第五章光的偏振偏振态检验偏振光干涉电光效应

各向异性物质
外界作用
物质的 各向异性变化
1. 机械感应---光弹效应(Photoelasticity)
各向同性或异性材料在外力作用下可产生各向异性的变化，
例如：玻璃或塑料 通常情况下，拉伸 压缩 干涉色的分布 拉伸或压缩 成为正单轴材料； 成为负单轴材料； 受力分布 各向异性
工程应用
应力分析 ------ 光弹力学
V KE 2 K d
2
2
二次电光效应 Kerr系数
o光和e光的相对位相差: P1 P2
V 0
2

nl 2Kl
V2 d2
P2后消光 使得 d = p P2后光强极大
V 0
高速Kerr 开关， 响应频率~1010Hz
b. 泡克耳斯(Pockels) 效应（1893年）
' 由波晶片以及P2相对P1的取向决定。
①波晶片引入的位相差 y

2

( no ne ) d
P2
Ae A2e θ α A2o A1 Ao
P1
②P2相对P1的取向的位相差1 如图，若P1和P2的透振方向在相同 的象限内（设波片光轴与Y轴平 行），则A2o和A2e同向，这时不引 入附加的相位差，即 1＝0。
四、会聚的线偏振光的干涉
⒈装置： P
↓
↓
⒉结果：
三、会聚的线偏振光的干涉
⒊原理：
d (no ne) 2 cos i2 2 j (取锐角） , I A sin 2 sin . 2 (2 j 1) 2
2 2 2 1
C
P2
旋光晶体
L
线偏振光在一些物质中传播时，振动面会转 过一个角度，这种现象叫做旋光现象．这种物质 叫做旋光物质．
线偏振光振动面转 过的角度： 溶液旋光物质:
L
cL
（为旋光系数）
（C为溶液浓度）
菲涅耳的旋光理论
沿晶体光轴传播的平面偏振光由两个沿相反方向旋 转的、等频率的圆偏振光组成；在旋光晶体中，这两个 圆振动有不同的传播速度，在右旋晶体中右旋圆传播得 快，在左旋晶体中左旋圆传播得快．
旋转偏振片
4
三、补偿器
⒈原理：
0, , 线偏振光。 引进了可变的 ，使 0, , 线偏振光。

⒉巴俾涅补偿器：
2

[d1 (no ne ) d 2 (ne no )]
2

(d1 d 2 )(no ne )
I A A 2 A2o A2e c o s '
2 2o 2 2e
2 1 2
A [cos ( ) sin 2 sin 2 sin ] 2
2
14
注意：相位差是指从偏振片P2出射时两光束之间的相位差。
因为入射到波片上的是线偏振光。可以令刚进入波片 表面时，o光或 e光的相位相等。则由两部分组成。
1 2 45 , 2, then : I A1 (1 cos ) （j = if 0,: ± 1, ± …) 2
5.10 光弹性效应和电光效应
一、光弹性效应
二、电光效应
5-10电光效应(Induced optical effects)
各向同性物质
外界作用
各向异性物质
a. Kerr 效应（1875年）
----- 各向同性透明介质在电场下成为单轴双折射材 料，光轴平行于电场，平行于电场的光振动的折射 率为 n ||，垂直于电场的光振动的折射率为 n⊥
液 体 中 的 效 应 装 置
Kerr
Kerr盒（内装电致双折射材料）
光轴平行于入射面时的o光和e光的相对位相延迟 Kerr 实验发现: n n|| n E

⒊索列尔补偿器
Nature Photonics 6, 225–228 (2012)
光学
5.9 偏振光的干涉
由光的干涉一章知道，两束光之间要产生干涉现象 应满足相干条件： (1)频率相同； (2)有固定的相位差； (3)两束光的振动 方向相同或具有相同的振动分量。 因此，两个相互垂直的线偏振光，即使有固定的相 位关系，叠加也不会产生干涉现象。 偏振光的干涉可分为：平行偏振光的干涉和会聚偏振光的 干涉。在此主要介绍平行偏振光的干涉。
2．白光入射时，幕上出现彩色，转动任何元件时， 幕上颜色发生变化； 3．如果波晶片厚度不均匀(例如劈尖形状的)，则屏 上会出现与波片厚度变化规律相同的明暗相间的 干涉条纹。白光照明时条纹带有彩色。
光学
5.9 偏振光的干涉
y方向是波晶 片光轴方向
二、偏振光干涉的原理
1．线偏振光 E1在波晶片 内分解成 Ee和 Eo，从 波晶片出来后有位相延 迟的位相差。
C

Y
P2 A2e A1
P1
Ae
A 2 e A e c o s A1 c o s c o s

A2o Ao X
A 2 o A o sin A1 sin sin
最后从偏振片P2透射出来的光，其振幅是A2o和A2e这两束光 的相干叠加的结果。设A2o和A2e之间的相位差为，则相干 叠加后的强度为：

Y
P2 A1
P1

Ao X
设单色平行光的自然光经偏振片P1 后，成为沿P1 透振方向振动的线偏振光， 振幅为A1。
振幅为A1的线偏振光通过波片后，分解成o光和e光， 其振幅为：
A e A1 co s ,
A o A1 sin ,
这两束光通过P2后，都只有在P2 透振方向的分量才能通过。通过 的振幅分别为：
P1, P2
2 2 I // A 1 sin 2 sin 2
2 1
Ao 若 固定不动.
X
2 出射光强最大. 则 时 , I A I 2 k (a) 当 // 1 1
2 A 2 2 (c) 当=45时，则 I // A1 (1 sin 2 ) 1 (1 cos ) 2
(b) 当 ( 2 k 1 ) 出射光强最小.
时,则
I // I 1 (1 sin 2 2 )
(2)在两块偏振片的透振方向相互垂直 的情况下，即P1P2，则+=/2， 1＝ 。因此
C P2 A2e
Y
A1 P1
'
Ae

Ao X A2o
光学
5.9 偏振光的干涉
P1
一、偏振光干涉的实验装置
y
x z
E1
θ 从自然光取 得线偏振光
d
P2
偏振片I
α
使 e光和o光 产生位相差
波晶片
取同方向振 动叠加干涉
偏振片II 屏幕
10
光学
5.9 偏振光的干涉
偏振光干涉的一些实验现象
1．当波晶片的厚度均匀时，单色光入射，幕上照度 是均匀的，转动任何一个元件，幕上的强度都会 变化；
则A2o和A2e从波片出射后，它们之间的相位差为：
0 '
0 ( no ne ) d
2
讨论：
C
Y
(1)在两块偏振片的透振方向相互平行的 A1 情况下，即P1//P2，则＝， 1＝0 。 Ae A2e 因此 ' A2o 由此可得到，从P2透射的合光强为：
2. 电感应---电光效应(Electro-optical effect)
在一些各向同性材料上加上电场 各向异性
电致双折射, 双折射大小与电场强度有关 a. Kerr 效应（1875年） 各向同性透明介质在电场下成为单轴双折射 材料，光轴平行于电场，平行于电场的光振动的折 射率为 n || ，垂直于电场的光振动的折射率为 n⊥
(钠)自然光
1 2
I0
偏振片 晶片 偏振片
— —是检验双折射极为灵敏的方法.偏光显微镜就是根据显色偏振的原理制成的 （医药、化工、金相学、矿物学）.
作业 (Page：262)
• • • • • • （1）题5.3 （2）题5.4 （3）题5.6 （4）题5.11 （5）题5.15 （6）题5.18
左
右旋圆 偏振光
线偏振光
右 右
左旋圆 偏振光
证明菲涅耳旋光理论的实验
复合棱镜
考纽透镜 左 右
自然光
圆偏振光
自然光
线偏振光 光强变化且消光 圆偏振光
¼ 波片
旋转偏振片
3
三、部分偏振光和椭圆偏振光的检验
(3)区分部分偏振光和椭圆偏振光（仍用1/4波片和检偏器）
部分偏 振光
部分偏 振光
光强变化无消光 部分偏振光 椭圆偏振光 线偏振光 光强变化且消光 椭圆偏振光
¼ 波片
特定光轴方向 ：与偏振片的 透射方向平行
由此可得到，从P2透射的合光强为：
' I A sin 2 cos 2
2 1 2 2
'
A sin 2 sin 2
2 1 2 2
若一定.
(a) 当 2 k
时，则
I 0 , 出射光强为零.
I A12 sin 2 2 , 出射光强最大.
(b) 当 ( 2 k 1 )
时，则
（c）由于P1和P2相互垂直与平行两种情况下, 相干光相位差 相差 , 所以对于给定的晶体波片 , 在垂直时出射光为干涉 最大,而在平行时却为干涉最小;反之依然.且有
I I // I 1
这两种情况光强互补.
若用白光作光源 , 由于各种波长的光不能同时满足干 涉相长或相消的条件，所以通过 P2 后，光屏上会呈现出色 彩，不同的波片会出现不同的色彩，改变或时，屏上的 颜色也会发生变化。限内