光的偏振和晶体光学基础工程光学课件.ppt

1、光波表达式与光波的三个特性：频率、传播方向、振动方向。角频率：w，传播方向，电矢量的振动方向。,0),cos(,0,0,0),cos(00wwzyxzyxHkztHHHEEkztEE偏振光方程：)(expexp2100kziaEikzaEyExEEyxyx一一.偏振光与自然光偏振光与自然光偏振：横波，即它的振动方向总是垂直于传播方向。1.线偏振光：线偏振光：振动方向与振动平面。光矢量与传播方向组成的平面称为线偏振光的振动平面。0201)exp()exp(0yikzaxikzaE振动方向与a1和a2的比值有关。2.圆偏振光圆偏振光2)(exp )exp(020121ykziaxikzaEaa左旋

2、，右旋。23.椭圆偏振光椭圆偏振光20)(exp )exp(020121ykziaxikzaEaa右旋椭圆光左旋椭圆光常见的几种偏振光常见的几种偏振光：4.自然光：振动方向几率、振动方向分解5.部分偏振光和偏振度minmaxminmaxIIIIIIPP总自然光部分偏振光二二.偏振光的产生偏振光的产生利用金属丝对平行的电矢量吸收的原理，产生电矢量垂直与金属丝的偏振光。1.用线栅偏振器和偏振片产生偏振光用线栅偏振器和偏振片产生偏振光2.由反射产生偏振光由反射产生偏振光入射角为布儒斯特角，即)(121nntgP反射光为线偏振光。振动方向垂直于入射面多次透射后，透射光也为线偏振光。2nP1n2nP1n

3、一束非偏振光入射到气体上，那麽在与入射光束垂直的方向上被散射的光是线偏振光。散射光的振动方向 在光线传播方向的垂直平面内。3.由散射产生偏振光由散射产生偏振光4.利用晶体获得偏振光利用晶体获得偏振光利用晶体的双折射特性。三三.马吕斯定律马吕斯定律如果一线偏振光的电矢量振动方向和检振器的振动面成 角入射，则通过检振器之后的光强 I 为：20cosIIA0cosA0sinyx1.双折射现象双折射现象光束在某些晶体中传播时，由于晶体对两个相互垂直振动矢量的光的折射率不同而产生两束折射光，这种现象称为双折射双折射。2.寻常光（寻常光（o光）和非寻常光（光）和非寻常光（e光）光）两束折射光中，有一束光遵

4、守折射定律，称为寻常光（o光）；另外一束一般一般不遵守折射定律，称为非寻常光（e光）。折射定律有两个含义：A.折射角的关系，B.入射光学和折射光线与法线同在一个平面。说明：1o光和e光与晶体密不可分 2折射定律的含义一、晶体的双折射现象一、晶体的双折射现象15-31.光轴光轴：在双折射晶体中存在一个特殊的方向，当光束在这个方向传播时不发生双折射，此方向方向称为晶体的光轴。在光轴方向上，o 光和 e 光都遵守折射定律。而且：no=ne2.主截面：光轴和晶体表面法线组成。主截面：光轴和晶体表面法线组成。当光线在主截面入射（不与光轴重合）时，在晶体内o光和e光都在主截面内，但no和ne不等。光线在一

5、般情况下入射晶体，o光和e光是不同面的。二、晶体特性二、晶体特性二、晶体特性二、晶体特性3.o光和光和e光的主平面光的主平面A.o光主平面：o光和晶体光轴组成的面为o主平面。o光振动方向垂直于o主平面。B.e光主平面：e光和晶体光轴组成的面为e主平面。e光振动方向垂直于e主平面。当入射光在主截面内时，o光e光主平面均为主截面。二、晶体特性二、晶体特性4正负晶体：正负晶体：Uo Ue时为正晶体；时为正晶体；Uo Ue时为负晶时为负晶体。体。正晶体：no ne，e光波面（椭球面）在o光波面（球面）之内。负晶体：no ne，o光波面（球面）在e光波面（椭球面）之内。o光o光e光e光光轴15-4用惠更

6、斯原理解释双折射现象用惠更斯原理解释双折射现象ABo,ea)eo光轴o,e三、用惠更斯原理解释双折射现象三、用惠更斯原理解释双折射现象ABo,eb)eo,光轴o,e三、用惠更斯原理解释双折射现象三、用惠更斯原理解释双折射现象ABoc)eo光轴eeoBA三、用惠更斯原理解释双折射现象三、用惠更斯原理解释双折射现象ABo,ed)eo光轴90909090一、偏振器件一、偏振器件1.尼科耳棱镜尼科耳棱镜（W.Nicol）：材料：方解石48641.1,65836.1eonncADBACa)(一一)偏振起偏棱镜偏振起偏棱镜2.格兰汤姆逊（格兰汤姆逊（Glan-Thompson）棱镜）棱镜AAA光轴AAA光

7、轴ii孔径角的限制3.格兰付科（格兰付科（Glan-foucault）棱镜）棱镜AAa)AAb)1.镜渥拉斯顿棱镜：镜渥拉斯顿棱镜：利用两个正交的光轴分解光,材料：冰洲石：eonn（二）偏振分束棱镜（二）偏振分束棱镜2.洛匈棱镜洛匈棱镜二、波片二、波片用单轴晶体做成的平行平板，光轴与表面平行。它的作用是：o光和e光通过波片时的光程差与位相差：dnndnneoeo)(2)(d是波片厚度。4)12()(mdnneo则称该波片是1/4波片，1/4波片的最小厚度：)(4mineonnd若当n0ne时，e光超前。O光和e光产生的光程差212)m(d)nn(eo称该晶片为二分之一波片，两束光的位相差为p的

8、奇数倍。md)nn(eoxyEoEe自然光起偏器y轴为光轴方向波片（偏振器件）检偏器三三.偏振器件与波片的作用偏振器件与波片的作用在上图中，1.第一个偏振器件的作用：从自然光中获得偏振光，称为2.入射到 中，被分解成两个方向Ee和Eo，两者的大小为 Ee=sin,Eo=cos两者产生的位相差：d)nn(eo2)m(,nn)m(,nn)(eoeo12212241波片时，当用对于none,uone时，e光超前o光,出射为线偏光，振动方向转过2。原方向oe现方向noneoe对于noue,o光出射波片时超前e光/2,合成为:波片的作用：波片应用之一：/4波片偏振棱镜光电信号光线第一次通过/4波片时为圆

9、偏振光，圆偏光反射后再次通过/4波片时变为线偏振光，但振动方向已变了90o,变成了被全反射的偏振方向。如果出射波片的是偏振光，则旋转检偏器会在某个方向完 全的消失现象，此时偏振光的振动方向与检偏器的光轴相垂直。3.最后一个偏振器件称为最后一个偏振器件称为当出射波片的是圆偏光时，旋转检偏器时，强度无变化。当出射波片的是椭圆偏光时，旋转检偏器时，强度有变化，无消失。四四.偏振光的干涉及应用偏振光的干涉及应用（一）（一）.原理原理：在图中xyyyxx光轴光轴 21213221EEEsinsinAsinEE:EcoscosAcosEE:EdnnesinAEcosAEsinAEcosAEyyxxeoiy

10、xyx出射光：向光轴上的分解向光轴上的分解通过检偏器其中：，通过波片，振动方向分解dnnsinAI,/dnnsinsinsinAcosAIee0220222243422时，当光强：（二）应用（二）应用1.光弹性效应光弹性效应材料的 随材料承受的压力而变化，因而用条纹分布来测量压力分布。把其中的波片变为光弹性材料。2.光电效应光电效应 把其中的波片变为电光晶体。enn 0关于偏振矢量的旋向和判断方法。一一.定义：定义：对着光传播方向，合矢量是顺时针方向旋转时，偏振光是右旋的，逆时针方向旋转时，偏振光是左旋的。在右旋时，光矢量末端构成的螺旋线的旋向与光传播方向成左手螺旋系统；在左旋时，光矢量末端构

11、成的螺旋线的旋向与光传播方向成右手螺旋系统。二二.旋向的判断旋向的判断:2kzwtiykzwtixAeE,AeE如：注意：z=z0是确定的位置，旋向是随时间的变量。光。顺时针方向旋转，右旋是周期时在则时刻，设在AAeReEAeReETkzwtkztTkzwtTTttAeE,AEkzwtttiyixiyx024224002000002000，结果一样。时，时，当如果另外一种表示：AE,EttE,AEttAeE,AeEyxyxkzwtiykzwtix040002At=t0t=t0+/41.偏振光的分解偏振光的分解ikzyikzxyxyxeAyeAxE:)wtkzcos(Ay)wtkzcos(AxE

12、sinAA,cosAA0000复振幅xyAAxAy2.圆偏振光圆偏振光(包括椭圆偏振光包括椭圆偏振光)wtkzcos(AE)wtkzcos(AEyyxxxyAExEy或者表示为:)wtkzcos(AE)wtkzcos(AE,AAeAyeAxE)kzwt(iexpAyxE)kzwt(iexpAxxEyyxxyx)kz(iyikzxyx2220000左旋光。时当为圆偏振光时当Exwt=/4/2wtkz=0Ex(/4)Ey/2wtkz=0Ey(/4)ExEywt=0wt=/4wt=/2A右旋光。时当,2时，是线偏振光。当02)wtkzcos(AE)wtkzcos(AEyyxxExwt=/4/2wtk

13、z=0Ex(/4)Ey/2wtkz=0Ey(/4)/4ExEywt=0wt=/4wt=/2A所以任意一个偏振光都可表示为:eAAAAAEeAeAE,eAeAy,xeAyeAxExyyxx)kz(iyikzx)kz(iyikzx)kz(iyikzx10000或写为称为琼斯矩阵。其中任何一种偏振光都可以用两个：a.光矢量互相垂直 b.沿同一方向传播且位相差恒定的两个线偏振光的合成。2100200200002iyixkziikzwtkziwtkzieAyeAxEAeyAexEAeyAexEwtkzcosAywtkzcosAxE：对于任一偏振光复振幅其复振幅为：右旋光：iyxxxyixyyxxixyi

14、xiyixiyixaeaaaEaaaeaaaaaEeaaeaeaeaEyxeaeaE1,11,1200121212121，设通常将上式归一化，有为琼斯矢量。其中：）（）（对于线偏振光：光矢量沿x轴，Ax=1 Ay=0 0iE,ie,/iE,ie,/tgcossincosE,sinA,cosAxEiiyxx12121212100122左旋，圆偏光，右旋，角，周成光矢量与11212222112111111222112112222222111121112222111EGG.GGENggggGBAGBAggggBABgAgABgAgABAEBAENN个偏振器件，则相继通过如果偏振光琼斯矩阵为。称为该器

15、件的琼斯矩阵，式中矩阵，写成矩阵形式：出射光为，经过偏振器件之后，设入射光为解：光线的偏振状态为：2121212121122211121221sinBcosAsinABsinBcosAcosAAsinBcosAABAEBAE，B1A1AA2B22222112211221221sing,singsing,cosg可知：由此得线偏振器的琼斯矩阵为：22221221sin,sinsin,cosGB1A1AA2B2解：自然光通过起偏器，成为线偏振光，其琼斯矢量为：112111BA/4波片,/2，/8波片的琼斯矩阵G48240011001100ie,G,G,i,G，i,e,GGGGi1001001001

16、4824，44001100001iie,i,e,，透射光为：44221211100121iiee,BA，4002121/kziikzeyexEY轴方向落后q/4,是左旋的椭圆偏振光，它的矢量端点轨迹为：1242122222222。所以：其中yxyxyxyxyxyyxxEEEE,aasincosaaEEaEaE（根据13章所学内容）11BA入射偏振光为A1和B1在波片的快、慢轴上的分量为：cosBsinABsinBcosAA111111写成矩阵形式：1111BAcossinsincosBA，B1A1快轴偏振光透过波片后，在快轴 和慢轴上的复振幅为：expBBAA1111因而透过波片后有：1111

17、11001001BAcossinsincos)iexp(BA)iexp(BA，将A1”和B1”再次分解到x,y轴上，有cosBsinABsinBcosAA1121121122BAcossinsincosBA，)iexp(BAcositg,cositgsinitg,cositgcosBAcossinsincos)iexp(cossinsincosBA222122222212001111122，011000212111214122222122124522122222212,i,iiG,iiGcos,sinisini,cos,itgitg,cosGcositg,cositgsinitg,cositg

18、cosGo，波片时，为当，波片，时，为当时当 解：（1）设检偏振器透光轴沿x轴方向转动波片，出现消光，即此时光的振动方向垂直透光轴，在y轴方向。10出E（2）判断波片快轴方向。此时波片的矩阵：1121112122,ee,iiGii，快光轴透光轴出射1/4波片光450。即，即入出入kzi)kz(ikziiikzkziikziikziikzkziyikzxeeeeeee,eeGEEeeeAeAE222221102111211021为右旋光。即可，取即，入22212121220i)kz(ikzikzi)kz(ikziiikzeeEkze,ee,eee1.一束线偏振的钠黄光（为589.3nm）垂直通过

19、一块厚度为1.61810-2 mm的石英晶片。晶片折射率为n0=1.54424,ne=1.55335。试求以下三种情况的出射光的偏振态。（1）入射线偏光的振动方向与x轴成45o角；（2）入射线偏光的振动方向与x轴成 45o角；（3）入射线偏光的振动方向与x轴成30o角。2.导出长、短轴之比为2：1，长轴沿x轴的右旋和左旋椭圆偏振光的琼斯矢量。3.试用矩阵方法证明：右（左）旋圆偏振光经过半波片后变为左（右）旋圆偏振光。54 a.物质三态:固态、液态、气态 b.液晶(Liquid Crystal)：在某个温度范围内兼有液体和晶体两者特性的物质 15-10 液晶551.液晶分子结构 液晶分子形状：细

20、长棒形，宽约液晶分子形状：细长棒形，宽约1nm1nm，长约，长约10nm10nm。(a)晶体 （b）液晶 （c）液体 562.液晶的种类 液晶种类达数千种，主要类型有：液晶种类达数千种，主要类型有：（1 1）热致液晶：）热致液晶：通过加热而形成的液晶（分为：近晶相液晶、向列相液晶、胆甾通过加热而形成的液晶（分为：近晶相液晶、向列相液晶、胆甾相液晶）。相液晶）。（2 2）溶致液晶：）溶致液晶：有机物在溶剂作用下形成的液晶。如肥皂水气泡。有机物在溶剂作用下形成的液晶。如肥皂水气泡。（3 3）感应液晶：）感应液晶：外场（力、电、磁、光等）感应作用下形成的液晶。外场（力、电、磁、光等）感应作用下形成的

21、液晶。（4 4）流致液晶：）流致液晶：在流动场作用下而形成液晶，如聚对苯二甲酰对氨基苯甲酰肼。在流动场作用下而形成液晶，如聚对苯二甲酰对氨基苯甲酰肼。571.液晶基本性质（1）边界取向性质 在最简单的自由边界上，液晶分子的取向可以垂直、平行、倾斜于边界。如果边界是一层刻有凹凸沟槽的取向膜，则凹凸沟槽对液晶分子的取向起主导作用，通过摩擦，液晶分子就朝这个方向取向。2 液晶基本性质及显示原理58（2）液晶的电气性质 在上下电极板之间加一电场时，电极板之间的液晶分子长轴就会沿着电场方向排列。这一电气性质是实现液晶显示的基础。59（3）液晶的旋光性质 若上、下玻璃基板取向膜沟槽相差某一角度，则在玻璃基

22、板中，同一平面液晶分子取向虽然一致，但相邻平面液晶分子的取向逐渐旋转扭曲。当可见光波长远小于液晶分子在玻璃基板间的旋转螺距时，则光矢量会同样随着液晶分子的旋转而跟着旋转。602.液晶像素显示原理（1）结构特点：上下偏振板光轴方向垂直；上下玻璃基板取向膜取向垂直。（2）显示原理：当玻璃基板没有加电场时，光线跟着液晶作90o扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色。当在基板上加电场时，液晶分子产生取向变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，显示黑色。61 TFT-LCD液晶盒结构 62 液晶像素的TFT控制 由于场效应晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，已经透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到场效应晶体管(FET)电极下一次再加电改变其排列方式为止。632.TFT和TN、STN型液晶显示器比较性能TNSTNTFT驱动方式单纯矩阵驱动单纯矩阵驱动主动矩阵驱动视角大小小（视角+30度）中等（视角+40度）大（视角+70度）画面对比最小（画面对比在20:1）中等最大（画面对比在150:1）反应速度最慢(无法显示动画)中等（150ms）最快（40ms）显示品质最差中等最佳颜色单色或黑色单色或彩色彩色价格最便宜中等最贵（约STN的3倍）适合产品电子表、计算器、掌上游戏机等移动电话、掌上电脑、低档笔记本笔记本、PC显示器、电视机