双折射偏振光的干涉
偏振光的干涉
蓝色（485.4nm）相消 →黄色（585. 3 nm）。 红色（656.2 nm）相消→绿色（492.1nm）； 若d不均匀，则屏上出现彩色条纹。
色偏振是检验材料有无双折射效应的灵敏方法,用显微镜观察 各种材料在白光下的色偏振，可以分析物质内部的某些结构.
这时克尔盒相当于一块半波片。
应用:
光开关
P1 45
Δk
l
2π
k d2
U
2
+
P2 45
P1 P2
克尔盒 l
d
当U=0时，Δk 0 ,光通不过 P2, 关！
当U为半波电压时，克尔盒使线偏振光的振动面
转过 2 =900，光正好能全部通过 P2，开！
克尔盒的响应时间极短，每秒能够开关109次。
过Ｎ2后的相干光强为
N1 A
Ao
C
N2
Ae
600 Ae2
Ao2
I Ao22 Ae22 2 Ao2 Ae2 cos( / 2)
Ao22 Ae22 ( Asin 300 cos 600 )2 ( A cos2 300 )2
5 8
A2
5 16
I0.
出射光为线偏振光．
人工双折射
人工双折射是用人工的方法造成材料的 各向异性, 从而获得双折射的现象。
一.应力双折射（光弹性效应）
将有机玻璃加力，发现有机玻璃变成各向异性。 加力的方向即光轴的方向。
在观察偏振光干涉的装置中，将有机玻璃取代晶片：
··P1
SF C P2
有机玻璃
P1 P2
反射偏振光显微镜的原理及在材料研究中的应用
反射偏振光显微镜的原理及其在材料研究中的应用一、偏振光的基础知识一自然光和偏振光光是一种电磁波属于横波振动方向与传播方向垂直。
一切实际的光源如日光、烛光、日光灯及钨丝灯发出的光都叫自然光。
这些光都是大量原子、分子发光的总和。
虽然某一个原子或分子在某一瞬间发出的电磁波振动方向一致但各个原子和分子发出的振动方向也不同这种变化频率极快因此自然光是各个原子或分子发光的总和可认为其电磁波的振动在各个方向上的几率相等。
自然光在窗过某些物质经过反射、折射、吸收后电磁波的振动哥以被限制在一个方向上其他方向振动的电磁波被大大削弱或消除。
这种在某个确定方向上振动的光称为偏振光。
偏振光的振动方向与光波传播方向所构成的平面称为振动面。
二直线偏振光、圆偏振光及椭圆偏振光1.直线偏振光直线偏振光由于光线的振动方向都在同一个平面内所以这偏振光又叫作平面偏振光。
正对光的传播方向看去这种光的振动方向是一条直线因此又叫直线偏振光或线偏振光。
2.圆偏振光和椭圆偏振光1光的双折射现象和晶体的光轴当一束光线射入各向异性的晶体中时要分裂为两束沿不同方向传播的挑线这种现象叫双折射现象。
发生双折射的两束光线都是偏振光。
这两束光线之一恒遵守光的折射定律在改变入射方向时传播速度不发生变化这条光线称为寻常光线用o表示另一束光线不遵守折射定律当入射光线方向变化时它的传播速度也随之变化光的折射率不同这束光称为非常光线用e来表示。
在各向异性晶体中存在有某些特殊方向在这些方向上不发生双折射寻常光线和非常光线传播方向和传播速度相同这些方向称为晶体的光轴有一个光轴的晶体叫一轴晶有两个光轴的晶体叫二轴晶。
对于二轴晶双折射后的两束光线均为非常为光线。
2波晶片波晶片简称波片可用来改变或检验光的偏振情况。
当自然光沿一轴晶光轴入射时不发生双折射现象。
如果垂直于晶体光轴入射时产生的o光和e光仍沿原入射方向传播但传播速度和折射率不同且传播速度相差最大。
如果在平行于一轴晶光轴方向上切下一薄片这时晶片表面与光轴平持这样制得的晶片叫波晶片。
第3章,晶体双折射4平行偏振光的干涉
l
（
一定 ）
L
A
l
B
为一与旋光物质有关的 常量——比旋光率
C 为旋光物质的浓度 l 为旋光物质的透光长度
C Cl
为一与旋光物质及入射光的波长有关的有关的常量
对于旋光物质旋光率
二 旋光物质的分类
1）右旋物质 面对着光源观察，使光振动 面的旋转为顺时针的旋光物质.（如葡萄糖溶液）
2
Ae A cos ,
(no ne )d .
（3）相干光振幅(透过P2振幅）
P1
Ao 2 A sin cos , Ae 2 A cos sin .
C
Ae
Ao Ao2
振幅投影相位差为： 相干光强；
Ae2
P2
3
2 o2
2
迎光矢量图
I A A 2 Ao 2 Ae 2 cos ,
2
P 1 P 2 :
P1
（1）透过P1后，光强：
A Ao
C
Ae
A I 0 / 2,
2
o光振幅 e光振幅 初始相位差
Ao A sin , Ae A cos . 1 0.
P2
迎光矢量图
（2）进入波片C后: 波片后表面两振动： 振幅：A A sin ,
o
附加相位差： 2
设:入射时L，R 初相为0，旋光物质长d. nR nL 即 L R
(a)
(b)
d
E 同一时刻 E EL ER
在出射面上它们 的位相，分别比 入射面处的位相 落后， 看旋转矢量图:
R
EL
R L
偏振光干涉实验报告
偏振光干涉实验报告偏振光实验报告实验1. 验证马吕斯定律实验原理：某些双折射晶体对于光振动垂直于光轴的线偏振光有强烈吸收，而对于光振动平行于光轴的线偏振光吸收很少(吸收o光，通过e光)，这种对线偏振光的强烈的选择吸收性质，叫做二向色性。
具有二向色性的晶体叫做偏振片。
偏振片可作为起偏器。
自然光通过偏振片后，变为振动面平行于偏振片光轴(透振方向)，强度为自然光一半的线偏振光。
如图 P1、图2所示：P1 P2 图1 图2 θA 0 图1中靠近光源的偏振片P1为起偏器，设经过P1后线偏振光振幅为A0（图2所示），光强为I0。
P2与P1夹角为?,因此经P2后的线偏振光振幅为A?A0cos?，2光强为I?A0cos2??I0cos2?,此式为马吕斯定律。
实验数据及图形：从图形中可以看出符合余弦定理，数据正确。
实验2.半波片，1/4波片作用实验原理：偏振光垂直通过波片以后，按其振动方向（或振动面）分解为寻常光（o光）和非常光（e光）。
它们具有相同的振动频率和固定的相位差（同波晶片的厚度成正比），若将它们投影到同一方向，就能满足相干条件，实现偏振光的干涉。
分振动面的干涉装置如图3所示，M和N是两个偏振片，C是波片，单色自然光通过M变成线偏振光，线偏振光在波片C中分解为o光和e光，最后投影在N上，形成干涉。
偏振片波片偏振片图3 分振动面干涉装置考虑特殊情况，当M⊥N时，即两个偏振片的透振方向垂直时，出射光强为：I0(sin22?)(1?cos?)；当M∥N时，即两个偏振片的透振方向平行时，出射4I0(1?2sin2?cos2??2sin2?cos2?cos?)。
其中θ为波片光轴与M2I??光强为：I//?透振方向的夹角，δ为o光和e光的总相位差（同波晶片的厚度成正比）。
改变θ、δ中的任何一个都可以改变屏幕上的光强。
当δ=（2k+1）π（1/2波片）时，cosδ=-1，I??强最大，I//?02sin22?，出射光I0(1?sin2?)2，出射光强最小；当δ=[（2k+1）π]/2（1/4波片）时，cosδ=0，I??I0I(sin22?),I//?0(2?sin22?)。
光的偏振和双折射
或
将各方向的 E 投影到二个任意互相垂直的方向 上，由于在所有可能的方向上 E 完全相等，所以在
任二个互相垂直的方向上光矢量的分量的和相等。 自然光也可以表示为：
Leabharlann 传播方向 图中：“︱”表示 在板面内的分振动 E “●”表示 E 垂直板面的分振动
二个相互垂直的光振动，光强各占一半
tgib n2 n1
12
ib
n2
布儒斯特定律：当自然光以布儒斯特 角 ib 入射到二介质界面时，反射光为 完全偏振光，振动方向⊥入射面
三. 应用
1. 测量不透明介质的折射率 让光线入射到不透明的介质上，改变入射角i 并测反 射光线的偏振化程度，当反射光线为完全偏振光时， 入 射角 ib 即为布儒斯特角，即：
4
2. 偏振化方向： 偏振片允许通过的光振动的方向。
偏振片 自然光I0
线偏振光I
1 2
偏振化方向
I
I0
※不是只有一个振动方向 的光可以通过偏振片，其他方 向振动的光在偏振化方向的分 量均可以通过偏振片。
偏振片 自然光I0
线偏振光I
1 2
偏振化方向
I
I0
※自然光不是只有2个方 向的振动，在 0~2p 内有无数 个振动方向。
光
的
21.4 偏振光的干涉
光程差
( no − ne ) d
3
no —— o 光主折射率 ne —— e 光主折射率
第21章 光的偏振
2. 光强分析
Ao = A sin θ 1
Ao2 = Ao cosθ = A sin θ ⋅ cos θ 1
Ae = A cos θ 1
Ae2 = Ae sin θ
1 • P
= A sin θ ⋅ cos θ 1 2πd ∆ϕ = ∆ϕc + π = no − ne + π
6 第21章 光的偏振
白光
• •
P1
P2
屏
偏振片1 偏振片
偏振片2 偏振片
相位差与装置的关系: 相位差与装置的关系
P1 ⊥ P2
∆ϕ =
2π
P || P2 1
λ 2π ∆ϕ = ( no − ne ) d λ
( no − ne ) d + π
思考1 画出P 思考 画出 ⁄ ⁄ A时振幅投影图 时振幅投影图 思考2 比较 思考 比较P ⁄ ⁄ A与P ⊥ A情况 说明为什么 与 情况 多采用P 多采用 ⊥ A情形观察偏振光干涉 情形观察偏振光干涉 思考3 自然光入射波片后的偏振状态是什么? 思考 自然光入射波片后的偏振状态是什么
9
第21章 光的偏振
硫代硫酸钠晶片的色偏振图片
10 第21章 光的偏振
石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹） 石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）
11 第21章 光的偏振
利用偏振光干涉看到的结冰过程
12
第21章 光的偏振
利用偏振光干涉看到的结冰过程
13
第21章 光的偏振
利用偏振光干涉看到的结冰过程
14
光的双折射实验报告
光的双折射实验报告篇一：光弹实验报告光弹性应力测试实验报告指导教师：王美芹学院：班级：学号：姓名：一、实验内容与目的1．了解光弹性试验的基本原理和方法，认识偏光弹性仪；2．观察模型受力时的条形图案，认识等差线和等倾线，了解主应力差和条纹值得测量； 3．利用图像处理软件，对等倾线和等差线条纹进行处理。
二、实验设备与仪器1．由环氧树脂或聚碳酸酯制作的试件模型一套； 2．偏光弹性仪及加载装置。
三、实验原理光弹性实验主要原理是根据光的这一特性：光在各项同性材料中不发生双折射，而在各向异性的材料中发生双折射，且光学主轴与应力主轴重合。
模型材料在受力前为各向同性材料，受力后部分区域变成各向异性，然后再根据光的干涉条件可知，在正交平面偏振场中，当光程差为波长整数倍时（等差线）或者模型应力主轴与偏振轴重合时（等倾线）光的强度为零，相应地显示出来的条纹为暗条纹，而在平行平面偏振场中，根据干涉条件可知，在正交平面偏振场中的暗纹条件恰好为平行平面偏振场亮纹的条件。
然而，等倾线和等差线在一个图像上显示，难免会使图像不清晰，为了改进实验，我们在实验中把平面偏振场改为圆偏振场，这样就可以得到清晰的等倾线，它与平面偏振场的区别是在装置的模型两侧分别加了一个四分之一波片，当然了，也可以通过快速旋转正交偏振轴，快到应力模型上不同度数等倾线的取代过程用肉眼分辨不出来来消除等倾线的影响。
应力模型所使用的仪器为偏光弹性仪，由光源(包括单色光源和白光光源)、一对偏振镜、一对四分之一波片以及透镜和屏幕等组成，其装置简图1。
图1 光弹性仪装置简图S—光源L—透镜 P—起偏镜 M—四分之一波片A—检偏镜 O—试件I—屏幕光弹性实验中最基本的装置是平面偏振光装置，它主要由光源和一对偏振镜组成，靠近光源的一块称为起偏镜，另一块称为检偏镜。
当两偏振镜轴正交时开成暗场，通常调整一偏振镜轴为竖直方向，另一为水平方向。
当两偏振镜轴互相平行时，则呈亮场。
M是四分之一波片，若把四分之一波片的快慢轴调整到与偏振片的偏振轴成45o的位置，就可以得到圆偏振光场。
研究光的干涉、衍射和偏振现象
现象
汇报人：XX
2024-01-22
contents
目录
• 光的干涉现象研究
• 光的衍射现象研究
• 光的偏振现象研究
• 干涉、衍射和偏振在科学技术中应用
01
光的干涉现象研究
干涉现象基本概念
干涉现象定义
干涉条纹
两列或多列频率相同、振动方向相同
、相位差恒定的光波在空间某点叠加
一系列明暗相间的圆环；亮斑大小与圆孔直径和
光波长有关。
圆孔衍射与单缝衍射的区别
3
圆孔衍射形成的是圆环状图案，而单缝衍射形成
的是直线状条纹；圆孔衍射的亮斑较大，而单缝
衍射的中央条纹较窄。
晶体衍射与X射线衍射
X射线衍射原理
晶体衍射现象
当光通过晶体时，由于晶体内部
原子排列的周期性，使得光波发
生衍射，形成特定的衍射图案。
在屏幕上观察到明暗相间
的衍射条纹，条纹间距与
缝宽、光波长及屏幕距离
有关。
中央条纹最亮，两侧条纹
依次递减；条纹间距与光
波长成正比，与缝宽和屏
幕距离成反比。
圆孔衍射及其特点
圆孔衍射现象
1
当单色光通过小圆孔时，光波在圆孔范围内发生
衍射，形成明暗相间的圆环状衍射图案。
圆孔衍射特点
2
中央为一个较大的亮斑（艾里斑），周围环绕着
是横波区别于其他纵波的一个最
明显的标志。
自然光、部分偏振光、线偏振光
、圆偏振光和椭圆偏振光。
摄影、显示技术、光学研究等。
马吕斯定律及其物理意义
马吕斯定律内容
强度为I0的线偏振光，透过检偏片后，透射光的强度（不考虑吸收）为：
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A
光轴
B'
方解石
o光 e光 光 光
2. 光轴平行入射面，自然光垂直入射负晶体中 光轴平行入射面，
光轴
方解石
光轴
o光 光
e光 光
o光 光
e光 光
3. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射 光轴平行晶体表面，
o光
e光
e光
o光
此时， 传播方向相同，但传播速度不同。 此时 o, e 光传播方向相同，但传播速度不同。从晶体出 射后，二者产生相位差。 射后，二者产生相位差。
78
o
光轴
102 78 102
o o o
* 主平面(为了说明o、e光的偏振） 主平面(为了说明o 光的偏振） 主平面 晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面. 晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面.
光主平面. 光轴与 o 光构成的平面叫 o 光主平面 光主平面. 光轴与 e 光构成的平面叫 e 光主平面
光轴
o光
(o光振动垂直o 光主平面 光振动垂直 光主平面)
光轴在入射面时, 主平面和e 主平面重合,此时o 振动和e 光轴在入射面时,o 光主平面和e 光主平面重合,此时o 光振动和e 光 振动相互垂直。一般情况下，两个主平面夹角很小，故可认为o 振动相互垂直。一般情况下，两个主平面夹角很小，故可认为o 光振 动和e 振动仍然相互垂直。 动和e 光振动仍然相互垂直。
二. 晶体光学
no (1.658) > n(1.55) > ne (1.486)
器件
1. 晶体偏振器 ！ 尼科耳棱镜 ！渥拉斯顿棱镜
光轴
o光 光
负晶体 no > ne
加拿大树胶
Ι
C
o光 e光
e光
o光 ie,o
Ι
e光
γe
e光
C
o光
γo
o光
上述两种棱镜得到的偏振光质量非常好， 本身价格很高，因而使用较少. 上述两种棱镜得到的偏振光质量非常好，但棱镜本身价格很高，因而使用较少. 棱镜得到的偏振光质量非常好
o 光的 主平面
光轴
e光
e 光的 主平面
(e 光振动在 光主平面内) 振动在e 光主平面内
* 正晶体、负晶体 正晶体、 o 光:
no = c ( o 光主折射率 光主折射率) vo
e 光:
ne =
c ( e 光主折射率 主折射率) ve
vot
光轴
光轴 vot
vet
正晶体
2. 偏振光干涉的分析
# 光线通过波片的传播情况 o 光和 光传播方向相同， 光和e 光传播方向相同， 但速度不同。 但速度不同。 o 光和 光通过波片后产 光和e 生的相位差为： 生的相位差为：
d
o光
e光
c =
2π d
λ
no ne
no —— o 光主折射率 ne —— e 光主折射率
# 光强分析
o 光和e 光经过偏振片 后，振动方向平行，振动频率相同， 光经过偏振片2 振动方向平行，振动频率相同，
相位差恒定，满足干涉条件。 相位差恒定，满足干涉条件。
合振动强度为： 合振动强度为：
I2 = A2o2 + A2e2 + 2A 2 A 2 cos o e
1 2 2 = A sin 2θ (1+ cos ) 1 2
白光
偏振片1 偏振片 偏振片2 偏振片
屏
(4) 旋转偏振片，使两偏振片偏振化方向平行， 相位差产生 旋转偏振片，使两偏振片偏振化方向平行， 的变化，屏上颜色发生变化。 π 的变化，屏上颜色发生变化。
光弹效应(应力双折射效应) 3. 光弹效应(应力双折射效应)
FF 白光
屏
偏振片1 偏振片
FF
d
偏振片2 偏振片
A = A sinθ o 1
A P 1 1
A o
A2 o
C
A e
A = A cosθ e 1 A 2 = A cosθ = A sinθ cosθ o o 1 A 2 = A sinθ = A sinθ cosθ e e 1
= c + π = 2πd
θ
P 2
A2 e
λ
no ne + π
式中π为投影引入的 式中π 附加相位
晶体的双折射(Birefringence) 一、晶体的双折射(Birefringence)
双折射现象
方解石晶体
动光 学 光学 波动
透过方解石(calcite) 看 透过方解石 到的双象: 到的双象 折射光分成 两束。 两束。
双折射现象一束光入射 双折射现象一束光入射 到各向异性的介质后出 现两束折射光线的现象. 现两束折射光线的现象.
是与材料有关的常数， 为样品材料中的应力) no ne = cp ( c 是与材料有关的常数，p 为样品材料中的应力 2πd cpd 2π no ne = o 光和 的相位差： = 光和e 的相位差：
λ
λ
说明 (1) 各处 p 不同
不同
出现干涉条纹
(2) 应力分布越集中的地方条纹越细密
vo >ve no < ne
负晶体
光轴
vo <ve
no > ne
光轴
vot
vet
( 平行光轴截面 )
( 平行光轴截面 )
ve
ve
vo
( 垂直光轴截面 )
vo
( 垂直光轴截面 )
惠更斯作图法
B u1 A u2 u2△t
i
C
γ
D
F E
光轴平行入射面， 1. 光轴平行入射面，自然光斜入射负晶体中 B
光轴
2. 波晶片 光轴平行于表面且厚度均匀的晶体） （光轴平行于表面且厚度均匀的晶体） 自然光垂直入射波晶片后， 自然光垂直入射波晶片后 ， o 光, e 光传播速度不同， 光传播速度不同 速度不同， 产生的相位不同 。 出射 o 光 e 光的相差为
d
波晶片
λ
2 π = (no ne )d λ
波晶片分类 波晶片分类
e光
o光
(no ne )d =λ 4
=π 2
1 4 波片
(no ne )d =λ 2
(no ne )d =λ
=π
= 2π
半波片 全波片
如何获得椭圆偏振光？ 如何获得椭圆偏振光？
偏振片 波片
椭圆偏振光的主要应用
◆测量薄膜膜厚及其光学性质，包括折射率、消光系数、吸收系 测量薄膜膜厚及其光学性质，包括折射率、消光系数、 数、复介电函数等 ◆测定材料的多层结构和表面粗糙度 无损地研究与气态、 ◆无损地研究与气态、液态周围媒质接触的表面分子或原子的物 理、化学吸附状态 ◆研究处于各种不同环境中的半导体及金属表面的氧化问题 可现场深入地研究电极-电解液界面过程 电解液界面过程， ◆可现场深入地研究电极 电解液界面过程，并可和其它常规电化 学测量方法同步进行 研究血凝过程、薄膜抗原-抗体的免疫反应 抗体的免疫反应、 ◆研究血凝过程、薄膜抗原 抗体的免疫反应、电吸附免疫试验和 细胞表面的材料测定等 研究固体的辐射探伤， ◆研究固体的辐射探伤，表征介电材料和半导体材料制备过程中 造成的表面机械损伤
n1 n2iγoFra bibliotekγee光
o光
寻常光线 o 光 (ordinary ray)
—— 服从折射定律
非常光线 e 光 (extraordinary ray)
—— 不服从折射定律
* 晶体的光轴 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射， 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该 不发生双折射 方向称为晶体的光轴 光轴。 方向称为晶体的光轴。例如 方解石晶体(冰洲石) 方解石晶体(冰洲石) 光轴是一特殊的方向, 光轴是一特殊的方向 , 凡平行于此 方向的直线均为光轴。 方向的直线均为光轴。 单轴晶体： 单轴晶体：只有一个光轴的晶体 双轴晶体: 双轴晶体: 有两个光轴的晶体 主截面: 光线沿晶体的某界面入射, 主截面: 光线沿晶体的某界面入射,此界面的法线与晶体 的光轴组成的平面。 的光轴组成的平面。
= 2πd
λ
2πd
no ne + π = 2kπ
— 干涉相长
=
讨论
λ
no ne + π = (2k +1)π — 干涉相消
(1) 波片厚度相同时，各处相位差相同，单色光 照射时屏上 波片厚度相同时，各处相位差相同， 光强均匀分布。 光强均匀分布。
(2) 波片厚度不均匀时，各处相位差不同，单色光入射出现 波片厚度不均匀时，各处相位差不同， 等厚干涉条纹。 等厚干涉条纹。 (3) 白光照射时，屏上由于某种颜色干涉相消, 而呈现它的 白光照射时，屏上由于某种颜色干涉相消, 互补色，这叫( 色偏振。 互补色，这叫( 显) 色偏振。
三
# 实验装置
偏振光的干涉
1. 偏振光干涉实验
偏振片1 偏振片 波片 偏振片2 偏振片
屏
# 实验现象 单色光入射，波片厚度均匀，屏上光强均匀分布。 单色光入射，波片厚度均匀，屏上光强均匀分布。 白光入射，屏上出现彩色，转动偏振片或波片，色彩变化。 白光入射，屏上出现彩色，转动偏振片或波片，色彩变化。 波片厚度不均匀时，出现干涉条纹。 波片厚度不均匀时，出现干涉条纹。