《物理光学》课程教学资源（PPT课件）光的偏振与晶体光学基础（偏振光和自然光、晶体的双折射、双折射的电磁理论）

第七章 光的偏振与晶体光学基础

第七章： 光的偏振与晶体光学基础

第七章:光的偏振与晶体光学基础 ■电磁波是一种矢量波,大量的干涉和衍射 问题可以用标量近似处理。 然而本章所要讨论的偏振和双折射。却是 矢量波所特有的现象。不能再按标量处理 历史上,双折射的发现。曾经是光的横波 矢量波)特性的一个有力佐证

第七章：光的偏振与晶体光学基础 ◼ 电磁波是一种矢量波，大量的干涉和衍射 问题可以用标量近似处理。 ◼ 然而本章所要讨论的偏振和双折射。却是 矢量波所特有的现象。不能再按标量处理。 ◼ 历史上，双折射的发现。曾经是光的横波 （矢量波）特性的一个有力佐证

§7-1偏振光和自然光 偏振光和自然光的特点 ■由麦克斯韦理论知: ■光波是一种横波,即它的光矢量始终是与传 播方向垂直的。 koE=0k°B=0B=k×E 1线偏振光:光矢量的振动方向在传播过程 中(在自由空间中)保持不变,只是它的大 小在随位相改变,即为线偏振光。 12振动面:线偏振光的光矢量与传播方向组 成的面

§7－1偏振光和自然光 ◼一、偏振光和自然光的特点 ◼由麦克斯韦理论知： ◼光波是一种横波，即它的光矢量始终是与传 播方向垂直的。 ◼1.线偏振光：光矢量的振动方向在传播过程 中（在自由空间中）保持不变，只是它的大 小在随位相改变，即为线偏振光。 ◼2.振动面：线偏振光的光矢量与传播方向组 成的面。 • = 0 → → k E • = 0 → → k B B k E → → → =   1

§7-1偏振光和自然光 3圆偏振光:在传播过程中光矢量的大小不 变,而方向绕传播轴均匀地转动,端点的轨 迹是一个圆 14椭圆偏振光:光矢量的大小和方向在传播 过程中都有规律地变化,光矢量的端点沿着 个椭圆轨迹转动 5自然光:具有一切可能的振动方向的许多 光波的总和,这些振动同时存在或迅速且无 规则地互相替代。无优势振动方向

§7－1偏振光和自然光 ◼3.圆偏振光：在传播过程中光矢量的大小不 变，而方向绕传播轴均匀地转动，端点的轨 迹是一个圆。 ◼4.椭圆偏振光：光矢量的大小和方向在传播 过程中都有规律地变化，光矢量的端点沿着 一个椭圆轨迹转动。 ◼5.自然光：具有一切可能的振动方向的许多 光波的总和，这些振动同时存在或迅速且无 规则地互相替代。无优势振动方向

§7-1偏振光和自然光 ■6.部分偏振光:自然光在传播过程中,若受 到外界的作用造成各个振动方向上的强度 不等,使某一方向振动比其它方向占优势 即为部分偏振光。它可看成是由自然光和 线偏振光混合而成。 ■7偏振度:线偏振光在部分偏振光总强度中 所占的比例: P max min 1,mx+ min ■显然:自然光→P=0线偏光→P=1 其 0<P<1

§7－1偏振光和自然光 ◼ 6.部分偏振光：自然光在传播过程中，若受 到外界的作用造成各个振动方向上的强度 不等，使某一方向振动比其它方向占优势， 即为部分偏振光。它可看成是由自然光和 线偏振光混合而成。 ◼ 7.偏振度：线偏振光在部分偏振光总强度中 所占的比例： ◼ 显然：自然光 → P=0 线偏光→ P＝1 ◼ 其它 0＜P＜1 max min max min I I I I I I P t P + − = =

§7-1偏振光和自然光 从自然光中获得线偏振光的方法: 般有四种 ■A:利用反射和折射B:利用二向色性 C:利用晶体的双折射 D:利用散射 ■本节只讨论A、B两种方法 ■D在§1-10中己讨论过:(偏振度与0角有关) 当0=π/2时,可得完全线偏光; 在下一节讨论

§7－1偏振光和自然光 ◼二、从自然光中获得线偏振光的方法： ◼一般有四种： ◼A：利用反射和折射 B：利用二向色性 ◼C：利用晶体的双折射 D：利用散射 ◼本节只讨论 A、B两种方法； ◼D在§1－10中己讨论过：（偏振度与θ角有关） 当θ＝π/2时，可得完全线偏光； ◼C、在下一节讨论

§7-1偏振光和自然光 1由反射和折射产生线偏振光。 雪自然光在介质分界面上的反射和折射时,可 以把它分解成两部分,即平行于入射面的分 量P波和垂直于入射面的S波。 由于这两个波的反射系数不同,则反射光和 折射光一般地就成为部分偏振光。 ■当入射光的入射角等于布儒斯等角时,反射 光成为线偏振光。r=-(-2) sin(1-62 8(61+b, sin(1+02 2 sin 0. cos 0 2 sin 6. cos e sn(a+2)cos(01-02) sin(0,+0

§7－1偏振光和自然光 ◼1.由反射和折射产生线偏振光。 ◼自然光在介质分界面上的反射和折射时，可 以把它分解成两部分，即平行于入射面的分 量P波和垂直于入射面的S波。 ◼由于这两个波的反射系数不同，则反射光和 折射光一般地就成为部分偏振光。 ◼当入射光的入射角等于布儒斯等角时，反射 光成为线偏振光。 ( ) ( ) 1 2 1 2     + − − = tg tg rp ( ) ( ) 1 2 1 2 2 1 sin cos 2sin cos       + − t p = ( ) ( ) 1 2 1 2 sin sin     + − rs = − ( ) 1 2 2 1 sin 2sin cos     + t s =

§7-1偏振光和自然光 ■根据此原理:可以利用玻璃来获得线偏振光 如图7—2所示的外腔式气体激光器,将激光 管两端的透射窗B1,B2安置成使入射光的入 射角成为布儒斯特角。此时: ≠0Rs≈15% 。∏输出 0Rn=0 则谐振腔中不能对S波起振(损失大,不能 满足阈值条件),而只对P波起振。 ■故输出的激光将只包含P波成份

§7－1偏振光和自然光 ◼根据此原理：可以利用玻璃来获得线偏振光。 如图7－2所示的外腔式气体激光器，将激光 管两端的透射窗B1，B2安置成使入射光的入 射角成为布儒斯特角。此时： ◼则谐振腔中不能对S波起振（损失大，不能 满足阈值条件），而只对P波起振。 ◼故输出的激光将只包含P波成份。 r s ≠0 Rs≈15% r p=0 RP = 0 M1 B1 B2 M2 输出

§7-1偏振光和自然光 此方法的缺点: ■以布儒斯特角入射时,反射光虽是线偏振光, 但强度太小;透射光强度虽大,但偏振度太 小,为此可用多片玻璃叠合成片堆,并使入 射角等于布儒斯特角。如图7-3所示。 按照玻璃片堆的原理,可以制成一种叫做偏 振分光镜的器件。如图7-4所示 为了使透射光获得最大偏振度, 应适当选择膜层的折射率, 使光线在相邻膜层界面上的入射角等于布儒 斯特角

§7－1偏振光和自然光 ◼此方法的缺点： ◼以布儒斯特角入射时，反射光虽是线偏振光， 但强度太小；透射光强度虽大，但偏振度太 小，为此可用多片玻璃叠合成片堆，并使入 射角等于布儒斯特角。如图7－3所示。 ◼按照玻璃片堆的原理，可以制成一种叫做偏 振分光镜的器件。如图7－4所示。 ◼为了使透射光获得最大偏振度， 应适当选择膜层的折射率， 使光线在相邻膜层界面上的入射角等于布儒 斯特角

§7-1偏振光和自然光 即:nin45=n2sin0 且n2sin0=n;sn(900)→tg0=n1/n 由此: 2nt 此为玻璃折斯率n3和两种介质膜的折射率 n1n2之间应当满足的关系式: ■使用白光时,考虑色散影响,冰晶石 Na3AF)色散极小,则: 2 n,+ n3玻璃,n2硫化锌

§7－1偏振光和自然光 ◼ 即：n3 sin450=n2 sinθ ◼ 且 n2 sinθ＝n1 sin(900 -θ) →tgθ=n1/n2 ◼ 由此： ◼ 此为玻璃折斯率n3和两种介质膜的折射率 n1 ,n2之间应当满足的关系式： ◼ 使用白光时，考虑色散影响，冰晶石 （Na3AlF6）色散极小，则： ◼ n3玻璃，n2硫化锌 2 2 2 1 2 2 2 2 1 3 2 n n n n n + = ( ) 3 2 2 2 2 2 1 3 1 3 2 n n n n n  + =