第五章光的偏振

I
7%
I0
2. 检偏 ...
玻璃片堆
(接近线偏振光)
§5.4 光在晶体中的传播, 双折
射
e
··· o ···
方解石
一. 双折射的概念
自然光 n1
i
1. 双折射
n2
(各向异
re
2.寻常光和非寻常光 性媒质) ro
e光 o光
o光 : 遵从折射定律 n1 sin i n2 sin ro e光 : 一般不遵从折射定律 sin i const
sin re
e光折射线也不一定在入射面内。
3. 晶体的光轴
当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生 双折射，该方向称为晶体的光轴。
例如，方解石晶体(冰洲石)
102° A
• 光轴是一特殊的方向,凡平 光轴 行于此方向的直线均为光轴。
B
单轴晶体：只有一个光轴的晶体
双轴晶体：有两个光轴的晶体
4. 主平面和主截面 主平面：晶体中光的传播方向与晶体 光轴构成的平面。
n·1 ···i0
线偏振光
i0····S
n2
r0
·
自然光反射和折射 后产生部分偏振光
起偏振角
i = i0 时，反射光只有S分量 i 0 — 布儒斯特角或 起偏角 i0 +r0 = 90O
由 n1 sin i0 n2 sin r0 n2 cos i0
有
tg i0

n2 n1

n21
—布儒斯特定律 (1812年)
1. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射
·· ··
光轴
晶体
e ··o e ··o
o, e在方向上虽没分开，
但速度上是分开的。
2. 光轴平行晶体表面，且垂直入射面，
自然光斜入射
sin i sin ro

c
o

n0
sin i sin re

c
e

ne
····i ····cΔ t
oeΔΔ
t t
r0 ·r·e e
方解石 n0＞ne
光·轴···方解石··e ··
二. 晶体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏
1. 晶片─相位延迟片
晶片是光轴平行表面的晶体薄片。
y
Ae
Ax
λ

Ao
光轴 P Ae A
线偏振光
Ao
d
光轴
通过厚为d的晶片，o、e光产生相位差：
振幅关系
Ao Ae
ne

no d
Asin Acos
电气石
光轴
电气石
e光
····
光轴
可产生线偏振光
2. 偏振棱镜
偏光镜: 格兰─汤姆孙棱镜
吸收涂层
··光·轴·方·解石·i
方解石
o
加拿大·树·胶·光e·轴 ··
光轴的取向使o光、e光(n对= 1.应55) 的恰是no、 ne 。
偏光分no 束(1.镜658:沃4)＞拉n斯(顿1.5棱5)镜＞ne1(21方.4解光8石6轴o4·)
三. 椭圆与圆偏振光的检偏
用四分之一波片和偏振片P可区分出自然
光和圆偏振光或部分偏振光和椭圆偏振光
自然光 圆偏振光
四 自然光 分 之 一 线偏振光 波 片
偏 振
线偏振光
I不变
片
（ 转
线偏振光
I变, 有消光
动
）
以入射光方向为轴
部分 部分偏振光 四 偏振光
分 之 椭圆偏振光 一 线偏振光 波 片
偏 振
没有优势方向
自然光的分解
一束自然光可分解为两束振动方向相互 垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。
Ex Ey
I Ix Iy
自然光的表示法： · · ·
三. 部分偏振光

部分偏振光
部分偏振光的分解
部分偏振光可分解为两束振动方向相互 垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。
部分偏振光的表示法：
··
—— 线偏振光→圆偏振光


4 0,

—— 线偏振光→线偏振光
2
0， ， ——线偏振光→椭圆偏振光
42
(2) 二分之一波片
ne no d


2



光轴 Ae入= Ae出入
A出 A入
A0出
A0入
使线偏振光振动面转过2 角度
(3) 全波片
ne no d 2
第五章 光的偏振 (Polarization of
light) §5.1 光的偏振状态
一. 线偏振光
传播方向
E
·
振动面
面对光的传播方向看
线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解
y
Ey
E

x
Ex
E x E cos E y E sin
线偏振光的表示法：
····· 光振动垂直板面
光振动平行板面
二. 自然光

2
从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向
相互垂直、频率相等、相位差的线偏振光，
它们合成为一束椭圆偏振光。
, , 3 时为圆偏振光
4
22
2. 波 （ 晶 ）
片
(1)
四分之一波片
ne no d 4



2
从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）
平行板面的光振动较强
·· ····
垂直板面的光振动较强
四. 圆偏振光, 椭圆偏振光
右旋圆 偏振光
右旋椭圆 偏振光
y
传播方向 y
E
x
0
x
z
/2
某时刻右旋圆偏振光E随z的变化
五. 偏振度
P
Ip It

Ip In I p
It —部分偏振光的总强度 In —部分偏振光中包含的自然光的强度 Ip —部分偏振光中包含的完全偏振光的强 度完全偏振光 (线、圆、椭圆 ) P
光轴 线偏振光
电气石晶片
y x
分子型
入射 电磁波
z
z
线栅起偏器
• 偏振片的起偏 P
非偏振光I0
···
二. 马吕斯定律
I0
P
线偏振光 I
偏振化方向 (透振方向)
E0
I

I

1 2
I0
P
E=E0cos
I0

E
2 0,IE2 Nhomakorabea
E
2 0
cos
2
I I0 cos2 马吕斯定律（1809）
o光的 主平面
····
e光的 主平面
光轴 o光
光轴
e光
主截面：晶体表面的法线与晶体光 轴构成的平面。
二. 晶体的主折射率，正晶体、负晶体
光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同, 光的传播速度也不同。
光轴
························votc
光轴 vot
o光: e光:
n0 0 o no ,
若 n1 =1.00 (空气)，n2 =1.50 (玻璃)，
则：空气 → 玻璃
玻璃 → 空气
i0

tg 1
1.50 1.00

5618
i0

tg 1
1.00 1.50

3342
互余
二. 玻璃片堆起偏和检偏
1自.当起然i偏光=从i0时空气II 0→玻12 璃si·n·2·(·i·0·i0r0·)·······················
=自1然光 ( 非偏振光 )
P
=部0分偏振光
0<P<1
偏振度的另一种表示：P Imax Imin
Imax Imin
§5.2 偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律
一. 起偏
• 起偏：从自然光获得偏振光
• 起偏器: 起偏的光学器
•件起偏的原理：利用某种光学的不对称性
• 偏振片 微晶型
非·偏·振·光
o
光轴
··晶体 e o
3. 光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射
·· ··
··
·· 晶体
光轴
光轴 ··· ···
oe oe
·· 方解石
oe
此时e光的波面不再与其波射线垂直了
§5 晶体光学器件
一. 晶体起偏器件 1. 晶体的二向色性、晶体偏振器
某些晶体对o光和e光的吸收有很大差异， 这叫晶体的二向色性


0，I
，I
2

Imax I0
0 ——消光
三. 检偏 用偏振器件分析、检验光的偏振态
P
待检光
I
?
思考：
• I不变？是什么光 • I变，有消光？是什么光 • I变，无消光？是什么光
§5.3 反射和折射光的偏振
一. 反射和折射时光的偏振
n1 ····i i ····
n2
r·
e

ne

c
e
n0 ，ne称为晶体的主折射率
光轴
正晶体 : ne> no
vet
(e< o) vot 负晶体 : ne<
子波源
no
(e>o)
正晶体 (vo > ve)
vet
光轴
vot vet
子波源 负晶体 (vo < ve )
三. 单轴晶体中光传播的惠更斯作图法(e>o)
线偏振光
I变, 无消光
片
（ 转
线偏振光
I变, 有消光
动
）
光轴平行最大光强或最小光强方向放置或 光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置