北京理工大学819物理光学考研课件10

第六章光的偏振和晶体光学基础§6.4偏振光干涉6.4.1概述1．偏振光干涉的特殊性在于：（1）偏振光干涉由同一束光的两个正交线偏振成分的矢量迭加产生；（2）偏振光两个干涉成分之间的位相差由同一束光经历的各向异性过程造成。2偏振光干涉也含有三个要素，即输入偏振光，各向异性过程引入的位相差（光程差），以及输出干涉场的光强分布。本节讨论如何由已知的输入光和测得的干涉场强度分布，来推断各向异性过程的参量，例如波片的快慢轴方向和相对位相延迟。偏振光干涉分成平行偏振光干涉和会聚偏振光干涉，前者主要用于测定波片（光轴平行于表面的单轴晶体平板）的光学参数，后者主要用于测定光轴基本垂直于表面的单轴晶体平板的参数。本课程只讨论平行偏振光干涉广义偏振光干涉和狭义偏振光干涉广义偏振光干涉狭义偏振光干涉检测D相对于1D检测D通过检偏的偏振态变化器2P后的光强度6.4.2平行偏振光干涉一.利用线偏光的偏振光干涉光路正交尼科尔光路1．测量对象：测定波片Q的快轴方向角（实则测光轴方向），和慢、快轴方向上的相对位相延迟。2．结构：3．观察方法：（1）人眼位于E处，调焦于Q所在的平面（干涉定域面），目视测量各点的和。（2）用光学系统把P2出射的光波聚焦到光电探测器上，测量光强I。（3）当Q各处的和不均匀时，用光学系统将Q成像在面阵探测器上，实现“全场”测量。理硕教育—专注于北理工考研辅导•本资料由理硕教育整理，理硕教育是全国唯一专注于北理工考研辅导的学校，相对于其它机构理硕教育有独有的优势。丰富的理工内部资料资源与人力资源确保每个学员都受益匪浅，确保了理硕教育的学员初试通过率89%以上，复试通过率接近100%，理硕教育全力助您圆北理之梦.网址正交尼科耳光路干涉光强计算输入光为：1101,0TDD，光强：1I2110ID。输出光为：212PQDMMD221022001cossinexpsincos(1exp)010sincos(1exp)sincosexpjjDjj100sinsin2exp122jDj输出光强为：2221sinsin22II偏振光干涉即是通过测量21II，计算得到波片的和。平行尼科耳装置把P2的主方向角从o90改变为o0，变成与P1平行，称作“平行尼科耳”光路平行尼科耳光路干涉光强的计算这时输出'2I与2I存在“互补”关系，即：'221III，或：'212III于是有：2221'1sinsin22II当o45时，'2I达极小值。同样可通过测量12II获得和。此时：212arcsin1II21010,,,20,00ooPPQPM2221022cossinsincos1101000sincos1sincosjjjjeeDDee22101cossin0jDe222221cossincossinjjIIee2211sinsin22I“互补”关系的证明和的测量方法分析1．无论是正交尼科耳光路还是平行尼科尔光路，只要测得12II，便可求得：22sin2sin2。对于正交尼科耳光路：2221sin2sin2II对于平行尼科耳光路：2221sin2sin21'II但无法分别获得和。2.对均匀情形，旋转Q，当045时：对正交尼科耳，2I为极大值，有：221sin2II，可同时获得：045，212arcsinII。对平行尼科耳，2I为极小值，有：221sin21II，也可获得：045，212arcsin1II。3.由于上述方法无法确定045还是045，故不能区分u，v轴。但是，当规定u轴为快轴时，由于:000VU，所以取值范围为,o，可由2sin2唯一确定。由于＝Lo2，当用白光时，干涉场将呈现彩色。具体地说，旋转Q使oo4545或时有：LILIIoo2cos121sin1212LILIIoo2cos121sin1'1212不同L对应的亮纹波长不同,因而可利用干涉色来测量双折射光程差L和位相差.4．应用“色偏振”测量双折射光程差L上式与公式(3-148)和(3-149)一致（P123），正交尼科耳光路符合“黑色中心色序”（B型干涉色）；平行尼科耳符合“白色中心牛顿色序”（A型干涉色）规律。利用表3-3的牛顿色序,即可借助观察到的干涉色直接读出光程差L。（但只适用于,均匀的情形）。Stress-InducedBirefringenceinDiamondAnartificiallygrowndiamondwithnitrogenimpuritiesCausedbystrainassociatedwithgrowthboundaries5．应用“等倾线”测量在正交尼科尔光路中，如果oo900或，则不论为何值，也不论是单色光入射还是白光入射，都有02I。当Q的快慢轴方向不均匀时，在干涉场中会出现一些光强为零的轨迹线，称作“等倾线”（指相等的轨迹）或“主同消色线”。等倾线形状大致说明了波片各处角的变化情况。思考题：解释形成“等倾线”的原理。二.平行圆偏振光干涉当波片Q的快轴方向角不均匀时，不能同时对分布进行全场测定。原因是输出光强',22II同时包含了和两个参量。而',22II与有关是因输入光为线偏光造成的。圆偏振光干涉装置即可实现输出光光强只与有关而与无关。平行圆偏振光干涉装置•P1和Q1构成圆起偏器,P2和Q2构成圆检偏器在P1与Q之间插入o451的4波片Q1，在Q和P2之间插入o452的4波片Q2。Q上的入射光2D：2101010111111101022QjjjDMDDDjjP2出射光为：31022112QpQjDMMMDj1220sin12ojjDe输出光强为：2sin213II（考虑：为何与无关？）1.在圆偏振光干涉中，输出光强不再与有关，从而不必旋转Q，便可实现的全场测量。2.对和都不均匀的晶片，可在用圆偏振光干涉装置测得后，再利用线偏振光测量装置，由2I或2I的公式求出的分布。3.如果晶片具有均匀的厚度d，则获知后，便可由2eoonnd求出晶片的双折射率eonn。三.偏振光干涉的应用人为双折射产生的双折射或双折射性质变化与外界作用的性质和大小有密切关系。因此测定这种双折射的大小或变化可以推断外界作用的大小和方向。反之，通过控制外界作用，可以产生所需要的双折射，从而实现透射光束偏振态或光强的调节。这些功能使人为双折射获得广泛的应用。测量应力双折射－光测弹性力学由外加机械力产生的双折射称为“应力双折射”或“光弹性效应”。在柱体玻璃的上、下表面施加压力或拉力时，玻璃将呈现类似于单轴晶体的光学性质，光轴方向与外力方向平行，oenn与玻璃受到的应力成正比。若外力为F(施加拉力时0F，施加压力时0F),柱体上下表面积为da，则有：adFCnnBoeBC是一个大于零的物质常数，adF/是玻璃的内应力。当单色平面波沿z方向通过该玻璃后，两个正交振动分量之间引入位相差：aFCnndBoe0022把0/BC写成BC，称为“光弹性系数”或“布儒斯特常数”，与波长0有关。公式eoBFnnCad说明，当玻璃受拉力时，0oenn，相当于正单轴晶体；当玻璃受压力时，相当于负单轴晶体。“光测弹性力学”就是利用应力双折射测定内应力的技术。其基本方法是：将试件放在正交或平行尼科尔光路中，利用偏振光干涉原理，测量，eonn，进而推算应力分布。对大型试件，可选用BC值较大的可塑性光学材料制作模型，施加模拟的负荷进行测量。偏振光干涉仪原理图Stress-InducedBirefringenceinDiamondAnartificiallygrowndiamondwithnitrogenimpuritiesCausedbystrainassociatedwithgrowthboundariesStress-inducedBirefringenceIfthere'snotenoughstressinamediumtobeginwith,youcanalwaysaddmoreyourself!ClearplasticbetweencrossedpolarizersYoucanusethiseffecttoimprovetheperformanceofpolarizers.Photoelasticity:“Stress-inducedBirefringence”ClearplastictrianglebetweenparallelandcrossedpolarizersParallelCrossedYoushouldseethisincolor!思考题•1.分析将自然光转变为线偏振光的途径,每一步骤的作用是什么?•2.有人说:可以用一块四分之一波片将自然光变为椭圆偏振光或圆偏振光。此话对吗？为什么？•3.什么是波片?波片最重要的参数是什么?波片快轴方向与晶体光轴方向的关系是什么?如何制造单块式波片?如何计算波片的厚度?•4.应用两块主方向已知的线偏器P1、P2和一块快、慢轴已知的四分之一波片QWP1，如何确定另一块快、慢轴未知的四分之一波片QWP2的快、慢轴方向？画出装置图，并说明理由。思考题1.什么是折射率椭球？什么是折射率面？为什么折射率面是双层的？正单轴晶体和负单轴晶体的折射率椭球和折射率面有何异同？2.已知单轴晶体的光轴方向，以及入射光的波矢iK，如何利用折射率面作图法求出光波从各向同性媒质进入晶体后，折射光的波矢tK，玻印廷矢量tS，电位移矢量tD和电场强度tE的方向？3．非本征态的偏振光在晶体中不能保持固有的偏振态传播，但在各向同性媒质中，能够保持固有的偏振态传播吗？4．旋光现象和左旋或右旋圆偏振光的传播过程有何差异？5．试应用菲涅耳的基本观点来解释旋光现象。6．应用旋光晶体和旋光现象可以制作滤色镜，试分析其工作原理。思考题1．试归纳在各向同性介质和单轴晶体中，电场强度矢量E和电位移矢量D之间的关系。2．在单轴晶体中，矢量,,,,,DEKSHB以及晶体光轴C（Z轴方向）的方向关系是什么？3．画出正单轴晶体和负单轴晶体的折射率椭球图形，各自有何特点？如何利用折射率椭球模型求出确定K方向光波对应的D矢量，以及对应的折射率？4．应用折射率椭球模型解释：在单轴晶体中，只有作为本征振动的线偏振波可以在晶体中传播。5．什么是晶体的主平面？试归纳在单轴晶体中传播的e光和o光的性质。6．一束自然光和一束线偏振光垂直通过一块厚度为d的单轴晶体平行平板，设晶体的光轴平行于晶体平板与空气的界面（即KC），分别分析这两束光的透射波相对于入射波有何变化？思考题1让一束光相继通过两块人造偏振片，旋转其中一块偏振片，观察透射光强度的变化。描述所看到的现象，并回答：这些现象给了你什么启示？2自然光的振动矢量呈各向同性分布，合矢量应为零，但是自然光的光强度却不为零。这是什么