,
(二)半波片,半波片产生奇数倍的相位延迟,线偏振光通过2片后仍是线偏振光。
若入射线偏振光的振动方向与波片快轴(或慢轴)夹角为,则出射线偏振光的振动方向向着快轴(或慢轴)方向转过2角。
圆偏振光入射时,出射光是旋向相反的圆偏振光。
21292J,(三)波片,需要指出,波片都只对某一特定波长的入射光产生某一确定的相位变化。
同时,入射在波片上的光必须是偏振光。
自然光经波片后的出射光仍是自然光。
为了达到改变偏振态的目的,应该使波片的快(慢)轴与入射光矢量有一定夹角,以便在两个互相垂直的光矢量间引入一定的相位延迟。
波片只能改变入射光的偏振态,而不改变其光强。
21292J,三、椭圆偏振光的获得和检验,1.椭圆偏振光的获得线偏振光入射晶体表面时,利用晶体双折射引起的相位变化,能使晶体中产生的两个光矢量互相垂直的线偏振光中引起相对相位延迟,从而获得椭圆偏振光。
2.椭圆偏振光的检验利用波片和偏振器可以鉴别光的偏振态。
21292J,1.椭圆偏振光的获得,线偏振光入射晶体表面时,利用晶体双折射引起的相位变化,能使晶体中产生的两个光矢量互相垂直的线偏振光中引起相对相位延迟,从而获得椭圆偏振光。
21292J,2.椭圆偏振光的检验,当晶片引入的相位差为的整数倍时,互相垂直的o振动和e振动的合成振动为线偏振光。
由当相位差为/2的奇数倍时,等幅而又互相垂直的两个光振动的合振动为圆偏振的。
由,21292J,图12-15线偏振光通过光轴平行x轴的石英波片,21292J,第四节偏振光和偏振器件的矩阵表示,一、偏振光的琼斯矢量表示二、偏振器件的琼斯矩阵表示,21292J,一、偏振光的琼斯矢量表示,1)光矢量与轴成角、振幅为的线偏振光2)长轴沿轴,长短轴之比为21的右旋椭圆偏振光,21292J,表12-2一些偏振态的归一化琼斯矢量,21292J,二、偏振器件的琼斯矩阵表示,1.线偏振器的琼斯矩阵设偏振器透光轴与轴成角。
2.波片的琼斯矩阵设波片的快轴与轴成角,产生的相位差为。
21292J,二、偏振器件的琼斯矩阵表示,图12-16线偏振器琼斯矩阵的推导,21292J,1.线偏振器的琼斯矩阵,图12-17波片琼斯矩阵的推导,21292J,2.波片的琼斯矩阵,表12-一些典型偏振器件的琼斯矩阵,21292J,2.波片的琼斯矩阵,表12-一些典型偏振器件的琼斯矩阵,21292J,第五节偏振光的干涉,一、平行偏振光的干涉二、会聚偏振光的干涉,21292J,一、平行偏振光的干涉,
(一)正交偏振器系统
(二)平行偏振器系统(三)白光干涉(四)光测弹性方法,21292J,一、平行偏振光的干涉,图12-18平行偏振光的干涉,21292J,
(一)正交偏振器系统,21292J,
(二)平行偏振器系统,21292J,(三)白光干涉,21292J,(四)光测弹性方法,图2-9光测弹性装置,21292J,(四)光测弹性方法,图2-20偏振光干涉强度计算,21292J,二、会聚偏振光的干涉,图2-2会聚偏振光的干涉装置,21292J,二、会聚偏振光的干涉,图2-22会聚偏振光通过晶片,21292J,二、会聚偏振光的干涉,图12-23会聚偏振光干涉图(单轴晶体垂直光轴切割),21292K,第六节磁光、电光效应,一、旋光现象和磁致旋光效应二、电光效应,21292K,一、旋光现象和磁致旋光效应,
(一)物质的固有旋光现象
(二)磁致旋光效应(三)磁光效应的应用,21292K,
(一)物质的固有旋光现象,图12-24石英的旋光色散,21292K,
(一)物质的固有旋光现象,表12-4几种物质的旋光系数(对D光),21292K,
(一)物质的固有旋光现象,图12-25旋光光学元件(石英晶体)a)科纽棱镜b)科纽透镜,21292K,
(一)物质的固有旋光现象,图12-26大型石英自准摄谱仪光路图(用于紫外波段),21292K,
(二)磁致旋光效应,图12-27法拉第旋光效应,21292K,
(二)磁致旋光效应,表12-5几种材料的维尔德常数,21292K,(三)磁光效应的应用,1.自动测量2.光隔离器3.磁光调制,21292K,1.自动测量,图12-28量糖计,21292K,2.光隔离器,光隔离器是利用磁光效应构成的一种光学元件,它使光束只能沿单方向前进,而不能反向传播。
其原理如图12-29所示,P、A为偏振器,其透光轴互成45角,F-R为磁致旋光器件。
调节磁场大小和方向,使线偏振光光矢量经过隔离器后旋转45,这时从左向右传输的光可以通过A出射,而从右向左的回授光经过A和磁致旋转器F-R后,因为磁场的大小和方向不变,所以光矢量的振动方向又同向转过45,正好与偏振器P的透光轴方向垂直(见图12-29b),因而完全不能通过P,回授光被阻挡。
这种光隔离器常在激光的多级放大装置中使用,它可避免反射光对前的干扰。
还可在光纤通信等应用领域中与其他光纤器件匹配使用。
21292K,3.磁光调制,图12-29磁光隔离器原理图,21292K,3.磁光调制,图12-30磁光式光纤安培计,21292K,二、电光效应,
(一)泡克耳斯效应(一级电光效应)
(二)克尔效应(平方电光效应)(三)电光效应的应用,21292K,
(一)泡克耳斯效应(一
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