晶体的自然双折射

晶体的自然双折射

§9.2光在晶体中的传播,双折射一、双折射的概念1.双折射现象n1n2irore(各向异性媒质)

自然光o光e光光学性质随方向而异的晶体o光和e光在晶体中具有不同的传播速度。o光在晶体中各方向的传播速度都相同；e光在晶体中的传播速度随方向而改变。Polarizedlightproducedbydoublerefraction：双折射(doublerefraction)：一束入射光经各向异性介质，常有分解为两束折射光的现象，称双折射。

2.寻常光（o光)和非寻常光（e光）（都是线偏振光）o光:遵从折射定律e光:一般不遵从折射定律e光折射线也不一定在入射面内。（ordinaryray）(extraordinaryray）象折射现o光方解石晶体CaCO3双e光纸面折射现光光

双折射纸面方解石晶体e

o当方解石晶体旋转时，o光不动，e光围绕o光旋转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3.晶体的光轴(opticalaxis)：当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该方向称为晶体的光轴。例如，方解石晶体AB光轴102°

光轴是一特殊的方向,凡平行于此方向的直线均为光轴。单轴晶体：只有一个光轴的晶体双轴晶体：有两个光轴的晶体方解石AB2107821078方解石碳酸钙晶体结构：形状为平行六面体各晶面为菱形一对约102的钝角一对约78的锐角沿解理面截取的等棱长的方解石菱块菱体的四对顶点中只有一对顶点是由三个钝角面会合而成（图中、）AB2107878210210782107878210210787878210210210782107821078点击鼠标，步进显示各侧面钝、锐角关系方解石的光轴方解石碳酸钙晶体结构：形状为平行六面体各晶面为菱形一对约102的钝角一对约78的锐角AB2107821078菱体的四对顶点中只有一对顶点是由三个钝角面会合而成（图中、）AB点击鼠标，步进显示各侧面钝、锐角关系沿解理面截取的等棱长的方解石菱块CCCCCC通过A或B，并与三个会合钝角的界面成等角的直线方向，就是方解石晶体的光轴方向（对于严格等棱长的方解石菱体，即AB连线方向）与此平行通过晶体的直线都是光轴方向，常用CC表示续上方解石AB2107821078沿解理面截取的等棱长的方解石菱块通过或，并与三个钝角会合界面成等角的直线方向，就是方解石晶体的光轴方向。AB与此方向平行通过方解石的一切直线都是方解石晶体的光轴方向用表示CCCC若磨平顶点，AB沿光轴方向入射一细光束，晶体中o光和e光的传播方向和速度大小相同无双折射现象4.主平面和主截面主平面：晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。e光光轴e光的主平面o光光轴o光的主平面····o光的振动方向垂直于o光的主平面；e光的振动方向平行于e光的主平面。主平面：包含晶体光轴和光线的平面。主截面：晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。二.晶体的主折射率，正晶体、负晶体光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同,光的传播速度也不同，沿晶体光轴方向o光和e光的传播速度相同。························vo

t光轴光轴ve

tvo

to光:e光:

n0，ne称为晶体的主折射率正晶体:ne>no负晶体:ne<novo

tve

t光轴

负晶体(vo<ve)

子波源子波源vo

tve

t光轴

正晶体

(vo>ve)

(

e<

o)(

e>

o)三.平面波在单轴晶体内的传播：

惠更斯原理：媒质中波动到达的各个点都可以看作是新的波源，向各个方向发出子波。在任一时刻这些子波的包迹就是新的波阵面。单轴晶体中光传播的惠更斯作图法(

e>o)1.光轴平行晶体表面，自然光垂直入射····

eoeo光轴晶体····

o光和e光在方向上虽没分开，但速度上是分开的。产生双折射现象。2.光轴平行晶体表面，且垂直入射面，自然光斜入射····晶体

光轴ir0reo

········

oΔt

eΔteo

ecΔt在此特殊情况下，o光、e光均满足折射定律。3.光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射······o

e晶体光轴····

e方解石光轴······o

eo此时e光的波面不再与其波射线垂直了

§9.3圆和椭圆偏振光一、晶(波)片─相位延迟片晶片是光轴平行表面的晶体薄片。ydxAAoAe

线偏振光光轴λAAoAe

光轴P

通过厚为d的晶片，o、e光产生相位差：

振幅关系从晶片出射的是两束传播方向相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差

的线偏振光，它们合成为一束椭圆偏振光。时为圆偏振光

二、波（晶）片分类

1.四分之一波片从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）——线偏振光→圆偏振光——线偏振光→线偏振光——线偏振光→椭圆偏振光2.二分之一波片使线偏振光振动面转过2

角度

A0入A0出A入A出Ae入=Ae出光轴三、椭圆与圆偏振光的检偏用四分之一波片和偏振片P可区分出自然光和圆偏振光或部分偏振光和椭圆偏振光。自然光在晶体（波片）内产生的o光和e光虽然同频率且振动方向相互垂直，但它们之间无固定的位相差，这样的光不能合成椭圆偏振光。四分之一波片圆偏振光自然光自然光线偏振光偏振片（转动）线偏振光

I不变线偏振光I变,有消光以入射光方向为轴四分之一波片椭圆偏振光部分偏振光线偏振光偏振片（转动）线偏振光I变,有消光部分偏振光光轴平行最大光强或最小光强方向放置或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置线偏振光I变,无消光1)各种光通过检偏器后强度的变化：X,(p)A1yA2X,(p)yX,(p)Axy透光轴与椭圆长轴平行：透光轴与椭圆短轴平行：透光轴与椭圆主轴处于任意倾斜位置：

检验偏振光自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。A)椭圆偏振光通过检偏器后强度的变化结论:若入射光是椭圆偏振光，转动检偏器的透光方向时，透射光的强度将在极大值及极小值之间变化，但无消光。部分偏振光亦如此。2）各种偏振光经过1/4波片后的偏振状态B)若入射光是圆偏振光，转动检偏器的透光方向时，透射光的强度不变。自然光亦如此。入射线偏振光分解为：e轴或o轴与偏振方向成45o角时，透射光为圆偏振光；e轴或o轴与偏振方向一致时，透射光为线偏振光；e轴或o轴与偏振方向其他位置时，透射光为椭圆偏振光。45oeoAeAoA45oeAooAeeoAoAeA)线偏振光通过1/4波片：B)椭圆偏振光通过1/4波片：eoeoe轴或o轴与椭圆主轴方向一致，经1/4波片后，出射光为线偏振光；e轴或o轴与椭圆主轴方向不一致，经1/4波片后，出射光则仍为椭圆偏振光；C)圆偏振光通过1/4波片是线偏振光。D)自然光，部分偏振光经过1/4波片后仍是自然光和部分偏振光。各种偏振光经过四分之一波片后偏振态的变化入射光片位置出射光线偏振光e或o轴与偏振方向一致线偏振e或o轴与偏振方向成45o角圆偏振其他位置椭圆偏振圆偏振光任意位置线偏振光椭圆偏振光e轴与o轴与椭圆主轴一致线偏振光其他位置椭圆偏振光第一步第二步令入射光通过偏振片I，改变I的透振方向，观察透射光强变化。观察现象观察现象结论结论有消失线偏振光有消失圆偏振光无消失自然光强度无变化自然光或圆偏振光a.令入射光依次通过四分之一波片和偏振片II，改变II的透振方向P2，观察透光强度变化。有消失无消失椭圆偏振光部分偏振光强度有变化，但无消光部分偏振光或椭圆偏振光b.四分之一波片的光轴方向必须与第一步I片产生强度极大或极小透振方向重合。

四、偏振棱镜偏光镜:格兰─汤姆森棱镜偏光分束镜:渥拉斯顿棱镜············

光轴光轴方解石方解石加拿大树胶

(n=1.55)oe吸收涂层i光轴的取向使o光、e光对应的恰是no、ne

。no(1.6584)＞n(1.55)＞ne(1.4864)·12方解石方解石·······oe光轴光轴·方解石n0＞ne§9.4产生线偏振光的元件一、双折射产生线偏振光的元件1．尼科尔棱镜Nicolprism2．渥拉斯顿棱镜两块直角方解石光轴相互垂直，如图：光从光密到光疏折射光要偏离法线ABD••eOCO••••e•

光从光疏到光密折射光要靠近法线CeOABD

C••OABD

e•Problem:在DCB中e光是否满足折射定律？••eOC••••oABD

••eOC••••oABD

··3.格兰偏光棱镜方解石临界角：特点：调整光路方便二、晶体二向色性产生线偏振光的元件某些晶体对o光和e光的