参考00光学偏振5

1、2022/9/31Click to edit Master subtitle style济南大学 物理学院光学optics2022/9/3光 学济南大学物理学院普物教研室电子教案电子教案2光学课件目录济南大学理学院2021-9-22022/9/35.1 晶体双折射 5.1.1 双折射现象 基本定义与规律 5.1.2 单轴晶体中的波面 惠更斯假说 5.1.3 平面波在单轴晶体内的传播 惠更斯作图法5.2 晶体光学器件 偏振光的检验 5.2.1 线偏振器第五章 光在晶体中的传播 2022/9/3第五章 光在晶体中的传播 晶体 原子（离子或分子）呈空间周期性排列的固体。 一般晶体均具有空间各向异性，

2、在光学上表现为沿不同方向有不同的介电常数（即不同折射率）等。 方解石和石英是两种常用的天然光学晶体，还有些晶体属于人造光学晶体，晶体分为单轴晶体和双轴晶体，还有少量晶体属于多轴晶体。2022/9/3一、双折射现象双折射现象：一束光入射到各向异性的媒质中分成两束(e,o)光的现象。演示实验： 方解石以入射线为轴，转方解石： 光点o不动,e 绕o转，表明e光不遵循折射定律！5.1 晶体双折射5.1.1 双折射现象 基本定义与规律oeeo2022/9/32022/9/3光光当方解石晶体旋转时，o光不动，e光围绕o光旋转。双折射纸面方解石 晶体双折射现象演示2022/9/3光光双折射纸面方解石 晶体双

3、折射纸面方解石 晶体2022/9/3光光双折射纸面方解石 晶体2022/9/3光光双折射纸面方解石 晶体2022/9/3光光双折射纸面方解石 晶体2022/9/3光光双折射纸面方解石 晶体2022/9/3光光双折射纸面方解石 晶体2022/9/3光光双折射纸面方解石 晶体2022/9/3光光双折射纸面方解石 晶体2022/9/3光光双折射纸面方解石 晶体2022/9/3光光双折射纸面方解石 晶体2022/9/3光光双折射纸面方解石 晶体2022/9/3光光双折射纸面方解石 晶体2022/9/3光光双折射纸面方解石 晶体2022/9/3光光双折射纸面方解石 晶体2022/9/3光光双折射纸面方解

4、石 晶体2022/9/3光光双折射纸面方解石 晶体2022/9/3光光双折射纸面方解石 晶体2022/9/3光光双折射纸面方解石 晶体演示结束2022/9/3二 、基本定义与规律1. o光与e光两束光分别称为寻常光（o光）和非寻常光（e光）。寻常光：遵从折射定律非寻常光：(1) 一般不遵从折射定律；(2) 一般折射线不在入射面内。2022/9/32.晶体的光轴 晶体内存在特殊方向，当晶体内的光沿此方向传播时，不发生双折射。这个方向叫做晶体的光轴。注意：光轴是一个方向，而不是一条线！晶体按光轴分类仅讨论单轴晶体。单轴晶体；双轴晶体；多轴晶体。2022/9/33.晶体的主截面晶体主截面：包含晶体光

5、轴并与晶体表面垂直的平面。入射表面法线与光轴组成的平面，主截面有许多个。4.o光主平面 e光主平面o光主平面o光光线与晶体光轴组成的平面。e光主平面e光光线与晶体光轴组成的平面。 当入射光线在晶体主截面内时，o光主平面、e光主平面还有晶体主截面重合。 o光主平面与e光主平面一般不重合，但两平面夹角并不大。使用中一般采用后者。2022/9/35.o光与e光光矢量的振动方向用偏振片检验发现o 光、 e光均是线偏振光。o光的振动自己的主平面；e光的振动自己的主平面。 光轴在入射面时，入射面即为主平面；则o光振动入射面，e光振动入射面。由此可知：o光的振动方向e光的振动方向。oe特殊情况：2022/9

6、/35.1.2 单轴晶体中的波面 惠更斯假说利用惠更斯原理可确定光的传播方向。在各项同性的介质中惠更斯假说: 在单轴晶体中，一点光源所激发的 o 光和 e 光两种扰动分别形成两个波面：o 光波面为球面，e 光波面为旋转椭球面，两波面在晶体光轴方向相切。s2022/9/32022/9/3垂直于光轴方向的折射率称为e光主折射率 。o 光在各方向传播的速度相同；e光传播速度随传播方向而变。折射率为常数 .e光因各方向折射率不同，沿光轴方向传播: e光的速度等于vo 。垂直于光轴方向传播：与前一速度相差最大。2022/9/3o光：波射线处处与波面垂直e光: 除光轴和与光轴垂直方向外，不与波面垂直负晶体

7、（方解石）正晶体（石英）2022/9/3负晶体（方解石）正晶体（石英）o光子波面e光子波面点光源光轴光轴石英方解石2022/9/3几种单轴晶体的折射率:名称noneno- ne方解石1.65841.48640.1720电气石1.66901.63800.0310白云石1.68111.50000.1811菱铁矿1.87501.63500.2400石英1.54431.5534-0.0089冰1.30901.3130-0.00402022/9/3 5.1.3 平面波在单轴晶体内的传播惠更斯作图法 利用惠更斯原理可通过作图法得到光在晶体中的传播方向。以负晶体方解石为例，对平面波入射进行讨论。2022/9

8、/3一、光轴在入射面内并与晶体表面成一倾斜角且光线斜入射空气方解石步骤见课本P301。 以 为半径，以A点为圆心画o光的球面波，再画出e光的椭球波。2022/9/3二、光轴在入射面内并与晶体表面成一倾斜角且光线垂直入射e光o光空气方解石2022/9/3三、光轴平行于晶体表面，且垂直于入射面光线垂直入射空气方解石oe2022/9/3四 、光轴垂直于晶体表面，且在入射面内光线垂直入射空气方解石2022/9/3五、光轴平行于晶体表面，且在入射面内光线垂直入射空气方解石光轴oe2022/9/3六、光轴平行于晶体表面，且垂直于入射面光线斜入射空气方解石这时两光的主平面不重合。oe2022/9/3思考：1

9、、自然光沿光轴入射有无双折射？2、线偏振光斜入射 光轴在入射面内1) 入射振动入射面2)入射振动在入射面内光轴3)入射振动在任意方向2022/9/35.2 晶体光学器件 偏振光的检验5.2.1 线偏振器在此主要讨论由晶体制成的线偏振器。一、偏振棱镜线偏振器入射自然光得到线偏振光的器件。 利用单轴晶体中的双折射现象，将晶体制成各种棱镜，可以获得线偏振光，这种棱镜称为偏振棱镜。偏振棱镜从功能上分类起偏检偏棱镜；起偏分束棱镜。2022/9/3起偏检偏棱镜尼科耳棱镜格兰型棱镜常规尼科耳修改尼科耳斯蒂格型；阿伦斯型；哈尔型；格兰-汤姆孙棱镜；阿曼-马塞棱镜；阿伦斯棱镜；格兰-付科棱镜；2022/9/3起

10、偏分束棱镜沃拉斯顿棱镜；洛匈棱镜；塞那蒙特棱镜；福斯特棱镜；格兰-汤姆孙分束棱镜。 偏振棱镜家族品种众多，功能各异，我们只介绍起偏检偏棱镜中的尼科耳棱镜、格兰棱镜；介绍分束棱镜中的洛匈棱镜、塞那蒙特棱镜和沃拉斯顿棱镜。2022/9/3 材料：方解石。寻常光和非常光的折射率分别为 和 （与主光轴成22o角入射时非常光折射率为 ）。1. 尼科耳棱镜尼科耳棱镜问世比较早，在起偏和检偏用的比较广泛。2022/9/3 取长度为宽度的3倍方解石晶体，两个端面呈菱形，把两个端面磨掉一部分，使主截面上角B从71o减小到68o，其目的是使 上下两个极限角近乎相等。2022/9/3所以出射偏振方向在ABCD平面内

11、的偏振光 e 光。 将磨制好的方解石沿AC 抛开，再用加拿大树胶粘合到一起，就构成了尼科耳棱镜。 加拿大树胶的折射率n=1.550，o光入射角77o大于o光的临界角arc sin(1.550/1.6584)=69.16o，满足全反射，被BD面涂黑层所吸收。而e光透射。入射光的视场角1402022/9/3尼科耳棱镜的不足：1. 出射光的光线和入射光的光线不重合，转动棱镜时光束摆动；2. 视场角小，对入射角度大的光线（140）不能起偏和检偏；3. 棱镜尺寸大，所用方解石材料多。 （有几种改进的尼科耳棱镜尺寸略微减小）2022/9/32. 格兰棱镜结构如图所示。 格兰棱镜是由两块方解石磨成光轴平行棱

12、边的直角三棱镜构成。两个斜面相互平行，中间为空气层或用加拿大树胶粘合。 适当选择角，使其大于o光的全反射临界角，而小于e光的全反射临界角。 光轴光轴格兰棱镜2022/9/3 光轴光轴 空气膜 o 光满足全反射时：一般要加1.4o, ，保证 o 光满足全反射。2022/9/3 加拿大树胶膜 o 光满足全反射时：加1.4o, ，确保 o 光满足全反射。 光轴光轴2022/9/3格兰棱镜的优点：1. 消光比高；2. 视场角大；3. 视场内的光场均匀偏振；4. 输出光无侧向位移，和输入光共线；5. 用料省，制作成本低。这种棱镜目前用得最多，广泛用于起偏和检偏。 光轴光轴2022/9/33. 洛匈棱镜和

13、塞那蒙特棱镜结构如图所示。洛匈棱镜 洛匈棱镜是由两块光轴方向相互垂直的方解石直角三棱镜组成。光轴光轴（1）洛匈棱镜2022/9/3（2）塞那蒙特棱镜 塞那蒙特棱镜是由两块光轴方向相互垂直的方解石直角三棱镜组成。光轴光轴塞那蒙特棱镜结构如图所示。2022/9/34、渥拉斯顿棱镜 渥拉斯顿棱镜是由两块光轴方向相互垂直的方解石直角三棱镜组成。光轴光轴两出射光间的夹角 为渥拉斯顿棱镜2022/9/3二、利用二向色性制成的偏振片 某些双折射晶体（例如电气石）对于光振动垂直于光轴的线偏振光强烈吸收，1mm厚的电气石就可以把o光全部吸收，光振动平行于光轴的e光几乎无损耗的通过。这种对线偏振光的强烈的选择吸收性质，叫做二向色性。人们最早使用的偏振片就是电气石磨制成的薄片。光轴光轴电气石的二向色性自然光线偏光2022/9/3电气石单晶2022/9/3 人造偏振片是由聚乙烯醇薄膜加热拉伸浸碘制成.人造偏振片有造价低,面积大等优点。人偏振片制作方法： 自然光过偏振片后, 变为振动面平行于偏振片光轴(透振方向),强度