光的偏振状态

返回退出§12-12光的偏振状态在垂直于光波传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动方向——偏振状态光矢量：光波的矢量。E一、线偏振光（平面偏振光或完全偏振光）光矢量在传播中始终保持在一个特定的平面上振动。线偏振光（平面偏振光）：斜交垂直yz由光的传播方向和光矢量的振动方向所决定的平面称为“振动面”平行返回退出二、自然光每个原子发射的光波列为线偏振光。自然光：大量原子随机发射的光波列的集合，每个光波列的频率、相位、振动方向、波列长度均不同。从统计上来讲，可认为振动在各方向上呈对称分布，振幅也完全相等。自然光的图示：一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直、同频率、等幅、不相干的线偏振光。yzyzIy=IzIIIIIIzyzy21,返回退出三、部分偏振光部分偏振光：光矢量在各振动方向的光强不具有轴对称分布，而是在某一方向占优势。部分偏振光的图示：线偏振光——完全偏振光部分偏振光完全偏振光+自然光返回退出§12-13起偏和检偏马吕斯定律一、起偏和检偏偏振片：能吸收某一方向的光振动，而只让与之垂直方向上的光振动通过(二向色性)的一种透明薄片。是获得和检验线偏振光的最简单装置。偏振化方向(P)：允许通过的光振动方向。检偏：旋转P2一周，出射光强有两明两暗的变化。起偏检偏返回退出一束光通过一旋转的偏振片光强不变——自然光光强变化且有消光——线偏振光光强变化但无消光——部分偏振光检偏器返回退出cos12AA222211,AIAI2212212cosAAII212cosII二、马吕斯（Malus）定律光强为I1的线偏振光，透过偏振片后，透射强度为212cosII证明：马吕斯定律（不考虑偏振片的吸收）1I2I2P线偏振光线偏振光返回退出12π,0II当：02π3,2π2I当：212cosIII02ππ2π3π2消光消光1.适用条件：线偏振光入射于理想偏振片讨论：2.3.自然光依次通过两个偏振片后的光强：20212cos21cosIII4.部分偏振光通过偏振片后光强的变化规律取决于其中自然光与线偏振光的比例返回退出§12-14反射和折射时光的偏振i90Bri实验表明，自然光在两种介质分界面上反射和折射时，反射光和折射光一般都是部分偏振光（正入射除外）。Bir当自然光以布儒斯特角iB入射时，其反射光为线偏振光，光振动垂直于入射面，折射光仍为部分偏振光。返回退出12BBBBBsinsin)90cos(sincossintannnririiii布儒斯特角(起偏角)12Barctannni实验证明，i=iB时，反射光线与折射光线垂直：oB90ri称布儒斯特定律。Birn1=1.00(空气)，n2=1.50(玻璃)，互余空气→玻璃玻璃→空气42331856BBii光强较弱返回退出玻璃片堆•由折射获得偏振光——玻璃片堆法从玻璃片堆透射出来的折射光几乎为线偏振光，其振动面平行于入射面。iBrn1n1n2n212Btannni21tannnr在任一面上的入射角均为布儒斯特角。返回退出§12-15光的双折射一、寻常光和非常光一束光经各向异性晶体（如方解石、石英等）折射后可分成两束光线的现象称为双折射。寻常光（o光）：恒遵守折射定律的光线。非常光（e光）：不遵守折射定律的光线。若旋转晶体，o光不动，e光随晶体转动。o光与e光都是线偏振光，但光振动的方向不相同。返回退出二、光轴主平面在晶体中存在一个特殊的方向，沿该方向不会产生双折射现象，这一方向称为晶体的光轴。单轴晶体：只有一个光轴的晶体。如：方解石、石英等。双轴晶体：有两个光轴的晶体。如：云母等。还有多轴晶体、无轴晶体。以下讨论单轴晶体。102°78°78°DA方解石晶体光轴返回退出光线的主平面：光线与光轴所组成的平面。一般，o光与e光的主平面不一定重合。实验证明：o光的光振动方向垂直于它的主平面，e光的光振动方向平行于它的主平面。o光e光o光主平面e光主平面光轴方向o光的光矢量总与光轴垂直，e光的光矢量可与光轴有不同的夹角。oe光轴方向返回退出三、单轴晶体的子波波阵面各向异性晶体e与方向有关晶体内光的传播速度与光的传播方向有关o光振动方向垂直于主平面（垂直于光轴），沿各方向传播速度相同:voe光振动方向平行于主平面（与光轴有一定夹角），沿各方向传播速度不同:[vo,ve]光在晶体内传播速度的大小和光矢量与光轴间的相对取向密切相关。e1v返回退出晶体内的子波波阵面（正晶体）e光的波阵面旋转椭球面o光的波阵面球面定义：主折射率oovcneevcn光轴vo光轴vove返回退出正晶体（如石英）eoeovvnn负晶体（如方解石）eoeovvnn返回退出四、惠更斯原理在双折射现象中的应用负晶体为例没有双折射发生(1)有双折射发生(2)o、e光在方向上虽没分开，但速度是不同的。返回退出eesinsinnriCABoei(3)CABoei(4)返回退出五、晶体的二向色性和偏振片某些晶体对相互垂直的两个电矢量具有选择吸收的性能，称为晶体的二向色性。可制成偏振片——获得线偏振光。返回退出§12-16偏振光的干涉人为双折射一、偏振光的干涉P2P1C自然光经P1后为线偏光，经晶片C后分为o、e光：sin1oAAcos1eAA返回退出再经P2后为两束相位不同的线偏光，振幅为cossincos1oo2AAAo21ee2cossinsinAAAA经P2后出射的是两束频率相同、振动方向相同，具有确定相位差的相干光，且它们在空间重合。因此这两束光将发生干涉。两束光相位差：ππ2eonnd返回退出),2,1(,212π2eoknnkdk——干涉相长——干涉相消eoπ)12(nnkdk以单色光入射，晶片厚度不均匀，出射光强度空间分布不均匀，看到的是明暗相间的等厚干涉条纹。以复色光入射，晶片厚度均匀，出射光强度空间分布均匀，看到的是某种颜色的均匀视场；晶片厚度不均匀，出射光强度空间分布不均匀，看到的是明暗相间的彩色干涉条纹——(显)色偏振返回退出二、人为双折射以人为（外界）条件使某些非晶体变成各向异性而显示出双折射的性质，称人为双折射。1.光弹性效应SFknnoe在一定应力范围内：各处不同→各处不同→出现干涉条纹SF/返回退出光弹性方法：利用光弹性效应来研究应力分布。哥特式教堂结构的应力返回退出2.电光效应各向同性介质在外电场作用下变为各向异性而产生双折射，称为克尔效应。•不加电场→液体各向同性→P2无透射光•加电场→液体呈单轴双折射晶体性质，其光轴平行于外电场P2有透射光E返回退出•克尔盒的应用：高速电光开关，电光调制器。•克尔盒的缺点：所用液体常有剧毒，易爆炸。02oe)(klEnnle、o光的光程差为两相干光的相位差为ππ2当=/2时，克尔盒相当于一个半波片，P2透光最强。返回退出单轴双折射晶体在外电场作用下变为双轴晶体，称为泡克尔斯效应。泡克尔斯效应•应用：电光开关、电光调制器。如军用固体激光测距机。返回退出3.磁致双折射效应佛克脱效应：发生于蒸汽中科顿–穆顿效应：发生于液体中20oeHCnno——光在真空中的波长；H——磁场强度；C——常量。在外磁场作用下，某些非晶体也会显示出双折射性质，称为磁致双折射效应。返回退出§12-17旋光性当线偏振光通过某些透明物质时，其振动面将以光的传播方向为轴发生旋转，这称为旋光性。da旋转的角度——旋光率a对糖溶液、松节油等液体，有dcac——溶液的浓度糖量计左旋物质右旋物质返回退出磁致旋光——法拉第旋转效应VlBl：样品长度B：磁感应强度V：费尔德常量电磁铁样品P1P2返回退出§12-18现代光学简介1948年全息术的诞生1955年“光学传递函数”概念的提出1960年激光的诞生现代光学：信息光学（傅里叶光学）强光光学（非线性光学）激光光谱学光信息处理全息光学返回退出一、傅里叶光学•傅里叶光学和信息论傅里叶光学是光学领域的一个重要分支，它以光的衍射理论为物理基础，利用傅里叶分析的数学方法对光信息的传递过程进行研究的学科。其研究内容主要集中在光信息的采集、传递、存储及再现的各个环节。它把通信理论中的调制、滤波、选频等概念与方法引入到光学的领域，其基本思想是用空间频谱的概念来分析和处理光信息。研究起源于19世纪70年代德国科学家阿贝提出的成像原理和20世际初的阿贝——波特实验。返回退出成像过程：衍射分频+干涉合频•阿贝成像原理两次傅氏变换物像返回退出•阿贝–波特实验实验装置物面透镜1衍射面像面透镜2返回退出空间滤波：在透镜的像方平面（衍射面）上人为地增加或减少参与成像的空间频谱成分，从而得到改变的像的方法。返回退出二、全息照相1.全息照相的特点普通照相底片记录物体各点的光强（振幅），彩色照相底片还记录了光的波长信息；全息照相同时记录光的全部信息（波长、振幅和相位）。普通照相得到的只是物体的二维平面图像；全息照相可以再现物体的立体图像。普通照相底片撕去一部分，记录的图像就不完整；全息照片只需其中一小片，仍能再现完整的图像。返回退出2.全息照相的记录和再现全息照相的记录物光和参考光进行相干叠加，在全息感光片上形成干涉条纹。感光片记录下来的干涉图样经显影处理后得全息底片，称为全息图返回退出全息照相的再现用同参考光完全相同的光（再现光）照射全息底片，在原来物的位置上将观察到立体逼真的原物的虚像。在对全息图对称的位置还有一个原物的三维实像，通常有很大像差。返回退出3.全息照相的应用•全息信息存储•全息显微摄影和全息显示显微放大；立体电影、电视；防伪标志、保密标记、艺术和装饰等。•全息干涉计量无损探伤、微应力应变测量、振动分析等。•全息光学元件全息透镜、全息光栅、全息滤光片、全息扫描器等。返回退出三、非线性光学非线性光学研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。1.非线性光学现象光与介质相互作用时，介质极化。在各向同性的介质中，极化强度与场强的方向相同，大小满足关系式：PE32EEEP为通常的极化率，、为二阶、三阶的极化系数，是与光强无关的常量，由介质的性质决定。返回退出对于强激光（E≈1010V/m），电场强度可与原子内部的库仑场相比拟，介质的极化强度不仅与场强E的一次方有关，而且还决定于E的更高幂次项，从而导致产生各种非线性现象，称为非线性光学。普通光源光波的电场强度（约103~4V/m）远小于原子内部的平均场强（约31010V/m），介质的极化强度与光波的电场强度成正比，即P=E，此时光波叠加遵守线性叠加原理，称为线性光学。返回退出•强光与被动介质相互作用产生的非线性光学现象；•强光与激活介质相互作用产生的非线性光学现象；如光学整流、光学倍频、光学混频、自聚焦等。如受激拉曼散射、受激布里渊散射等。返回退出2.光学倍频除原有频率的基频外，还出现了频率2的倍频项（称为光学倍频）和直流项（称为光学整流）。设角频率为的强激光入射到非线性介质上，其场强为tEEcos0介质响应的极化强度为（略去三阶以上高次项）：tEEtEtEtEP2cos2121coscoscos20200200返回退出3.光学混频当两束频率为1和2（12）的激光同时射入介质时，利用光学混频效应可制作光学参量振荡器，这是一种可在很宽范围内调谐的类似激光器的光源，可发射从红外到紫外的相干辐射。极化强度P中除产生基频、倍频和直流项外，还将产生频率为(1+2)的和频项和频率为(1﹣2)的差频项，称为光学混频。tEtEEEE22011021coscos返回退出4.自聚焦在强光作用下某些非线性介质（如二硫化碳、甲苯）的折射率将随光强的增加而增大。激光束的强度具有高斯分布，光强在中轴处最大，并向外围递减，于是激光束的轴线附近有较大的折射率，像凸透镜一样光束