工程光学第14章偏振

P1
起偏器
自然光
检偏器
评价偏振器性能的主要参数:
消光比 — 最小透射光强与最大透射光强之比。 最大透射比 — 最大透射光强与入射光强之比。 显而易见：消光比越小、最大透射比越大，其偏振器质量越好。Βιβλιοθήκη 14.2 光在晶体中的传播
1.晶体的双折射现象
（1）概念
光束在某些晶体中传播时，由于晶体对两个相互垂直振动矢 量的光的折射率不同而产生两束折射光，这种现象称为双折射。
（2）寻常光线Ordinary Ray和非常光线Extraordinary Ray
• 寻常光线（o光线）：遵守折射定律； • 非常光线（e光线）：一般不遵守折射定律； 均为线偏振光。
双折射晶体
e光线 o光线
2.晶体特性
方解石晶体（冰洲石）
化学成分：碳酸钙（CaCO3） • 平行六面体，每个表面都是由锐角 78，钝角102组成的平行四边形； •共有8个顶角：其中两个由三面钝角 组成—钝隅，其余6个顶角则由一个 钝角、二个锐角组成。
第十四章 光的偏振
主要内容
光的干涉和衍射现象说明了光具有波动性，光的偏振和在光 学各向异性的晶体中的双折射现象则进一步证实了光的横波性。
1. 偏振光概述 2. 光在晶体中的传播 3. 晶体偏振器件
14.1 偏振光概述
1.偏振光和自然光
就偏振性而言光可分为：
偏振光 自然光 部分偏振光
（1）偏振光 — 光矢量的大小和方向有规则变化的光。
（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相互正交的 线偏振光传播，把其中一束光拦掉，以得到线偏振光。
e o
双 折 射晶体
3.马吕斯定律和消光比
起偏器 —用来产生偏振光的偏振器件。 检偏器 — 用来检验偏振光的偏振器件。 偏振器的透光轴 — 偏振器允许透过的光矢量方向。
通常检验偏振器件的方法，就是让光相继通过两个相同的
自然光
（3）部分偏振光
自然光在传播过程中，由于外界的作用造成振动方向上强度 不等，使某一方向上的振动比其它方向上的振动占优势。
Imax
表示： 部分偏振光 = 完全偏振光 + 自然光
I总 =
IP + In
偏振度：
P IP IP
Imin
I总 IP In
对于由线偏振光和自然光组成的部分偏振光：
P I P Imax Imin
I总 Imax Imin
部分偏振光
完全偏振光的强度在部分偏振光总强度中所占的比率。
2.产生线偏振光的方法
（1）反射和折射产生线偏振光
自然光以布儒斯特角入射到界面时，反射光线成为光矢量垂直 于入射面振动的线偏振光，透射光是偏振度很高的部分偏振光，
通过增加层数可得到较高的透射光的偏振度。
• n1
•
•
棱长相等，则通过组成钝隅的每一条棱的对角面就是它的主截面。
顿隅
顿隅
A 102o
102o
A 102o
102o
78o 102o D
78o 102o D
3.晶体的各向异性和介电张量
（1）晶体的各向异性
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： 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，
实质上表示晶体物质对入射光电磁场相互作用的各向异性。
人为的各向异性 一些非晶物质的分子、原子的排列也具有不对称性，但由于
它们在物质中的无序排列，呈现出宏观的各向同性，但在外界 场(应力、电场或磁场)作用下，会出现规则排列，而呈现各向 异性，这就是人为的各向异性。
（2）晶体的介电张量
• 各向同性的物质中： D E 0 r E
偏振器（一个作起偏器、一个作检偏器）。当两个偏振器相互
转动位置时，即改变透光轴夹角q ，则有：
y（透光轴方向）
I I0 cos2 q （马吕斯定律）
A cosq
0
q
A0(I0)
由该式可知：q =0 时，I 最大； q =90时， I =0
x A0sinq
验证马吕思定律的实验装置：
A1cosq
q P2
x 0 0
0
y
0
0 0 z
则
Dx
Dy
x Ex yEy
Dz
z Ez
晶体就其光学性质可分成三类：
一类： x y z ， D 与 E 平行，各向同性；
偏振光分为： 线偏振光 — 光矢量的方向不变，大小随相位变化的光。 圆偏振光 — 光矢量大小不变，其方向绕传播方向均匀转动， 且矢量末端轨迹为圆。 椭圆偏振光 — 光矢量的大小和方向均规则变化。
（2）自然光 — 可以看成一切可能方位上振动的光波总和，
即在各个方向上振动几率和大小相等。
特点： 振动方向的无规则性。
②主平面和主截面 主平面：光线和光轴所组成的平面。 o光主平面：o光和晶体光轴组成的面为o主平面。 e光主平面：e光和晶体光轴组成的面为e主平面。
一般它们不重合。 若光线由光轴和晶体表面法线组成的平面内入射时，
则o ，e在同一个主面内。
主截面：光轴和晶面法线组成的面。
实际应用时，都有意选择入射面与主截面重合，此时o光e光主平面均 为主截面。从而使所研究的双折射现象大为简化，对于方解石，若其
顿隅 A
102o 102o
78o 102o D
①光轴 光在晶体中沿此方向传播时，不产生双折射现象。
实验证实：方解石光轴方向就是从它 的一个钝隅所作的等角分线方向。
※ 对于方解石，当棱长相等时， 其两个钝隅的连线就是光轴。
顿隅
A 102o
102o
※ 光轴是个方向，而不是某一 特定直线。
78o 102o D
•
•
q1
q1’
n2
q2 • • •
n2
n1
•
•
（2）由二向色性产生线偏振光
二向色性: • 有些各向异性晶体对不同振动方向偏振光有不同的吸收比的特性。
• 晶体的二向色性还与波长有关，即具有选择吸收特性，因此振 动方向的两束线偏振光白光，通过晶体后呈现出不同的颜色，
∴ 这也是“二向色性”名称的由来。
如： •电气石； •人造偏振片：一些各向同性介质在受到外界作用时也会产生 各向异性，并具有二向色性。如：H偏振片、K偏振片。
• 各向异性的物质中： ij
D和
E
的方向并不相同，
D的一个分量可以用
E
的所有分量的线性组合来表示
3
Di ij E j j 1
Dx
xx E x
xy E y
xz
E
z
Dy yxEx yyEy yzEz
Dz
zx E x zy E y zz Ez
在线性光学范围内，介电张量是一对称张量，可以表示为：