第4章光的偏振与晶体光学器件
光学光的偏振与偏振光的特性
光学光的偏振与偏振光的特性在物理学中，光的偏振是指光波中电场矢量方向的振动方式。
光可以是偏振的，也可以是非偏振的。
而偏振光则是一种特殊的光，它的电场矢量在特定方向上振动。
本文将介绍光学光的偏振以及偏振光的特性。
一、光的偏振现象光的偏振源于光波的电场矢量在传播方向上的振动方式。
普通的自然光是一个无规则的、非偏振的光波。
当光传播的过程中经历特定的介质如晶体或者偏振器材料时，光的电场矢量的方向将被限制在特定的方向上，使得光变为偏振光。
二、线偏振光与圆偏振光偏振光可以分为线偏振光和圆偏振光两种类型。
1. 线偏振光线偏振光是一种电场矢量在一个平面内振动的偏振光。
这种振动方式有两个方向：水平方向与垂直方向。
线偏振光可以通过偏振片或者通过特定的介质来实现。
当光经过一个偏振片时，只有与偏振片相同方向的电场矢量分量得以透过，垂直于偏振片的电场矢量分量则被完全吸收或者反射。
2. 圆偏振光圆偏振光是一种电场矢量绕着传播方向以圆形轨迹运动的光波。
圆偏振光可以通过经过特定的偏振器材料或者使用偏振片与波片组合而成。
圆偏振光可以分为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光两种类型，取决于电场矢量的旋转方向。
三、偏振光的特性偏振光具有一些独特的特性，这些特性使得偏振光在许多领域中有着重要的应用。
1. 偏振态偏振态是描述光的偏振状态的方式。
偏振态可以用一个矢量来表示，这个矢量被称为偏振矢量或者偏振态矢量。
偏振矢量可以通过确定光波在三个相互垂直的方向上的电场矢量的振幅和相位来完全描述。
2. 光的吸收与透射当平面偏振光通过一个介质时，只有与偏振光方向相同的电场矢量分量能够透过介质，垂直于光的方向的电场矢量分量则会被吸收或者反射。
这可用于制作偏振片和滤光镜等光学材料。
3. 光的干涉和衍射偏振光具有与非偏振光不同的干涉和衍射行为。
干涉是指两个或多个光波相遇时的相互作用，而衍射则是指光通过一个有限尺寸的孔或者遇到一个障碍物时的传播行为。
偏振光的干涉和衍射特性可以为光学仪器和光学应用提供各种方案。
第4章_晶体光学C
4.9 电光效应4.9.1 泡克尔(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应1. 电光效应二次电光效应( Kerr 效应):因外加电场使介质的光学性质（折射率）发生变化的效应。
2bE n =Δ线性电光效应( Pockels 效应)：aE n =Δ其中：a 为线性电光系数其中：b 为二次电光系数...)(20++=−=ΔbE aE n E n n 若晶体具有对称中心，则无一次电光效应4.9.2电光张量4.9.2 电光张量可以通过晶体的折射率椭球的大小、形状和取向的变化，来描述外电场对晶体光学特性的影响：1323222121=++εεεx x x 逆介电张量：ijij εβ1=(主轴坐标系下，无外电场)1=j i ij x x β外电场作用下：1230322022101=++x x x βββ4.9.2 电光张量可以表示折射率椭球的大小、形状和取向的变化，将其外电场E 为函数展开：ij βΔ...0++=−′=Δq p ijpq k ijk ij ij ij E E h E γβββ--Pockels 表述方法其中：是三阶张量，线性电光系数；是四阶张量，二阶电光系数；ijk γijpq h 线性电光效应：kijk ij E γβ=Δij ij εβ1=是二阶对称张量：1222133132232112233322222111=+++++x x x x x x x x x ββββββ外电场作用下4.9.2 电光张量ij β是二阶对称张量：与未加外电场的情况下比较可得：⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫=Δ=Δ=Δ−=Δ−=Δ−=Δ121231322323033333022222011111βββββββββββββββ654321123223332211ββββββββββββ二重下标简化为单个下标ji ij ββ=jikijk γγ=ijk γ的独立分量从27个减少到18个jij i E γβ=Δ4.9.2 电光张量⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡ΔΔΔΔΔΔ321632661532551432441332331232221131211654321 E E E γγγγγγγγγγγγγγγγγγββββββ是6 x 3的矩阵，有18个独立分量，当晶体具有不同的对称性时，独立分量数目还要减少。
光的偏振概念
光的偏振概念1. 概念定义光的偏振是指光波在传播过程中，电矢量振动方向固定的特性。
光波是由电场和磁场构成的电磁波，而光的偏振则是指电场振动方向的特定取向。
通常情况下，光波中的电场矢量可以沿着任意方向振动，这种情况下称为自然光或非偏振光。
然而，在某些情况下，光波中的电场矢量会沿着特定方向进行振动，这种现象被称为偏振。
2. 重要性2.1 揭示光的本质通过对光的偏振进行研究，可以更深入地理解和揭示光的本质。
在19世纪初期，法国物理学家菲涅耳提出了“以波解释光”的观点，并通过对偏振现象的研究来支持这一观点。
他发现了自然光通过某些材料后会发生偏振现象，并提出了“法布里-珀罗”效应来解释这种现象。
这一发现推动了光的波动理论的发展，为后来的光学研究奠定了基础。
2.2 应用于光学器件光的偏振现象在许多光学器件中起着重要作用。
例如，偏振片可以通过选择性地透过或阻挡特定方向的偏振光来实现光的分离、滤波和调制等功能。
在液晶显示器中，通过控制液晶分子的偏振方向来实现图像显示。
而在激光器中，通过选择合适的偏振方式可以提高激光束的质量和稳定性。
2.3 在生物和医学领域中的应用光的偏振也在生物和医学领域中得到广泛应用。
例如，在显微镜技术中，通过使用偏振滤波器可以增强对细胞组织结构和分子取向等细节信息的观察。
此外，由于某些生物组织具有特定的偏振特性，因此通过对其偏振状态进行测量可以实现对组织病理变化、肿瘤诊断等方面提供有价值的信息。
3. 应用举例3.1 光通信光通信是一种高速、大容量的通信方式，广泛应用于现代通信系统中。
在光纤传输中，光信号被编码为脉冲序列，并通过光纤进行传输。
而这些光脉冲可以通过调制光的偏振来实现信息的传输和解调。
例如，利用偏振分束器和偏振旋转器等器件，可以将不同偏振方向的光脉冲进行分离和复用，从而提高光纤传输的容量和效率。
3.2 光学显微镜在生物学和医学研究中，显微镜是一种重要的工具。
其中偏振显微镜常常被用于观察材料的组织结构、晶体取向等信息。
第四章_各向异性介质中的光波详解
4.1.1 偏振光与自然光
光的传播与偏振
想一想
椭圆偏振光？
椭圆偏振光
4.1.1 偏振光与自然光
完全偏振光 线偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光
自然光
在垂直光传播方向的平面上，所有方向均 有横振动，各个方向的振动幅度均相等，形成 如图所示的轴对称振幅分布。
4.1.1 偏振光与自然光
部分偏振光：自然光+完全偏振光
晶体光学与各向同性的光学： 相同：以麦克斯韦方程和物质方程为基础； 唯一不同：
Ｄ与Ｅ的关系。
晶体的介电张量
各向同性介质： D E 0r E 为常数
各向异性介质
D ij E 0 (r )ij E
xx yx
xy yy
xz yz
极化（偏振）与各向异性（双折射）
极化（偏振）与各向异性（双折射）
外加电场下，介质分子的极化与物质本身结构有关
无极分子
l
正负电荷被拉开距离
有极分子
重新排列
电荷＝束缚电荷＋自由电荷
E
/0
f
P 0
P 束缚电荷，与介质极化有关
偶极子
产 均匀
生 剩
介质
余
界面上 产生剩 余电荷
电 荷 非均 内部产
匀介 生剩余
量）
Dx Dy
0
xx yx
xy yy
xz yz
Ex Ey
Dz
zx zy zz Ez
0
xx yx
xy yy
xz yz
zx zy zz
J与E的关系
J J
x y
xx yx
xy yy
xz yz
Ex
Байду номын сангаас
精品课件-物理光学与应用光学_第三版(石顺祥)-第4章
(4.2 - 24)
可以在形式上定义“光线折射率”(或射线折射率、 能流折射
率)nr:
nr
c vr
c vp
cos
n cos
由此可将(4.2-23)式表示为
(4.2 - 25)
(4.2 - 26)
或 (4.2 - 27)
29
第 4 章 光在各向异性介质中的传播特性
(2) 菲涅耳方程 为了考察晶体的光学特性，我们选取主轴
即如图 4-2 所示，单色平面光波的相速度是其光线速度在波阵面
24 法线方向上的投影。
第 4 章 光在各向异性介质中的传播特性
图 4-2 v
第 4 章 光在各向异性介质中的传播特性
2) (1) 晶体光学的基本方程 由麦克斯韦方程组出发，将 (4.2-8)和(4.2-9)式的H消去，可以得到
3.
一个二阶张量［Tij］，如果其Tij=Tji，则称为对称张量，它 只有六个独立分量。与任何二次曲面一样，二阶对称张量存在着 一个主轴坐标系，在该主轴坐标系中，张量只有三个对角分量非 零，为对角化张量。于是，当坐标系进行主轴变换时， 二阶对 称张量即可对角化。例如，某一对称张量
T11
T12
T13
15
第 4 章 光在各向异性介质中的传播特性
16
第 4 章 光在各向异性介质中的传播特性
4.2 理想单色平面光波在晶体中的传播 4.2.1
1. 在均匀、不导电、非磁性的各向异性介质(晶体)中， 若没有 自由电荷存在，麦克斯韦方程组为
(4.2 – 1)
(4.2 - 2)
(4.2 - 3)
17
第 4 章 光在各向异性介质中的传播特性
第 4 章 光在各向异性介质中的传播特性
晶体的光学性质及其应用
晶体的光学性质及其应用晶体是由有序排列的原子或分子结晶而成的有机物，是一种具有均质结构的物质。
在晶体中，光的传播受到了严格规定的限制，因此晶体的光学性质非常特殊，这种性质具有非常广泛的应用。
晶体具有自然的光学活性晶体的光学性质表现在其对偏振光的旋光性质。
偏振光是指只在一个方向上震荡的光，而晶体中自然发出的光则是未偏振光。
但当朝向晶体中的光传播方向发生旋转时，未偏振光就会发生偏振。
这是由于晶体具有对不对称分子结构，不同方向的分子旋转角度互相不同，从而使光旋转的方向发生变化。
这种现象称作自然光学活性。
晶体的双折射现象双折射是指当光线穿过晶体时会分成两束光线，分别沿着不同的方向传播，并且光线传播的速度也不同。
这个现象由于晶体中分子的空间排列呈现出某些特殊的对称性导致的，这个对称性可以被表示为对称轴或对称平面。
这种现象可以被用来制造双折射支撑倍频器。
晶体的偏光性质及其应用光源分光是指光的分光学分解为不同波长的单色光，而光的偏振性则对应着光的横向振动方式，晶体具有光的偏振性质。
通过光源分光和偏光器，可以得到偏振光，这种光从中穿过的晶体具有除了其他部分外的方向振动，因此可以形成光的旋转现象。
在显微镜下，这种现象可以显像偏振显微镜。
晶体光的波速度调制及其应用在晶体中，当一个光子进入晶体时，其波动特性与晶体中的原子结构相互作用。
通过这种相互作用，可以改变光的波速，并且可以在早期光通信系统中被用来传输数字信息。
在这种传输方式中，光的波速被快速调制，从而传输出的信息就是由快速变化的光的波速表现出来的。
晶体在光学中是一种非常美丽和独特的材料，并且也是一种非常有用的功能材料。
晶体的光学性质和应用非常多，一些应用比如水晶振荡器等已经广泛使用，而在其他一些领域，晶体的使用也在快速发展之中。
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部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的 光矢量都有，但振幅不对称，在某一方向振动较强，而与 它垂直的方向上振动较弱。
部分偏振光两垂直方向光 振动之间无固定的相位差。
偏振度
4.2.2 晶体的各向异性与电磁理论
晶体的双折射现象，是入射电磁场与晶体相互作用的各向异性引起的
方解石分子结构和各向异性
正负晶体
主折射率
no
c
o
c
ne
e
o 、 e 主速度
正晶体
负晶体
e o
ne no（如石英）
e o
ne no
（如方解石）
几种单轴晶体的主折射率
光轴
o
光轴
o e
方解石
e
o
e
o
石英
e
光线透过该厚度为d的 晶体后， O光、e光的 光程差为：
D (n0 ne )d
出射光沿同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，但 传播速度不相同，我们认为产生了折射现象。
2.平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴垂直于晶体表面。
出射光沿同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，传 播速度相同，不产生折射现象。
第4章 光的偏振与偏振器件
振动方向和传播方向垂直的波叫横波
偏振现象：证实了光的横波性
本章内容 4.1 从自然光获得线偏振光 4.2 晶体的双折射
4.3 晶体光学器件
4.4 椭圆偏振光和圆偏振
4.5 偏振光和偏振器件的矩阵表示
4.6 偏振光的干涉及其应用
南京理工大学-研究生入学考试大纲-819光学工程
《光学工程》考试大纲
一、复习参考书
1、工程光学. 第二版郁道银、谈恒英编，机械工业出版社，2007.2
二、复习要点
物理光学部分
第一章光的电磁场理论
1．光的电磁性质
2．光在电介质分界面上的反射和折射
3．光波的叠加和傅里叶分析
重点：熟练掌握光的电磁波表达形式和电磁场的复振幅描述；掌握光在介质分界面上反射和折射时光波的变化情况，尤其是正入射的情况；掌握光波的叠加原理与傅里叶分析方法。
第二章光的干涉和干涉系统
1．光波干涉的条件及干涉图样的计算
2．干涉条纹的可见度
3．平行平板产生的双光束干涉及典型双光束干涉仪
4．平行平板产生的多光束干涉及其应用
重点：熟练掌握光程差概念以及对条纹的影响及基本的双光束干涉系统。
掌握条纹定域和非定域的概念及条纹可见度、空间相干性、时间相干性概念；典型的双光束、多光束干涉系统以及单层增透、减反膜的计算结论和实际应用。
第三章光的衍射
1．菲涅耳衍射公式与夫琅和费衍射公式
2．典型孔径（矩孔，单缝和圆孔）的夫琅和费衍射
3．光学成像系统的衍射和分辨本领
4．多缝的夫琅和费衍射与衍射光栅
5．菲涅耳波带片
重点：熟练掌握典型的夫朗和费衍射系统概念和计算；掌握光栅的原理和计算；菲涅耳波带片的概念和使用。
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第4章 光的偏振与晶体光学器件
本章内容
4.1 从自然光获得线偏振光
4.2 晶体的双折射
4.3 晶体光学器件
4.4 椭圆偏振光和圆偏振
4.5 偏振光和偏振器件的矩阵表示
4.6 偏振光的干涉及其应用
4.7 旋光
z
y
振动面
Z
E
∙
∙∙∙2、线偏振光
X
3、圆椭圆偏振光和椭圆偏振光
光矢量方向不变，其大小随位相变化
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
4、椭圆偏振光
光矢量在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量大小和方向都在有规律地变化，且矢量末端轨迹为椭圆
5、部分偏振光
彼此无固定相位关系、振动方向任意、不同方向上振幅
不同的大量光振动的组合
不同的大量光振动的组合,,称部分偏振光，它介于自然光与线偏振光之间。
部分偏振光两垂直方向光振动之间无固定的相位差。
部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量都有，但振幅不对称，在某一方向振动较强，而与它垂直的方向上振动较弱。
二、从自然光获得线偏振光的方法
利用反射与折射
利用二向色性
利用晶体的双折射
利用散射
布儒斯特窗激光器的
激光器的布儒斯特窗
为解决这个矛盾，让光通过由多片玻璃叠合而成的片堆，入射角等于布儒斯特角，经过多次的反射和折射，既能获得较高的偏振度，光的强度也比较大。
玻璃片堆玻璃片堆——————偏振分光镜
偏振分光镜只用一片玻璃的缺点：
以布儒斯特角入射时，反射光虽为线偏振光，但强度太小（以布儒斯特角入射时，反射光虽为线偏振光，但强度太小（≈≈7%7%））透射光的强度虽大，但偏振度太小
P
I θ
θP
P
I
θ时，
I
一般情况下主平面不重合
109o
o
71
一般情形下，o主平面和e主平面是不重合的．
但若入射面与晶体的主截面重合时，则o光和e光都在这个平面内，即o主平面、e主平面与晶体主截面三者重合为一．o光和e光的电矢量方向互相垂直。
在实际上，都有意选择入射面与晶体主截面重合，以便所研究的双折射现象大为简化．
C
e光
O光
光线透过该厚度为光线透过该厚度为d
d 的晶体后， O 光、光、e
e 光的光程差为：
0()e n n d
=-D 出射光沿同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，但传播速度不相同，我们认为产生了折射现象。
2.2.平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴垂直于晶体表面。
平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴垂直于晶体表面。
出射光沿同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，传
播速度相同，不产生折射现象。
3.平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交
出射两束偏振方向相互垂直的线偏光。