晶体的双折射现象

1、晶体的双折射现象光学器件最常用的透明固体介质材料：晶体和非晶体光学器件最常用的透明固体介质材料：晶体和非晶体 晶体：晶体：内在结构长程有序的固体，其内在结构长程有序的固体，其原子（离子或分子）在空间排列上原子（离子或分子）在空间排列上具有一定的规则性具有一定的规则性，生长良好的单晶体具有规则的几何外形，生长良好的单晶体具有规则的几何外形。 天然晶体矿天然晶体矿(b) 石英晶体石英晶体(a) 方解石晶体方解石晶体自然界中存在的七大晶系（按晶体的空间对称性分类）：自然界中存在的七大晶系（按晶体的空间对称性分类）： 立方晶系；正方（四方，四角）晶系；六角（六方）晶系；三角（三立方晶系；正方（四方，四

2、角）晶系；六角（六方）晶系；三角（三方）晶系；正交（斜方）晶系；单斜晶系；三斜晶系。方）晶系；正交（斜方）晶系；单斜晶系；三斜晶系。 说明：说明：非晶态：非晶态：如玻璃、熔融石英等，一般如玻璃、熔融石英等，一般不具有长程有序的内在结构不具有长程有序的内在结构，并且由于，并且由于其原子或分子的热运动以及在空间排列上的随机性，其光学性质一其原子或分子的热运动以及在空间排列上的随机性，其光学性质一般在宏观上呈现出般在宏观上呈现出各向同性各向同性。 v 除除立方晶系的单晶体具有空间各向同性的光学性质立方晶系的单晶体具有空间各向同性的光学性质外，一般单晶体的光外，一般单晶体的光学性质均具有学性质均具有空

3、间上的空间上的各向异性各向异性。v 在一定的外界物理场（如机械或热应力、电场、磁场等）作用下，某些在一定的外界物理场（如机械或热应力、电场、磁场等）作用下，某些非晶态介质（甚至立方晶晶体）会在宏观上由各向同性转变为各向异性。非晶态介质（甚至立方晶晶体）会在宏观上由各向同性转变为各向异性。这种场致各向异性与晶体的自然各向异性具有类似的特点。这种场致各向异性与晶体的自然各向异性具有类似的特点。 石英：石英：光轴光轴(b) 石英晶体石英晶体102o102o78o78o光轴光轴102o102o(a) 方解石晶体方解石晶体图图 晶体的解理面形式晶体的解理面形式最常用的两种各向异性晶体最常用的两种各向异性

4、晶体又称冰洲石，属六角晶系晶体，其又称冰洲石，属六角晶系晶体，其化学成分为化学成分为碳酸钙碳酸钙（CaCO3），结构上），结构上易解理成菱体（斜六面体），易解理成菱体（斜六面体），菱面的锐菱面的锐角为角为78o08，钝角为，钝角为101o52。纯质的方。纯质的方解石晶体呈无色透明状，且在天然状态解石晶体呈无色透明状，且在天然状态下可以形成较大尺寸，是制造偏振光学下可以形成较大尺寸，是制造偏振光学器件的重要材料之一。器件的重要材料之一。 又称水晶，属三角晶系晶体，其化学成分为又称水晶，属三角晶系晶体，其化学成分为二氧化硅二氧化硅（SiO2），结构，结构上易解理成角锥状。纯质的石英晶体呈无色透明状

5、，因而也是制造偏振光上易解理成角锥状。纯质的石英晶体呈无色透明状，因而也是制造偏振光学器件的重要材料之一。学器件的重要材料之一。 方解石：方解石：光光玻璃玻璃光光玻璃玻璃光光玻璃玻璃光光玻璃玻璃光光玻璃玻璃光光玻璃玻璃光光玻璃玻璃光光玻璃玻璃光光玻璃玻璃光光光光方解石方解石 晶体晶体光光光光方解石方解石 晶体晶体方解石方解石 晶体晶体光光光光方解石方解石 晶体晶体光光光光方解石方解石 晶体晶体光光光光方解石方解石 晶体晶体光光光光方解石方解石 晶体晶体光光光光方解石方解石 晶体晶体光光光光方解石方解石 晶体晶体光光光光方解石方解石 晶体晶体光光光光方解石方解石 晶体晶体光光光光方解石方解石 晶

6、体晶体光光光光方解石方解石 晶体晶体光光光光方解石方解石 晶体晶体光光 光光方解石方解石 晶体晶体光光光光方解石方解石 晶体晶体光光光光方解石方解石 晶体晶体光光光光方解石方解石 晶体晶体光光光光方解石方解石 晶体晶体1、放玻璃板时看到一个字。、放玻璃板时看到一个字。 玻璃是各向同性介质。玻璃是各向同性介质。 光射到各向同性介质的表面时它将按折射定光射到各向同性介质的表面时它将按折射定律向某一方向折射，这是一般常见的折射现象。律向某一方向折射，这是一般常见的折射现象。2、放方解石晶体时看到两个字？、放方解石晶体时看到两个字？ 方解石是各向异性晶体，一束光射到各向方解石是各向异性晶体，一束光射到

7、各向异性介质中时，折射光将分为两束。异性介质中时，折射光将分为两束。一一. . 双折射的概念双折射的概念1. .双折射现象双折射现象一束光线进入某种晶体，产生两束折射光叫双折射一束光线进入某种晶体，产生两束折射光叫双折射. 方解石方解石oee o n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光2. .寻常光寻常光( (o光光) )和非寻常光和非寻常光( (e光光) )o o光光 : : 遵从折射定律遵从折射定律orninsinsin21 e e光光 : : 一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律constsinsin erie e光折射线也不一定在入射面内光折射线也不一定

8、在入射面内. .o o光与e e光均为线偏振光3. . 晶体的光轴晶体的光轴 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双不发生双折射折射，该方向称为晶体的，该方向称为晶体的光轴。光轴。例如，方解石晶体例如，方解石晶体( (冰洲石冰洲石) )光轴是一特殊的方向光轴是一特殊的方向, ,凡平行于此凡平行于此方向的直线均为光轴方向的直线均为光轴. .AB光轴光轴102单轴晶体：只有一个光轴的晶体。如方解石、石英、 红宝石等。双轴晶体：包含两个光轴的晶体。如云母、蓝宝石、 结晶硫磺等。主截面：主截面：包含晶体光轴与界面法线的平面包含晶体光轴与界面法线的平面 主平面：主平面：

9、包含光轴及所考察光线的平面包含光轴及所考察光线的平面 说明：说明：主截面的方位由晶体自身特性决定，且始终垂直于晶体的表面；主截面的方位由晶体自身特性决定，且始终垂直于晶体的表面； 一般情况下一般情况下, , o主平面与主平面与e主平面是不重合的。主平面是不重合的。4 4 单轴晶体中的主截面与主平面单轴晶体中的主截面与主平面法法线线主平面主平面主平面主平面光轴光轴主主截截面面自然光自然光晶体晶体主截面与主平面主截面与主平面光轴光轴光轴光轴e e光是光矢量与光是光矢量与e e主平面平行的线偏振光主平面平行的线偏振光. .当光轴在入射面内时，主截面、当光轴在入射面内时，主截面、o主平面、主平面、e主

10、平面都重合。主平面都重合。o光光法线法线e光光法线法线o光光e光光实验表明实验表明:o光是光矢量与光是光矢量与o主平面垂直的线偏振光主平面垂直的线偏振光.在单轴晶体中，o光子波的波面为球面，因而沿各个方向的传播速度相等；e光子波的波面为旋转椭球面，因而沿各个方向的传播速度不相等；两个波面在晶体的光轴方向相切，因而任何子波沿光轴方向的传播速度相同，不发生双折射现象。 p 双折射现象的理论解释双折射现象的理论解释单轴晶体中的波面单轴晶体中的波面惠更斯假设惠更斯假设 (a) 正晶体正晶体光轴光轴vove(b) 负晶体负晶体光轴光轴vevo 正晶体正晶体 : : ne no负晶体负晶体 : : ne

11、e ve) 负晶体负晶体 (vo ve ) 子波源子波源( (ve vo o) )e光光: :ec eenn0 0 ，ne称为晶体的主折射率称为晶体的主折射率cooon正晶体正晶体evv 0负晶体负晶体evv 0 几点说明：1、以上讨论的是自然光入射情形，双折射总是存在的；2、若入射的光是线偏振光，当偏振方向垂直入射面，则在晶体中只能引起o光的次波波面，折射光只有o光；3、若入射的光是线偏振光，当偏振方向在入射面内，则在晶体中只能引起e光的次波波面，折射光只有e光；4、当入射线偏振光的振动方向为斜向时，才有双折射；双折射的两束光的强度按振幅分解来计算；5、可利用晶体的双折射现象获得线偏振光。一

12、一. .尼科耳棱镜尼科耳棱镜ABCD102A(D)B(C)由方解石切由方解石切割再用树胶割再用树胶粘合而成粘合而成.尼科耳棱镜工作原理尼科耳棱镜工作原理:自然光在自然光在AB面折射为面折射为o光和光和e光，光，o光以约光以约76入射到入射到AC的加拿大树胶层上的加拿大树胶层上. 被被AC面全反射，只有面全反射，只有e光出射，产生偏振光光出射，产生偏振光.p 获得线偏振光的器件获得线偏振光的器件偏振棱镜偏振棱镜o光光: 69658.1551.190sinsin00innio而而i =76 69，全反射全反射. .二、渥拉斯顿棱镜：二、渥拉斯顿棱镜：将两个直角的方解石棱镜沿斜边胶合起来。将两个直角

13、的方解石棱镜沿斜边胶合起来。AB光在第一棱镜中不分开，但光线垂直于光轴，因而两束光传播光在第一棱镜中不分开，但光线垂直于光轴，因而两束光传播速度不同。第二棱镜的光轴垂直于第一棱镜，所以第一棱镜中速度不同。第二棱镜的光轴垂直于第一棱镜，所以第一棱镜中的的E光为第二棱镜中的光为第二棱镜中的O光，由于光，由于neno，相当于光由光疏介质，相当于光由光疏介质入射光密介质，折射线近法线；入射光密介质，折射线近法线；而第一棱镜的而第一棱镜的O光为第二棱镜光为第二棱镜中的中的e光，相当于光由光密介光，相当于光由光密介质入射光疏介质，折射线远质入射光疏介质，折射线远离法线，如图所示。离法线，如图所示。三、格兰

14、三、格兰汤普森棱镜：汤普森棱镜：将两个直角的方解石棱镜沿斜边将两个直角的方解石棱镜沿斜边胶合起来。其中第一棱镜内的胶合起来。其中第一棱镜内的o光在胶合面处发生全反射。光在胶合面处发生全反射。思考：如何检测各类偏振光？检偏器可以检测出所有偏振态吗？如何将椭圆偏振光和圆偏光分别从部分偏振光和自然光中分离出来？p 波片波片，是由晶体制成的有准确厚度的薄片，也叫做相位补偿器，其光轴与薄片表面平行。波片的作用是使波片内传播的o光与e光通过波片后产生一确定的光程差和相位差。dnneo)(2()oenn d波片的厚度 当两束光射出晶体面，当两束光射出晶体面，1 1、四分之一波片、四分之一波片 (1)(1)定

15、义：能使定义：能使o o光和光和e e光的光程差等于光的光程差等于 的晶片称四的晶片称四分之一波片分之一波片 (2)(2)四分之一波片的厚度四分之一波片的厚度 正晶体正晶体 (3)(3)作用：产生附加位相差，作用：产生附加位相差， ，平面偏振光经平面偏振光经1/41/4波片后，出射光是正椭圆偏振光波片后，出射光是正椭圆偏振光dnneo)(24()4oenn d4()oednn4()eodnn2两个振动方向互相垂直的简谐振动的合振动由自然光得到椭圆（园）偏振光：由自然光得到椭圆（园）偏振光：0IIN1N2起偏器起偏器波晶片波晶片oAe椭圆（圆）偏振器椭圆（圆）偏振器p 圆偏振光与自然光的检定：判

16、断：判断：旋转一周过程中，若有消光现象出现为圆偏振旋转一周过程中，若有消光现象出现为圆偏振光；否则为自然光。光；否则为自然光。方法：方法：在偏振片的前面加入一块四分之一波片，仍以入射在偏振片的前面加入一块四分之一波片，仍以入射光为轴旋转偏振片。光为轴旋转偏振片。0II检偏器检偏器P1/4为什么？两个振动方向互相垂直的简谐振动的合振动原理：原理： 已知圆偏振光中已知圆偏振光中o o、e e 光的位相差为光的位相差为 = = /2/2，通过四分之一波片后，又产生，通过四分之一波片后，又产生了了 /2 /2 的相差，则的相差，则 o o、e e 光的总相差为光的总相差为0 0或或 ，这样，通过四分之

17、一波片后圆偏振光将，这样，通过四分之一波片后圆偏振光将变为线偏振光，因此在旋转棱镜或偏振片时变为线偏振光，因此在旋转棱镜或偏振片时会有消光现象出现；会有消光现象出现；而自然光通过四分之一而自然光通过四分之一波片后不会变为平面偏振光，故没有消光现波片后不会变为平面偏振光，故没有消光现象出现。象出现。14:波片且光轴与透振方向夹角45即 线偏振光圆偏振光p 椭圆偏振光与部分偏振光的检定： 让椭圆偏振光和部分偏振光通过一个偏振片时，旋转中均让椭圆偏振光和部分偏振光通过一个偏振片时，旋转中均会出现光强大小变化但无消光的相同现象，无法区分。会出现光强大小变化但无消光的相同现象，无法区分。方法：方法：在偏

18、振片前放入一块四分之一波片，并设法使椭圆的在偏振片前放入一块四分之一波片，并设法使椭圆的一个轴与四分之一波片的光轴平行；以入射光为轴旋转偏振一个轴与四分之一波片的光轴平行；以入射光为轴旋转偏振片。片。旋转一周过程中，若有消光现象出现者是椭圆偏振光；旋转一周过程中，若有消光现象出现者是椭圆偏振光；否则为部分偏振光。否则为部分偏振光。0II检偏器检偏器P1/4原理：原理：当椭圆偏振光任一主轴与四分之一波片光当椭圆偏振光任一主轴与四分之一波片光轴平行时，轴平行时，o o、e e 光相差为光相差为 /2/2或或 3 3 /2/2；经四分之一波片后又产生了经四分之一波片后又产生了 /2 /2 相差，相差

19、，则最后的总相差为则最后的总相差为0 0或或 ，成为一束线偏，成为一束线偏振光，因而会有消光现象出现，而部分偏振光，因而会有消光现象出现，而部分偏振光经四分之一波片后无法变为平面偏振振光经四分之一波片后无法变为平面偏振光，故无消光现象。光，故无消光现象。14: 波片即 线偏振光椭圆偏振光 2 2、半波片、半波片 能使能使o o光和光和e e光的光程差等于光的光程差等于 奇数倍的晶片，称半波奇数倍的晶片，称半波片，其厚度片，其厚度 线偏振光垂直入射到半波片而透射后，仍为线偏振光。线偏振光垂直入射到半波片而透射后，仍为线偏振光。 如果入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为如果入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为，则，则透射光仍为线偏振光，振动面从原来的方位转动透射光仍为线偏振光，振动面从原来的方位转动22角，角，振动方向从一三象限转到二四象限。振动方向从一三象限转到二四象限。半波片常用于改变或调整线偏振光的振动方向。2()(21)2oenndk(21)2()oedknn) 12(2k3 3、补偿器、补偿器（1 1、为什么要使用补偿器？、为什么要使用补偿器？上述检验椭圆偏振光的实验中，若不用补偿器，必须事上述检验椭圆偏振光的实验中，若不用补偿器，必