椭圆和圆偏振光的检验与获得
合集下载
(物理光学)第十五章_光的偏振和晶体光学基础-5
O
1 2 cos , sin 2 2 G＝ 1 sin 2 , sin 2 2
检偏器透光轴与x’轴夹角 是，其琼斯矩阵为：
1 2 1 2 cos , sin 2 A cos A sin 2 2 A1 1 2 2 E出 GE入＝ A iA 1 2 sin 2 , sin 2 2 1 sin 2 iA2 sin 2 2
2、偏振分光镜与/4片组合
Io/4
Io Io/2 普通分光镜
Io/2 Io Io Io 偏振分光镜
稳频He-Ne激光 (He-Ne laser)
压电晶体(Piezoelectric crystal)
/2片
/4片
被检面
偏振分光 棱镜 prism
检偏器
TV相机
非球面测定用干涉仪
itg
2 1
结论：
1）从1/4波片出射的是线偏光。出射线偏光的光矢量 与x轴的夹角=/2。
2）旋转检偏器可测得，故可求，即求得了待测玻璃的 双折射率之差，从而分析了玻璃内部的应力情况 。
二、会聚(Convergence)偏光仪的干涉
P
C
A
会聚偏光仪干涉装置
透过厚度为d的晶片时两束出射光之间的相位差：
半影式检偏器工作原理 原理
结构： P H A
y
P1
O H1
’ ’
H2 P2 A
x
2 2 I1＝OH1 sin ( ' ) 2 2 I 2＝OH 2 sin ( ' )
2、椭圆偏振光的测定 含义：用实验方法测定表示偏振状态的参量（指 定坐标系中的方位角、椭圆度tg和旋向；或直角 坐标系下两偏振光振幅比和位相差。） y y’ C2 A2 x’
【大学物理实验(含 数据+思考题)】偏振光的特性研究实验报告
实验3.4 光的偏振特性研究一、实验目的（1）了解自然光和偏振光的定义及特性。
（2）观察光的偏振现象，了解偏振光的产生方法和检验方法。
（3）了解波片的作用和用波片产生椭圆和圆偏振光及其检验方法。
二、实验仪器GSZ-Ⅱ光学平台（配有光具座、氦氖激光器及电源、扩束镜、偏振片、波片、观察屏等）。
三、实验原理1.自然光和偏振光的定义自然光：由普通光源所发射的光波，在光的传播方向上，任意一个场点，光矢量既有空间分布的均匀，又有时间分布的均匀性。
偏振光：光矢量相对于光的传播方向分布的非对称性。
部分偏振光：光波光矢量的振动在传播过程中只是在某一确定的方向上占有相对优势。
平面偏振光：光在传播的过程中光矢量的振动只限于某一特定的平面内。
圆偏振光：在光的传播方向上，任意一个场点光矢量以一定的角速度转动它的方向，但大小不变，其光矢量的末端在垂直于光传播方向的平面内的投影是一个圆。
椭圆偏振光：在光的传播方向上，任意一个场点光矢量即改变它的大小，又以一定的角速度转动它的方向，其光矢量的末端在垂直于光传播方向的平面内的投影是一个椭圆。
2.偏振光的产生及检验方法（1）平面偏振光的产生和检验方法：产生：本次实验中我们利用偏振片来生成平面偏振光。
偏振片是由具有二向色性的晶体制作成的，这些晶体对不同方向振动的光矢量具有不同的吸收本领，当自然光入射到这些晶体上时，透射光的光矢量仅在某一个特定的方向上，形成了平面偏振光。
检验：线性偏振光通过检偏器后，按照马吕斯定律，强度为I0的线偏振光通过检偏器，透射光的强度为I=I0cos2α,α=0/π时，透射光的强度最大，当α= (π/2)/(3π/2)时，透射光的强度为0，出现消光现象。
所以偏振器旋转一周，透射光的强度将发生强弱变化，并且消光两次，根据这个特点可以检测是否有平面偏振光。
（2）椭圆和圆偏振光的产生和检验方法：产生：波片是光轴平行于晶面的各向异性晶体薄片。
双折射是光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射的现象。
ch5-7椭圆偏振光的获得和检验
Ex = Ax cos ωt = E y Ay cos(ωt + 0) Ex = Ax cos ωt Ax = Ay = E y Ay cos(ωt + π )
•
Ex = A0 cos ωt 则经过波片后 = E y A0 cos(ωt ± π / 2)
Ex E = ± x0 Ey Ey0
y Ey0 E
结论：椭圆蜕变为直线，合振动仍为平面偏振光。 合振动的振动方向与x轴夹角：
θ
Ex0 x
tan θ =
Ey Ex
=±
Ey0 Ex0
2 x0 2 y0
y E Ay0
θ
合振动的振幅：
E0 = E + E
Ax0
x
E x = E x 0 cos(ωt ) E y = E y 0 cos(ωt − δ )
左旋 右旋
δ =0
π/4
π/2
3π/4
π (−π)
5π/4 (-3π/4)
3π/2 (-π/2)
7π/4 (-π/4)
2π
两正交平面偏振光的合成
③圆偏振光：δ =±(2m+1)π/2（m=0, 1, 2, 3, ···），且Ex0=Ey0=E0。 椭圆方程简化为：
2 E x2 + E y = E02
合光矢量末端的轨迹为一个椭圆，该椭圆与以 Ex=±Ex0 和 Ey=±Ey0 为界的矩形框 内切，其旋转方向及长短轴的方位与两叠加光波的相位差δ 有关。
y Ey0
Ey wt Ex Ex0 x
正交振动的合成
①平面偏振光： δ =±mπ （m=0, 1, 2, 3, ···），即两光波同相（或反相） 椭圆方程简化为：
•
Ex = A0 cos ωt 则经过波片后 = E y A0 cos(ωt ± π / 2)
Ex E = ± x0 Ey Ey0
y Ey0 E
结论：椭圆蜕变为直线，合振动仍为平面偏振光。 合振动的振动方向与x轴夹角：
θ
Ex0 x
tan θ =
Ey Ex
=±
Ey0 Ex0
2 x0 2 y0
y E Ay0
θ
合振动的振幅：
E0 = E + E
Ax0
x
E x = E x 0 cos(ωt ) E y = E y 0 cos(ωt − δ )
左旋 右旋
δ =0
π/4
π/2
3π/4
π (−π)
5π/4 (-3π/4)
3π/2 (-π/2)
7π/4 (-π/4)
2π
两正交平面偏振光的合成
③圆偏振光：δ =±(2m+1)π/2（m=0, 1, 2, 3, ···），且Ex0=Ey0=E0。 椭圆方程简化为：
2 E x2 + E y = E02
合光矢量末端的轨迹为一个椭圆，该椭圆与以 Ex=±Ex0 和 Ey=±Ey0 为界的矩形框 内切，其旋转方向及长短轴的方位与两叠加光波的相位差δ 有关。
y Ey0
Ey wt Ex Ex0 x
正交振动的合成
①平面偏振光： δ =±mπ （m=0, 1, 2, 3, ···），即两光波同相（或反相） 椭圆方程简化为：
椭圆偏振光与园偏振光的产生和检验
§5.5 椭圆偏振光与园偏振光的产生和检验
一、 圆偏振光和椭圆偏振光起偏 晶体相移器件
1、椭圆和圆偏振光获得（思路及装置） （一种相移元件）
思路： 根据振动方向相互垂直、频率相同的两个简谐振动能够合
成椭圆和圆的原理，可有双折射现象获得椭圆和圆偏振光。
分析： 自然光入射到晶片上，
光轴
出射光仍为自然光。（无恒定的相位差）晶片
d
自然光透过晶片是得不到椭圆和圆偏振光的。 o e
线偏振光入射到晶片上，可分解为振动方向相 互垂直的 e 光和 o 光。
晶片：光轴 平行于表面 的晶体薄片
出射光为振动方向相互垂直的、具有固定位相关
系的线偏振光 椭圆和圆偏振光
2、椭圆和圆偏振光起偏装置（光路图） 光轴
y
λ
Ae
A0
？ x
P2 A2e
若单色光入射，且d不均匀， 则屏上出现等厚干涉条纹。色
若若dd均不匀均不匀变，，且而以以白白光光入入射射，，则则屏屏上上出出现现彩均色匀条的纹颜。色。偏振
色偏振： 由于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色
如 红色相消→绿色；蓝色相消→黄色
二、人为双折射
人为地造成介质的各向异性，而产生双折射。
A出
Ae 正最大时，Ao为负最大
A入
线偏振光振动面转过2 角度 A0出
A0入
1/2波片的作用—— 使线偏振光振动面转过2 角度
二、椭圆偏振光与圆偏振光的检偏
用1/4 波片C 和偏振片P 可把自然光与圆偏振光
（或部分偏振光与椭圆偏振光）区分开来。
自然光 圆偏振光
自然光 四 分 线偏振光 之
一、偏振光的干涉
P1
AC
Ao
一、 圆偏振光和椭圆偏振光起偏 晶体相移器件
1、椭圆和圆偏振光获得（思路及装置） （一种相移元件）
思路： 根据振动方向相互垂直、频率相同的两个简谐振动能够合
成椭圆和圆的原理，可有双折射现象获得椭圆和圆偏振光。
分析： 自然光入射到晶片上，
光轴
出射光仍为自然光。（无恒定的相位差）晶片
d
自然光透过晶片是得不到椭圆和圆偏振光的。 o e
线偏振光入射到晶片上，可分解为振动方向相 互垂直的 e 光和 o 光。
晶片：光轴 平行于表面 的晶体薄片
出射光为振动方向相互垂直的、具有固定位相关
系的线偏振光 椭圆和圆偏振光
2、椭圆和圆偏振光起偏装置（光路图） 光轴
y
λ
Ae
A0
？ x
P2 A2e
若单色光入射，且d不均匀， 则屏上出现等厚干涉条纹。色
若若dd均不匀均不匀变，，且而以以白白光光入入射射，，则则屏屏上上出出现现彩均色匀条的纹颜。色。偏振
色偏振： 由于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色
如 红色相消→绿色；蓝色相消→黄色
二、人为双折射
人为地造成介质的各向异性，而产生双折射。
A出
Ae 正最大时，Ao为负最大
A入
线偏振光振动面转过2 角度 A0出
A0入
1/2波片的作用—— 使线偏振光振动面转过2 角度
二、椭圆偏振光与圆偏振光的检偏
用1/4 波片C 和偏振片P 可把自然光与圆偏振光
（或部分偏振光与椭圆偏振光）区分开来。
自然光 圆偏振光
自然光 四 分 线偏振光 之
一、偏振光的干涉
P1
AC
Ao
偏振光的研究和检测
1，自然光通过检偏器 由于自然光具有轴对称性，将光强为Io的自然光中每一个光矢量都在x,y两个方向上分
解，因此有Ix=Iy=Io，这说明肉然光可以等效为等幅(Io/2) 、无确定相位关系、阻取向任意 的两个正交的线偏振光。
如图44-1所示,Ip- θ曲线应为一条直线。
2.线偏振光通过检偏器——马吕斯定律 马吕斯定律指出，一束如图44-2所示光强为Io的线偏振光，通过检偏器的透射光强为
人眼仅对光的强弱变化敏感，而无法直接感知光的各种偏振态，必须借助检偏器，研 声透射光强的孪化来判定光的偏振态。检偏器(或起偏器)是二种只允许某一振动方向光通 过的光学器件，当它用来产生线偏振光时称为起偏器，用来检验线偏振光时称为检偏器。 常用的检偏器有两类：一类是利用材料对不同方向的电磁振动具有选择吸收特性的原理制 成的，称为偏振片；另一类是用双折射晶体制成的特殊棱镜,如尼科耳棱镜,格兰棱镜等,这 类棱镜的透光率和偏振度远高于偏振片。在检偏器上能够让电矢量充分透过的方向称为透 振方向，记作P，与P正交的方向上的电矢量将被强烈吸收而无法透过，称为消光方向。
2.线偏振光的检验 将起偏器的起偏角定在偏振方向为0”的位置，然后旋转检偏器找到光强最大的位置，
记录功率计的读数，而后每隔30”记录一次透射光强的数值，直到旋转一周后出现两次极 大和两次“消光”。画出透射光强随角度变化的曲线与理论曲线相比较，验证马吕斯定律 。
3. 1/4波片的摆正 旋转检偏器使PA正交，在起偏器与检偏器之间放一1/4波片，调节波片使激光束通过
3.椭圆偏振光
角度 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 光强 0.08 0.34 0.99 1.30 1.02 0.42 0.08 0.34 0.95 1.26 0.99 0.34 0.08
椭圆偏振光、圆偏振光、偏振光的检验
(no ne )d (2k 1) / 2 , k 0,1,2 相干相长 (no ne )d k , k 1,2
相干相消
• 偏振片M与N的透振方向相互平行（M//N)
AeN A cos cos
M
N
c
AeN
Ae
AON A sin sin
17-7 人为双折射现象
• 光弹现象
E M
F
现已成为光测弹性学基础。
N
o
• • I
0
I0 2
o' F
透明的各向同性介质在机械应力作用下，显示出光学上的各向 异性，与OO’为光轴的双折射类似，这种现象叫做光弹效应。 实验表明，在一定胁强强范围内：
S为材料 E受力的面积。
k 为胁强光学系数
F (ne no ) k S
d
波长片
任意 1/2波片
任意
00或900
出射光的偏振态
与入射光偏振态相同
与入射光偏振态相同 出射线偏光振动方向与入射光 振动方向对于光轴对称，两者间夹角2 圆偏振光 线偏光 长短轴之比为tan或Ctan 的正椭圆偏光 椭圆偏振光
450
1/4波片 非波片 非半波片 非波片 非半波片 非1/4波片
M
N M
• • I
0
•• 色偏振（互补原理的应用）
取不同厚度的云 母片将它们贴在 玻璃板上，放在 两个用白光照明 的正交偏振片M、 N 之间，其厚度 MN 使其呈现红、绿、 蓝三色。 当M、N平行时，则呈现青、品、黄。
M // N
白光中去掉红为青；白光中去掉绿为品；白中去蓝为黄。
这两个偏振片在由正交向平行方位过渡时， 出射光的颜色，亮度发生变化的现象，称 为色偏振。
7.3圆偏振光和椭圆偏振光的获得和检验(修改版)(课堂PPT)
Ey E O Ex
P
I0
I
圆偏振光
旋转偏振片P一周，出射光强不变化
出射光强为：I
1 2
I0
E2
2）椭圆偏振光通过旋转的检偏器后光强的变化
P
y Ey
E
I0
P I
x O Ex
椭圆偏振光
偏振片处于任意位置时：Em E EM
旋转偏振片一周，没有消光现象。
出射光强为：I m I I M
4．通过波晶片后光束偏振态的变化
§3 圆偏振光和椭圆偏振光的获得和检验
都可看成是相互垂直并有一 定位相关系的两个线偏振光的合 成。
给出了从自然光获得圆偏振 光和椭圆偏振光的一种方法。
1．垂直振动的合成 设两个垂直分振动为
Ex Ax cos(t) Ey Ay cos(t )
求合振动的偏振态？
y x
1） 0或 时
传播速度不同形成的相位差。
2
(ne
no )d
从波晶片出射后形成的总相位差：出＝ 入＋
5）产生圆偏振光的办法 设入射到波晶片上的线偏振光的振幅为A， 振动方向与 e轴夹角为
（1）让： / 4
（2）选取 / 2 波晶片。
则：Ee A cos , Eo A sin , Ee Eo
入 0, , / 2, 出 入 / 2
4）区分左旋或右旋圆偏振光
（1）区分光路如图所示：
圆偏振光 o e
透振方向
K
K P
K为 / 2 的 / 4 波晶片，偏振片P上
的斜线为其透振方向。
（2）区分步骤：
（a）旋转偏振片，边旋转边观察， 出现消光位置时停止旋转，
（b）若偏振片透振方向位于一三象限内， 则入射光为左旋圆偏振光。
12.5 椭圆偏振光和圆偏振光
通常区分圆偏振光和自然光的方法是在检偏器上加上一 块四分之一波片。圆偏振光通过四分之一波片后变成线偏振光， 块四分之一波片。圆偏振光通过四分之一波片后变成线偏振光， 这样再转动检偏器时就可观察到光强有变化， 这样再转动检偏器时就可观察到光强有变化，并出现最大光强 和消光。如果是自然光，通过四分之一波片后仍为自然光， 和消光。如果是自然光，通过四分之一波片后仍为自然光，转 动检偏器时光强没有变化。 动检偏器时光强没有变化。 检验椭圆偏振光时，应使四分之一波片的光轴方向平行 检验椭圆偏振光时， 于椭圆偏振光的长轴或短轴， 于椭圆偏振光的长轴或短轴，这样椭圆偏振光通过四分之一 波片后也变成线偏振光， 波片后也变成线偏振光，而部分偏振光通过四分之一波片后 仍为部分偏振光。 仍为部分偏振光。
d=
λ
2( n o − n e )
5. 椭圆偏振光和圆偏振光的检验
当入射到检偏器上的光是圆偏振光或椭圆偏振光时， 当入射到检偏器上的光是圆偏振光或椭圆偏振光时，随着 检偏器的转动，对于圆偏振光， 检偏器的转动，对于圆偏振光，其透射光强将和自然光的 情况一样，光强不变化；对于椭圆偏振光， 情况一样，光强不变化；对于椭圆偏振光，其透射光强的 变化和检验部分偏振光是的情况一样。因此， 变化和检验部分偏振光是的情况一样。因此，仅用检偏器 观察光强的变化，无法将圆偏振光和自然光区分开来； 观察光强的变化，无法将圆偏振光和自然光区分开来；同 样也无法将椭圆偏振光和部分偏振光分开。 样也无法将椭圆偏振光和部分偏振光分开。 圆偏振光和自然光或者椭圆偏振光和部分偏振光的根本区 别是相位关系的不同。 别是相位关系的不同。圆偏振光和椭圆偏振光是由两个有确 定相位差的互相垂直的光振动合成的， 定相位差的互相垂直的光振动合成的，合成光矢量作有规律 的旋转。 的旋转。而自然光和部分偏振光在不同振动面上的光振动是 彼此独立的， 彼此独立的，因而表示它们的两个互相垂直的光振动之间没 有恒定的相位差。根据这一区别就可以将它们区分开。 有恒定的相位差。根据这一区别就可以将它们区分开。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2
2
1. 1 2 0 二分振动同相(位)
x y 2 xy A A AA 0 1 2 1 2
x y A A 0 2 1
2
2
2
y
A2
o
A2 y x A1
合振动轨迹为过原点 且在一三象限直线。
4
5
7 6
x
4
5
4
5 6 7
3
2 1
8
x
2. / 2
y
8 7 6 5 5 6
y
7 8
1 2
3
1 2 2 1
6 7 8
4
4
3 3x45x3. / 4
y
8
y
8 7 6 5 5 6 7
1 2
3
1 2
x
4
4 4
5 6 7
3 3
2 1
8
x
两 相 互 垂 直 同 频 率 不 同 相 位 差
2 2
为椭圆轨迹方程。 • 合运动一般是取向任意的椭圆。 • 椭圆的性 质 ( 方位 、长短 轴、左 右旋 ) 在 A1 、 A2确定之后, 主要决定于位相差 = 2– 1。
讨论
x y 2 xy cos( 2 1 ) 2 sin ( 2 1 ) A A A1 A2 1 2
e光 o光
由于传播速度不同
o光的位相比e光的 位相滞后或超前 出射波晶片时，两光经历的光程差为
Lo Le no ne d
d
通过厚为d的晶片，o、e光产生相位差： 2 ne no d
通常将这个位相差称作波晶片的位相延迟
1 3、 4 波片：
当晶片厚度满足: no ne d 2k 1 时, k 0,1,2,3, 4 2k 1
简 谐 运 动 的 合 成 图
4.4椭园偏振光和园偏振光
一、定义 当晶体中产生双折射时，若 o、e 光沿同一方向传播，此 时它们满足频率相同、振动方向相互垂直的条件，如能使位相 差为定值，则当光连续通过晶体中任一点（该点上相差为恒定 值）时，在垂直于传播方向的平面内，合光矢（针对某一时刻） 的端点的投影将描出个一椭圆。 在晶体内的整个传播过程中，合光矢量将以传播方向为轴， 螺旋式向前传播。故称椭圆偏振光；若合振动矢量大小不变，仅 方向随时间变化，称圆偏振光。
2
y
A2
x
x y A A 0 2 1 A1 o A2 合振动轨迹为过原点 y x A1 且在二四象限直线。
合振动方程为同频率的谐振动
x y 2 xy cos( 2 1 ) 2 sin ( 2 1 ) A A A1 A2 1 2
5、说明： • 波片是对某一波长而言的；
4.3 两相互垂直同频率谐振动的合成
分振动
x A1 cos(t 1 )
y A2 cos(t 2 )
① ② ③ ④
①、②式消 t 。 x A1 (cost cos1 sin t sin 1 )
y A 2 (cos t cos 2 sin t sin 2 )
1 ∴ 该晶片称为 波片或 移相器。 4 2
1 4、 2 波片（半波片）：
2
其厚度 : d
2k 1 4no ne
当晶片厚度满足: no ne d 2k 1 时, k 0,1,2,3, 2 2k 1 2k 1 1 其厚度 : d ∴ 该晶片称为 波片或 移相器。 2 2no ne
2
2
3. 2 1 / 2
x y A A 1 1 2
2 2
y
A2
o x
为顺时针正椭圆(见后)
•当 A1 A2
x y A
2 2 2
A1
为顺时针圆.
一般地，如果
1. 0 2 1
其合振动的轨迹 为顺时针的椭圆 其合振动的轨迹 为逆时针的椭圆
消第1项
x cos 2 y cos 1 A1 A2
得
x cos 2 y cos1 sin t sin( 2 1 ) A1 A2
x A1 (cost cos1 sin t sin 1 ) y A2 (cost cos2 sin t sin 2 )
4.2 波晶片— 相位延迟片
晶片是光轴平行表面的晶体薄片。
平行光正入射
晶片
Ae
x
A
线偏振光 d
Ao
y
光轴 Ae
P
A Ao
椭圆偏振光 光轴
o光垂直主平面振动，e光平行主平面振动,主平面为含光轴 与折射光。 o光振动垂直光轴方向 e光振动沿光轴方向
振幅关系：
Ao A sin ，
Ae A cos
⑤
③ ④
消第2项 得
2
x sin 2 y sin 1 A1 A2
x sin 2 y sin 1 cost sin( 2 1 ) A1 A2
2
⑥
⑤ ⑥
有
合振动的轨迹方程为
x y 2 xy cos( 2 1 ) 2 sin ( 2 1 ) A A A1 A2 1 2
A1
x
x y 2 xy cos( 2 1 ) 2 sin ( 2 1 ) A A A1 A2 1 2
2
2
2.
| 2 1 | 二分振动反相(位) 2 2 x y 2 xy A A AA 0 1 2 1 2
E
E
r
r
2. 2 1 2
两个相互垂直的同频率的谐振动可以合成为一直线谐振动、 匀速圆周运动和椭圆运动。 由此可见，任一直线谐振动、匀速圆周运动和椭圆运动 都可分解为两个相互垂直的同频率的谐振动。
用旋转矢量法确定合振动轨迹和方向 y y 0 1. 1
2
8
2
7 6 3
1
8
3