光在各向异性介质中的传播

光在各向异性介质中的传播第一页，共五十四页，2022年，8月28日1.应力（机械）双折射效应（光弹性效应）应力：在固体形变时，作用在固体中单位面积上的力称为应力。例如：张力、压力、切变力…熔融玻璃或塑料冷却时不均匀，就会出现内应力，造成材料各向项异性，出现双折射。第二页，共五十四页，2022年，8月28日压缩时：表现为负单轴晶体拉伸时：表现为正单轴晶体等效光轴：在应力的方向透明的各向同性介质，在外界机械应力作用下，表现出光学各向异性性质，称为应力双折射效应（1）应力双折射效应L

ΣFF第三页，共五十四页，2022年，8月28日复色平行光偏振片P1P2⊥P1L

ΣFF（2）实验规律——感生双折射的大小正比于应力大小应力越集中的地方，各向异性越强，干涉条纹越细密。第四页，共五十四页，2022年，8月28日利用偏振光的干涉花样来测量应力分布的方法称为光测弹性方法。应用：检测光学玻璃、光学元件的质量、桥梁、水坝的模拟设计、地震预测等模拟透明机械：用透明材料模拟不透明机械：在其上涂上光弹性材料应力敏材料：环氧树脂、变性聚酯树脂等第五页，共五十四页，2022年，8月28日6．2电光效应强电场作用下各向同性介质→双折射→克尔效应。单轴晶体→双轴晶体→泡克耳斯效应。第六页，共五十四页，2022年，8月28日1.泡克耳斯效应（1）装置和现象现象：不加电场，线偏振光沿光轴方向传播P2后无光。加电场，单轴晶体转化为双轴晶体，生成两束光矢相互垂直且与传播方向垂直的光。(1893法国物理学家)纵向光电效应装置P2P1KDPxyX、y为主振动方向V两端透明加电极P1⊥P2第七页，共五十四页，2022年，8月28日（2）实验规律感生折射率差可见Δn与Ｅ成正比，故称为一次电光效应。从晶体出射两光的位相差从检偏器后出射的光强（P1⊥P2，θ=45°）第八页，共五十四页，2022年，8月28日透过率曲线δVπVλ/2π/2Vλ/400I/I0第九页，共五十四页，2022年，8月28日(3)应用电光调制凡使光波的振幅、频率、位相、偏振态、传播方向…随外加讯号变化的均称为光调制。调制器是激光通讯、激光电视中重要的装置例：在激光通讯里，以要传递的电讯号控制电光晶体，改变光的偏振态，利用偏振片把偏振调制变为光强调制，控制激光光源的发光。优点：无毒、电压低仅为克尔盒的1/5~1/10第十页，共五十四页，2022年，8月28日2.克尔效应（1）实验装置与现象现象：不加电压克尔盒内液体呈各向同性P2后无光加高电压克尔盒内液体呈各向异性P2后有光似单轴晶体。（1875苏格兰科学家克尔发现）光轴方向与电场方向一致电介质为液体P2P1P1⊥P2电极、外加电压dl硝基苯光轴方向第十一页，共五十四页，2022年，8月28日（2）实验规律感生折射率差可见Δn与Ｅ2成正比，故称为二次电光效应。第十二页，共五十四页，2022年，8月28日P2后有最大光强通过当外加电压为零时无光通过P2使δ=π的电压，称为半波电压V

λ/2，其值越小越好第十三页，共五十四页，2022年，8月28日（3）应用可作为高速开关、光调制器优点：无时间延迟，相应快（10-10s）第十四页，共五十四页，2022年，8月28日§7旋光现象及其应用7．1旋光现象及实验规律1．现象p2⊥p1时，p2后有光通过。P2转动一个角度后可以消光。偏振片p2⊥p1石英晶体偏振片p1单色平行光线偏消光有光出射第十五页，共五十四页，2022年，8月28日实验发现：迎着光线看有的石英使入射光振动面右旋，有的石英使入射光振动面左旋。实验表明：石英晶体使入射光的振动面旋转了一个角度。第十六页，共五十四页，2022年，8月28日旋光现象：能使线偏振光振动面连续旋转的现象。旋光物质：具有旋光性的物质（左、右旋）

旋光现象是不同于晶体双折射的另一种光学现象。2．实验规律1）单色光入射，振动面旋转的角度Ψ与旋光物质的厚度d成正比。第十七页，共五十四页，2022年，8月28日对旋光晶体：振动面旋转的角度：

α—旋光率，与物质的性质、温度、入射波长有关。单位：[度/毫米]Ψ=αd对旋光溶液：Ψ=[α]cdc—溶液浓度。[α]—比旋光率，[度/分米(克/厘米3)]*液体旋光本领比晶体小得多。第十八页，共五十四页，2022年，8月28日对各向异性晶体，旋光率α是光传播方向与晶体光轴夹角的函数。2）同一旋光物质，对不同波长，光振动面旋转的角度不同—旋光色散。对晶体一般指光沿光轴方向的旋光率偏振片p2石英晶体偏振片p1白光入射出射光λ↑→α↓→ψ↓。第十九页，共五十四页，2022年，8月28日3）振动面的旋转具有方向性迎着光线看顺时针旋转的为右旋，如葡萄糖、石英.逆时针旋转的为左旋，如果糖、石英。当光传播方向改变时，物质的左(右)旋性质不变第二十页，共五十四页，2022年，8月28日7．2菲涅耳对旋光现象的解释根据运动学中的一个原理——任何一个直线简谐运动都可以分解为两个频率相同，初位相相同，而反向旋转的匀速圆周运动。菲涅耳的唯象解释：ωω

EDEELνD=νL

δoD=δoL

VD=VLEDO第二十一页，共五十四页，2022年，8月28日1．菲涅耳假设入射线偏振光右旋圆偏振光（速度VD）左旋圆偏振光（速度VL）ωωEDO

EDEELν

D=ν

L

δoD=δoLVD≠VL对右旋物质（D）VD>VL,

(nD<nL)对左旋物质（L）VL>VD,(nL<nD)第二十二页，共五十四页，2022年，8月28日2．解释旋光现象ωω经过厚度为l的旋光物质，两光所需时间ERO设：在入射面上，线偏振光E

E=EL+ED，δLD=0EL=E/2，ED=E/2，在旋光物质内，VD≠VL第二十三页，共五十四页，2022年，8月28日若：VD>VL，(nD<nL)则：φL=2π/λnLdφR=2π/λnRdEDO左旋光到达出射面时，右旋光已多转了一个角度Δφ

第二十四页，共五十四页，2022年，8月28日过旋光物质后VD=VL，合成矢量E’线偏振光振动面旋转的角度ψOα—旋光率与波长λ、物质性质、温度（n~T）有关第二十五页，共五十四页，2022年，8月28日对右旋物质：VD>VL,

(nD<nL),ψ>0对左旋物质：VD<VL,

(nD<nL),ψ<0角度ψ的符号规定：偏振面顺时针旋转：以OE为参考线偏振面逆时针旋转：O第二十六页，共五十四页，2022年，8月28日3．菲涅耳的实验验证右旋石英nD=左旋石英nL’右旋石英nL=左旋石英nD’DD第二十七页，共五十四页，2022年，8月28日vL小,nL大→vL’大,nL小’→vL小,nL大

vD大,nD小→vD’小,nD’大→vD大,nD小

棱镜I(右)→棱镜Ⅱ(左)→棱镜Ⅲ(右)

光疏介质→光密(靠近法线)→光疏(向上)光密介质→光疏(远离法线)→光密(向下)左旋圆右旋圆第二十八页，共五十四页，2022年，8月28日7．3圆二色性圆二色性：旋光物质对左旋、右旋圆偏振光有不同的吸收系数。对不同的波长，旋光物质有不同的圆二色性旋光性的应用：旋光片，加工和使用都方便。第二十九页，共五十四页，2022年，8月28日如果分解成的两个圆偏振光传播速度不同，出射光的振动面将发生旋转。总之：当线偏振光通过旋光物质时，如果，对两个圆偏振光的吸收率也不同，出射光一般为椭圆偏振光。第三十页，共五十四页，2022年，8月28日7.4法拉第磁致旋转效应磁致旋光效应1．实验装置与现象轻火石玻璃偏振片p2⊥p1偏振片p1单色平行光线偏消光有光出射磁场①不加磁场，P后消光②加磁场,P2后有光出射,P2转Ψ角后可消光第三十一页，共五十四页，2022年，8月28日2．应用偏振片p2与p1成450偏振片p1单色平行光线偏法拉第盒磁场杂散光调整B，使从法拉第盒出射的光相对于P1右旋450，光矢平行P2，从P2射出。而从P2入射的光，经法拉第盒后仍按原方向旋转450，使光矢方向与P1方向垂直。光隔离器第三十二页，共五十四页，2022年，8月28日7.5液晶的旋光显示第八章光在各向异性介质中的传播§7旋光现象及其应用第三十三页，共五十四页，2022年，8月28日一、液晶简介1888年奥地利的植物学家F·Reinitzer发现：这种混浊态粘稠的液体是什么呢？胆甾醇的苯甲酸脂加热到一定温度开始溶解溶化后不是透明液体呈混浊态的粘稠液体发出多彩而美丽的珍珠光泽再进一步升温后变成透明液体结晶的固体145℃175℃

第三十四页，共五十四页，2022年，8月28日粘稠而混浊的液体在偏光显微镜下观察，具有双折射性。德国物理学家D·Leimann将其命名为“液晶”，简称为“LC”第三十五页，共五十四页，2022年，8月28日

液晶材料主要是脂肪族、芳香族、硬脂酸等有机物。液晶大量存在于生物结构中。日常生活中，适当浓度的肥皂水溶液就是一种液晶。目前已经发现或人工合成的液晶材料已达一万多种，常用的上千种。

液晶（LiquidCrystal）是“液态晶体”之意。有人称它为固液气三态之外物质存在的第四种状态，介于固态和液态之间。液晶奇异的特性，使它在本世纪得到了迅猛发展，成为当今研究的热点问题之一。第三十六页，共五十四页，2022年，8月28日

液晶的基本特性液晶实际上是物质的一种形态，它是一种处于“完全有序的周期性结构”和“完全无规则结构”之间的介晶态。流动性、不能承受切变力、可形成液滴等。具有长程有序和各向异性的特征液晶具有液体的一些特征液晶又具有晶体的某些特征分子的取向有序性；光折射率、介电常数、电阻率、磁化率、粘滞系数、弹性系数均为各向异性。第三十七页，共五十四页，2022年，8月28日液晶按形成条件不同分为两大类溶致液晶：溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态。

热致液晶：在一定的温度范围内才呈现出液晶状态。本实验采用的是热致液晶。溶致液晶大量存在于生物体内，在生命活动中起着重要的作用。研究液晶和活细胞的关系，是当今生物物理研究的内容之一。在研究应用领域，人们更加关心的是热致液晶。第三十八页，共五十四页，2022年，8月28日热致液晶按分子排列状态分二、热致液晶的结构和分类近晶相向列相胆甾相第三十九页，共五十四页，2022年，8月28日向列相液晶（Nematic）又称丝状液晶

向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。第四十页，共五十四页，2022年，8月28日

正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。向列液晶在偏光显微镜下的图象第四十一页，共五十四页，2022年，8月28日近晶相液晶按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜排列。近晶相液晶（Smectic）又称层状液晶

第四十二页，共五十四页，2022年，8月28日层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘度与表面张力都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性。隧道显微镜下的近晶相层状液晶第四十三页，共五十四页，2022年，8月28日胆甾相液晶（Cholestevic）也称螺旋状液晶

胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每层分子都会旋转一个角度。液晶整体呈螺旋结构。螺距的长度是可见光波长的数量级第四十四页，共五十四页，2022年，8月28日由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色彩。胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。第四十五页，共五十四页，2022年，8月28日三、热致液晶相变1.互变相变（可逆相变）2.单变相变液晶各向同性液体晶体T1T2T1T2晶体液晶各向同性液体第四十六页，共五十四页，2022年，8月28日T1T2晶体液晶各向同性液体第四十七页，共五十四页，2022年，8月28日