郁道银光在晶体中的传播

1、第二节第二节 光在晶体中的传播光在晶体中的传播2.12.1晶体的双折射现象晶体的双折射现象2.2 2.2 光轴和主截面光轴和主截面2.3 o2.3 o光和光和e e光的相对光强光的相对光强e e光光晶体的截面晶体的截面晶体绕入射光方向旋转晶体绕入射光方向旋转, , 寻常光寻常光(O(O光光) )不动不动, ,非常光非常光(e(e光光) )随随着晶体旋转着晶体旋转. .一、晶体的双折射现象一、晶体的双折射现象O O光光 单色自然光单色自然光 一束单色自然光垂直入射于晶体的表面一束单色自然光垂直入射于晶体的表面, ,进入晶体后进入晶体后, ,变为两变为两束光束光. .第二节第二节 光在晶体中的传播

2、光在晶体中的传播象象折射现折射现双双折射现折射现 1 1、双折射现象、双折射现象方解石晶体方解石晶体CaCOCaCO3 3纸面纸面方解石晶体实物照方解石晶体实物照片片用眼睛观看发光点，会看用眼睛观看发光点，会看到到两个像点两个像点，透过方解石，透过方解石晶体，纸面上的字成了的晶体，纸面上的字成了的双字双字自然光进入各向异性晶体中，光线怎样传播？自然光进入各向异性晶体中，光线怎样传播？两束折射光两束折射光 服从折射定律寻常光线服从折射定律寻常光线 ordinary ray ordinary ray O O光光 不服从折射定律异常光线不服从折射定律异常光线 extraordinaryextraor

3、dinary ray raye e光光不服从折射定律指的是不服从折射定律指的是折射光线一般不在入射面内；折射光线一般不在入射面内；折射率（传播速度）和入射光线在晶体内的方向有关。折射率（传播速度）和入射光线在晶体内的方向有关。o o光、光、 e e光仅在晶体内部有意义光仅在晶体内部有意义o o光和光和e e光光晶体的各向异性晶体的各向异性: :沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，程度不尽相同，在光学上在光学上体现为，对不同方向的光振动，有体现为，对不同方向的光振动，有不不同的传播速度或折射率同的传播速度或折射率不发生双折射不发生双折射二

4、、光轴与主截面二、光轴与主截面1 1、光轴（特殊方向）、光轴（特殊方向）注意：注意：在晶体内光轴是一个方向在晶体内光轴是一个方向实验上怎么操作呢？令入射表面垂直光轴，光线沿光轴方向实验上怎么操作呢？令入射表面垂直光轴，光线沿光轴方向入射，光线在晶体内部传播不发生双折射。入射，光线在晶体内部传播不发生双折射。 实验中改变入射光的方向，发现在晶体中存在实验中改变入射光的方向，发现在晶体中存在特殊方向特殊方向，光光在晶体中在晶体中沿这个方向传播时沿这个方向传播时不发生双折射不发生双折射，该特殊方向称，该特殊方向称为晶体的光轴为晶体的光轴方解石方解石空气空气光轴方向光轴方向方解石晶体的光轴（方向）方解

5、石晶体的光轴（方向）788三个角度均为三个角度均为1011015252的顶点的顶点称为称为钝隅钝隅78810152两钝隅连线方向为两钝隅连线方向为光轴方向光轴方向单轴晶体单轴晶体（uniaxis crystaluniaxis crystal）只有一个光轴方向：只有一个光轴方向：方解石方解石 ( (冰洲石冰洲石) )、石英、石英（quartzquartz）、红宝石、红宝石云母云母（micamica）、蓝宝石、蓝宝石（sapphiresapphire）、黄玉、黄玉人工拉制单轴晶体、人工拉制单轴晶体、ADP(ADP(磷酸二氢氨磷酸二氢氨) )、铌酸锂、铌酸锂(LiNiO(LiNiO3 3）双轴晶体双

6、轴晶体（biaxis crystalbiaxis crystal）有两个光轴方向：有两个光轴方向：方解石方解石光轴光轴2 2、主平面、主平面e eo o一般情况下，一般情况下， o o光和光和e e光的主截面光的主截面不重合，但夹角很小不重合，但夹角很小晶体的主平面：晶体的主平面：单轴晶体中包含晶体光轴和一条给定光线的单轴晶体中包含晶体光轴和一条给定光线的平面平面O O 光的光的主截面主截面e e光的光的主截面主截面e e光主平面光主平面：过过e e光线和晶体光轴的平面光线和晶体光轴的平面o o光主平面：光主平面：过过o o光线和晶体光轴的平面光线和晶体光轴的平面光轴光轴在在入射面入射面内内的

7、特殊情况下的特殊情况下实验和理论实验和理论都指出：都指出：o o光光和和e e光的主平面和晶体的主截面重合光的主平面和晶体的主截面重合我们讨论的情况我们讨论的情况给定一束入射光给定一束入射光e e 光主平面光主平面o o 光主平面光主平面o o 光和光和 e e光都是线偏振光，其振动方向如何？光都是线偏振光，其振动方向如何？3 3、o o光和光和e e光的振动方向光的振动方向o o光轴光轴光轴光轴e eo o 光的振动垂直光的振动垂直 o o光的主平面光的主平面e e 光的振动在光的振动在 e e 光的主平面内光的主平面内光轴在入射面内时，光轴在入射面内时， 两条光线的两条光线的主平面主平面就

8、是就是入射面入射面用检偏器检验知用检偏器检验知两光偏振方向垂直两光偏振方向垂直o o光的振动垂直入射面光的振动垂直入射面e e光的振动在入射面内光的振动在入射面内非常光非常光( (extraordinary lightextraordinary light e光光): ):(1) (1) 是振动面平行于自己的主平面的线偏振光是振动面平行于自己的主平面的线偏振光; ;(2) (2) 一般不符合折射定律一般不符合折射定律, ,在在垂直于光轴的方向垂直于光轴的方向(3) (3) 沿不同的方向折射率不同沿不同的方向折射率不同, , 传播速度不同传播速度不同. . 当当o o光和光和e e光的主平面相互

9、平行时光的主平面相互平行时, ,两光的振动面互相垂直两光的振动面互相垂直. . 对于对于e e光光, , 沿沿垂直于光轴的方向的折射率垂直于光轴的方向的折射率称为称为主折射率主折射率, ,记记为为n ne e . .传播时符合折射定律传播时符合折射定律. .沿光轴的方向折射率和速度与沿光轴的方向折射率和速度与O O光相同光相同. .寻常光（寻常光（ ordinary ordinary lightlight O O光）：光）： (1) (1) 是振动面垂直与自己的主平面的线偏振光是振动面垂直与自己的主平面的线偏振光; ; (3) (3) 沿各个方向折射率相同沿各个方向折射率相同, , 传播速度相

10、同传播速度相同. .(2) (2) 符合折射定律和反射定律符合折射定律和反射定律; ;光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光

11、围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光 光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体

12、旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体光光光光当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转双折射方解石 晶体v ve e：与光：与光轴垂直轴垂直4 4、o o光和光和e e光的主折射率（仅讨论单轴晶体）光的主折射率（仅讨论单轴晶体）两个主折射率两个主折射率光轴

13、光轴o o光的主折射率光的主折射率oovcn v vo o：o o光在晶体中的传播速度光在晶体中的传播速度e e光的主折射率光的主折射率eevcn v ve e：e e光在晶体中垂直于光轴光在晶体中垂直于光轴方向的传播速度方向的传播速度e e 光在晶体中的传播速度与光在晶体中的传播速度与传播方向有关，传播方向有关，v ve e取垂直于取垂直于光轴的特殊方向光轴的特殊方向n ne en no o（ v ve e v vo o ）：正晶体，如石英）：正晶体，如石英n ne en no o （ v ve e v vo o ） ：负晶体，如方解石：负晶体，如方解石v0主速度、主折射率主速度、主折射率Z

14、Z沿光轴方向沿光轴方向e、o光速度相同光速度相同负晶体负晶体正晶体正晶体vo、ve 称晶体的主速度，相应的折射率no、ne 称晶体的主折射率.vevevo入射光的入射光的振动方向振动方向入射光的入射光的振动面振动面晶体的晶体的主截面主截面三、三、 o o光和光和e e光的相对光强光的相对光强BBOO1 1、自然光入射发生双折射自然光入射发生双折射设入射光强为设入射光强为I I，振幅为，振幅为A A2IIIoe2 2、线偏振光线偏振光垂直垂直入射发生双折射入射发生双折射sinAAocosAAe 在晶体中在晶体中(光强正比于折射率)22sinAnIoo22cos)(AnIee 2tgnnIIeoe

15、o)( 在晶体外在晶体外射出晶体后，两束射出晶体后，两束光无光无o o光光e e光之分光之分2tgIIeo为为e e光传播方向与光轴的夹角光传播方向与光轴的夹角光o光e A主截面主截面oAeA讨论：讨论：当晶体绕入射光方向旋转时，两束光的相对光强不断变化当晶体绕入射光方向旋转时，两束光的相对光强不断变化2tgIIeo900II 00eI00IIIeo o光强度最大光强度最大e e光完全消失光完全消失o o光完全消失光完全消失e e光强度最大光强度最大扩大入射光束使两束光相互重叠，由于扩大入射光束使两束光相互重叠，由于oeIIIIeo)cos(sin22无论晶体怎样转动，无论晶体怎样转动，重叠部

16、分光强度不变重叠部分光强度不变eo晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化OO入射光振动面晶体主截面eo晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化OO入射光振动面晶体主截面eo晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化OO入射光振动面晶体主截面o晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化eOO入射光振动面晶体主截面o晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化eOO入射光振动面晶体主截面o晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化eOO入射光振动面晶体主截面eo晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化OO入射光振动面晶体主截面eo晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对

17、光强不断变化OO入射光振动面晶体主截面eo晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化OO入射光振动面晶体主截面eo晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化OO入射光振动面晶体主截面eo晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化OO入射光振动面晶体主截面o晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化eOO入射光振动面晶体主截面eo晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化OO入射光振动面晶体主截面o晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化eOO入射光振动面晶体主截面eo晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化OO入射光振动面晶体主截面o晶体绕入射光方向旋转时两束光

18、的相对光强不断变化eOO入射光振动面晶体主截面eo晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化OO入射光振动面晶体主截面52 例题例题 强度为强度为I的自然光，垂直入射到方解石晶体上后又垂直入射的自然光，垂直入射到方解石晶体上后又垂直入射到另一块完全相同的晶体上到另一块完全相同的晶体上.两块晶体的主截面之间的夹角为两块晶体的主截面之间的夹角为 。试求当试求当 等于等于 30 o 时，最后透射出来的光束相对强度（不考虑反时，最后透射出来的光束相对强度（不考虑反射射,吸收等损失）。吸收等损失）。解：自然光垂直入射到第一块晶体后，被分解为解：自然光垂直入射到第一块晶体后，被分解为 o 光和光和 e 光，由于光轴与晶体的表面既不平行又不垂直，故光，由于光轴与晶体的表面既不平行又不垂直，故 o 光和光和 e 光的传播方向不同从第一块晶体出射后成为垂直于晶体表光的传播方向不同从第一块晶体出射后成为垂直于晶体表面的两束光。面的两束光。晶体的截面晶体的截面