光的偏振和晶体光学基础.ppt

010203040506学习目的和要求掌握偏振光和自然光的特点和联系，熟悉获得偏振光及检验偏振光的方法。熟悉双折射的电磁理论、单轴晶体和双轴晶体的光学性质及图形表示。了解折射率椭球、波矢面、法线面，光线面，了解斯涅尔作图法。熟悉典型偏振器件的工作原理，掌握偏振光和偏振器件的矩阵表示以及集中重要偏振态和偏振器件的琼斯矩阵及计算。熟悉偏振光的干涉现象及计算了解旋光现象、磁光现象、电光现象及晶体的非线性光学效应的规律及应用。第十五章光的偏振和晶体光学基础第一节偏振光概述一、偏振光和自然光1、偏振光：光矢量的方向和大小有规则变化的光称为偏振光。线偏振光：光矢量振动方向不变，大小随相位变化的光。圆偏振光：光矢量的大小不变，方向规则变化，其矢量末端的运动轨迹为一圆。椭圆偏振光：光矢量的方向和大小有规则变化，其矢量末端的运动轨迹为一椭圆。任一偏振光分解合成两个线偏振光2、自然光：具有一切可能振动方向的光波的总和。自然光表示成两个线偏振光（振动方向垂直、大小相等、位相无关联）3、部分偏振光：自然光在传播过程中，由于外界影响，造成某一方向振动比其它方向占优势时的光。将占优势的垂直方向振动光强记为，而与其垂直方向的劣势方向的光强记为。当部分偏振光只是线偏振光和自然光的混合时，其中完全偏振光的强度为，它在部分偏振光总强度中所占的比率定义为偏振度P。即为自然光的光强。二、产生偏振光的方法1、反射、折射产生偏振光：根据布儒斯特定律，当入射光以布儒斯特角入射时，反射光称为线偏振光。利用玻璃片堆产生线偏振光i0(接近线偏振光)玻璃片堆最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光利用玻璃片堆的原理可以制成一种叫做偏振分光镜的器件。玻璃玻璃为获取光束的最大偏振度，要合理选择玻璃棱镜的折射率和膜层材料、厚度及层数。一般棱镜材料的选取应使光线在薄膜和薄膜界面上的入射角等于布儒斯特角，使反射光为线偏振光。膜层厚度的选取应使膜层上下表面反射光满足干涉加强条件。膜层的层数取决于对反射光或透射光偏振度的要求。见例题1。偏振分束器2、由二向色性产生线偏振光二向色性：有些各向异性的警惕对不同振动方向的偏振光有不同的吸收系数，且不同方向上有不同的色散特性，这种特性称为二向色性。3、利用晶体的双折射产生线偏振光光双折射晶体传播方向不同的二支线偏振光三、马吕斯定律和消光比偏振器：产生和检验线偏振光的器件。偏振器的透光轴：偏振器允许透过的光矢量的方向为偏振器的透光轴。消光比：检偏振器相对被测偏振器转动时的最小透射光强与最大透射光强之比称为被测偏振器的消光比。消光比、透射率和偏振度是表述偏振片的性质的。马吕斯定律：透过偏振器的光强I与线偏振光方位和透光轴夹角的余弦平方有关，即玻璃玻璃例题1设计一块适用于氩离子激光的偏振分光镜，选定的硫化锌和的冰晶石作为高折射率和低折射率膜层的材料。试决定：1）分光棱镜折射率；2）膜层厚度。解：1）膜层的厚度应使膜层上下表面的反射光满足干涉加强的条件。，使透射光中s波成分最大限度的减少。所以有玻璃玻璃第二节光在晶体中的传播一、晶体的双折射现象图示为单轴晶体方解石，化学成分为碳酸钙，其天然结构为平行六面体。光射入方解石后，出现两支出射光，表现出双折射现象。1、寻常光线和非常光线寻常光线（O光）：遵守折射定律，且在入射面内。非常光线（e光）：不遵守折射定律，且一般不在入射面内。让O光和e光通过检偏器后可以发现它们都是线偏振光，且二者的偏振化方向是垂直的。AB光轴102°光轴钝隅钝隅2、光轴、主平面和主截面在晶体中存在一个特殊的方向，即光轴：当光在晶体中沿着这个方向传播时不发生双折射，这个特殊方向称为晶体的光轴。对于单轴晶体，o、e光沿光轴方向传播时，其传播速度也相同。注意：晶体中凡是与此方向平行的任何直线都是晶体的光轴。主平面：光线在晶体中的传播方向与光轴组成的平面称为该光线的主平面。e光光轴e光的主平面o光光轴o光的主平面····主截面：光轴和晶面法线组成的面称为晶体的主截面。当光线在主截面内入射，此时O光和e光都在该平面内，该面也是O光和e光的共同主平面。应用中有意选取入射面与主截面重合的情况。如图是方解石晶体的主截面由于天然方解石晶体各棱长相等，通过组成钝隅的每一条棱的对角面就是它的主截面。与这些面平行的截面也是主截面