第七章-光的偏振与晶体光学基础.pptVIP

第七章 光的偏振与晶体光学基础 （1）偏振—光矢量振动的方向性 （2）偏振各向异性—偏振态不同，响应就不同。晶体一般是偏振各向异性的 7.1 偏振光和自然光一、偏振光和自然光的特点 光波是横波—光矢量垂直于传播方向 光矢量振动方向保持不变—线偏振 光矢量大小不变，绕传播方向转动—圆或椭圆偏振 光矢量振动方向无规律变化—自然光 光矢量可以分解为两个互相垂直的分量 偏振光的两个分量有确定的位相关系 自然光的两个分量没有确定的位相关系 偏振程度的度量—偏振度P 某一个偏振方向上有最大光强IM，另一个偏振方向上有最小光强Im，则P=(IM-Im)/(IM+Im) P=1 —线偏光 P=0 —自然光 0P1 —部分偏振光 二、从自然光获取线偏光 1、由折反射产生线偏光 依据：垂直分量和平行分量在界面上的透射、反射系数不同。 特别注意：布儒斯特角入射时，平行分量的反射系数为零 实例： （1）激光器布儒斯特窗 （2）玻璃片堆 （3）偏振分光镜 激光器布氏窗 偏振分光镜—基于玻璃片堆原理 自然光以布儒斯特角度入射，两个相互垂直的线偏光出射 高折射率（硫化锌）和低折射率（冰晶石）交替镀膜而成 入射光含有多种波长时，要考虑色散问题，因为不同波长折射率不同。有的折射率下，入射角可能偏离布儒斯特角tan?B=n2/n1 2、由二向色性产生线偏光 二向色性—对不同振动方向的偏振光吸收系数不同 具有二向色性的材料：电气石、人造H偏振片、K偏振片 二向色性的机制：材料中的电子在特定方向上运动自由度大于其它方向，当入射光沿此特定方向振动时，带动电子运动，光能被选择性吸收 波长变化，二向色性也变化 三、马吕斯定律 产生偏振光的器件—起偏器 检查偏振光的器件—检偏器 如果偏振片是理想的（产生完全线偏光），则入射光经起偏器、检偏器后的光强I=I0cos2? —马吕斯定律 其中? 为起偏和检偏器透光轴的夹角，I0=E02为?=0时的透射光强 消光比测定装置 实际偏振片不是理想的 最大透射光强IM，最小透射光强Im，则消光比r=Im/IM 衡量偏振器件质量的方法：同种器件取两个，一个做起偏器，一个做检偏器，计算其消光比r 7.2 晶体的双折射 其它几个术语的定义 光轴：晶体中的一个方向，光沿此方向传播，没有双折射发生。 o主平面：光轴+o光线 e主平面：光轴+e光线 主截面：光轴+晶体表面法线 光线在主截面内入射时，o主平面和e主平面重合 o光和e光都是线偏光，o光的电矢量垂直于o主平面，e光的电矢量平行于e主平面 当入射光在主截面内时，o光垂直于e光 7.3 双折射的电磁理论一、晶体的各向异性和介电张量 晶体的各向异性 晶体对不同方向偏振的光表现出不同的响应 晶体结构各向异性?极化各向异性?对光响应的各向异性 右图：方解石的分子结构CaCO3 晶体的介电张量[?]={?ij}，i,j=x,y,z 一般地， ?ij?0 D=[?]E，D=(Dx,Dy,Dz)-1， E=(Ex,Ey,Ez)-1 经过坐标变换，总可以对角化矩阵[?]: 变换以后的新坐标x,y,z互相垂直，并称为晶体的主轴方向，?x, ?y, ?z称为晶体的主介电常数。显然E、D一般不同向 若?x ??y??z ，晶体是双轴的 若?x =?y??z ，晶体是单轴的 二、单色平面波在晶体中的传播 非磁性、在各向异性晶体中的麦克斯韦方程组： 1、光波与光线 E0、D0、H0为振幅 将E、D、H代入麦克斯韦方程组里的两个旋度方程，并由▽?F=ik?F，得到 设∠ED=∠kS=?，光波由波面I传播到波面II（沿k方向），光线由O点传播到OS点（沿S方向） 相速度（法线速度）vk光线速度vS vk=vScos? 二、菲涅耳方程 目的：建立晶体中k与折射率n的关系 将 H=k?E/(?0?) 代入 D=-k?H/ ? 得到 D=-k?(k?E)/(?0?2) 应用矢量恒等式 A ?(B ?C)=B(A·C)-C(A·B) 得到 D=?0n2[E-k0(k0 ·E)] (7-12b) =?0n2D/?-?0n2 k0(k0 ·E) D=?0 k0(k0 ·E)/(1/?r –1/n2) 按主轴分量写出： Di=?0 k0i (k0 ·E)/(1/?ri –1/n2), i=x,y,z (7-13) 由于D垂直于k0，D·k0=0，得到菲涅耳方程（7-14）： 已知k0，从菲涅耳方程可以解出两个不相等的实根n12和n22，其中只有正根n1和n2有意义—一个k0对应两个n 把这两个n代入(7-13)可得到两个互相垂直的D ∴给定法线方向k0 ，可以有两种不同折射率或不同速度的光波，它们的D矢量互相垂直。由于D和E不平行，所以有两个不同的光线方向S1和S2 —双折射 3、单轴晶体的双折射 单轴晶体