晶体的双折射现象讲解课件

晶体的双折射现象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 晶晶体体：内内在在结结构构长长程程有有序序的的固固体体，其其原原子子（离离子子或或分分子子）在在空空间间排排列列上上具具有一定的规则性有一定的规则性，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）：立立方方晶晶系系；正正方方（四四方方，四四角角）晶晶系系；六六角角（六六方方）晶晶系系；三三角角（三三方）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：非非晶晶态态：如如玻玻璃璃、熔熔融融石石英英等等，一一般般不不具具有有长长程程有有序序的的内内在在结结构构，并并且且由由于于其其原原子子或或分分子子的的热热运运动动以以及及在在空空间间排排列列上上的的随随机机性性，其其光光学学性性质质一一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除除立立方方晶晶系系的的单单晶晶体体具具有有空空间间各各向向同同性性的的光光学学性性质质外外，一一般般单单晶晶体体的的光光学性质均具有学性质均具有空间上的空间上的各向异性各向异性。v在在一一定定的的外外界界物物理理场场（如如机机械械或或热热应应力力、电电场场、磁磁场场等等）作作用用下下，某某些些非非晶晶态态介介质质（甚甚至至立立方方晶晶晶晶体体）会会在在宏宏观观上上由由各各向向同同性性转转变变为为各各向向异异性性。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。自然界中存在的七大晶系（按晶体的空间对称性分类）：说明：非晶石英：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晶体又又称称冰冰洲洲石石，属属六六角角晶晶系系晶晶体体，其其化化学学成成分分为为碳碳酸酸钙钙（CaCO3），结结构构上上易易解解理理成成菱菱体体（斜斜六六面面体体），菱菱面面的的锐锐角角为为78o08，钝钝角角为为101o52。纯纯质质的的方方解解石石晶晶体体呈呈无无色色透透明明状状，且且在在天天然然状状态态下下可可以以形形成成较较大大尺尺寸寸，是是制制造造偏偏振振光光学学器件的重要材料之一。器件的重要材料之一。又又称称水水晶晶，属属三三角角晶晶系系晶晶体体，其其化化学学成成分分为为二二氧氧化化硅硅（SiO2），结结构构上上易易解解理理成成角角锥锥状状。纯纯质质的的石石英英晶晶体体呈呈无无色色透透明明状状，因因而而也也是是制制造造偏偏振振光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：石英：光轴(b)石英晶体102o102o78o78o光轴1光光玻璃玻璃纸面纸面光玻璃纸面光光玻璃玻璃纸面纸面光玻璃纸面光光玻璃玻璃纸面纸面光玻璃纸面光光玻璃玻璃纸面纸面光玻璃纸面光光玻璃玻璃纸面纸面光玻璃纸面光光玻璃玻璃纸面纸面光玻璃纸面光光玻璃玻璃纸面纸面光玻璃纸面光光玻璃玻璃纸面纸面光玻璃纸面光光玻璃玻璃纸面纸面光玻璃纸面光光光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石光光光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石纸面方解石光光光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石光光光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石光光光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石光光光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石光光光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石光光光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石光光光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石光光光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石光光光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石光光光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石光光光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石光光 光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石光光光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石光光光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石光光光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石光光光光纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光纸面方解石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。1、放玻璃板时看到一个字。玻璃是各向同性介质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。2、放方解石晶体时看到两个字？方解石是各向异一一.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e e光光 :一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律e e光折射线也不一定在入射面内光折射线也不一定在入射面内.o o光与e e光均为线偏振光一.双折射的概念1.双折射现象一束光线进入某种晶体，产生两3.晶体的光轴晶体的光轴 当当光光在在晶晶体体内内沿沿某某个个特特殊殊方方向向传传播播时时不不发发生生双双折折射射，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)光光轴轴是是一一特特殊殊的的方方向向,凡凡平平行行于于此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。3.晶体的光轴 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发主截面：包含晶体光轴与界面法线的平面主截面：包含晶体光轴与界面法线的平面 主平面：包含光轴及所考察光线的平面主平面：包含光轴及所考察光线的平面 说说明明：主主截截面面的的方方位位由由晶晶体体自自身身特特性性决决定定，且且始始终终垂垂直直于于晶晶体体的的表表面面；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主截面：包含晶体光轴与界面法线的平面 主平面：包含光轴及所考光轴光轴光轴光轴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.光轴光轴e光是光矢量与e主平面平行的线偏振光.当光轴在入射在单轴晶体中，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 正晶体正晶体 :ne no负晶体负晶体 :ne e ve)负晶体负晶体(vo ve)子波源子波源(ve vo o)e光光:n0 0，ne称为晶体的主折射率称为晶体的主折射率 正晶体:ne no负晶体:ne 69，全反射全反射.一.尼科耳棱镜ABCD102A(D)B(C)由方解石切割再二、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。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。AB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？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。波片的厚度 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 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)定定义义：能能使使o o光光和和e e光光的的光光程程差差等等于于 的的晶晶片片称称四四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 当两束光射出晶体面，两个振动方向互相垂直的简谐振动的合振动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：N1N2起偏器起偏器波晶片波晶片椭圆（圆）偏振器椭圆（圆）偏振器由自然光得到椭圆（园）偏振光：N1N2起偏器波晶片椭圆（圆）p 圆偏振光与自然光的检定：判断：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。方方法法：在在偏偏振振片片的的前前面面加加入入一一块块四四分分之之一一波波片片，仍仍以以入入射射光光为轴旋转偏振片。为轴旋转偏振片。检偏器检偏器P1/4为什么？圆偏振光与自然光的检定：判断：旋转一周过程中，若有消光现象两个振动方向互相垂直的简谐振动的合振动两个振动方向互相垂直的简谐振动的合振动原理：原理：已已知知圆圆偏偏振振光光中中o o、e e 光光的的位位相相差差为为 =/2/2，通通过过四四分分之之一一波波片片后后，又又产产生生了了 /2/2 的的相相差差，则则 o o、e e 光光的的总总相相差差为为0 0或或 ，这这样样，通通过过四四分分之之一一波波片片后后圆圆偏偏振振光光将将变变为为线线偏偏振振光光，因因此此在在旋旋转转棱棱镜镜或或偏偏振振片片时时会会有有消消光光现现象象出出现现；而而自自然然光光通通过过四四分分之之一一波波片片后后不会变为平面偏振光，故没有消光现象出现。不会变为平面偏振光，故没有消光现象出现。原理：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：在偏振片前放入一块四分之一波片，并设法使椭圆的一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片。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。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。部分偏振光。检偏器检偏器P1/4 椭圆偏振光与部分偏振光的检定：让椭圆偏振光和原理：原理：当当椭椭圆圆偏偏振振光光任任一一主主轴轴与与四四分分之之一一波波片片光光轴轴平平行行时时，o o、e e 光光相相差差为为/2/2或或 3 3/2/2；经经四四分分之之一一波波片片后后又又产产生生了了 /2/2 相相差差，则则最最后后的的总总相相差差为为0 0或或 ，成成为为一一束束线线偏偏振振光光，因因而而会会有有消消光光现现象象出出现现，而而部部分分偏偏振振光光经经四四分分之之一一波波片片后后无无法法变变为为平平面面偏偏振振光光，故无消光现象。故无消光现象。原理：2 2、半波片、半波片 能能使使o o光光和和e e光光的的光光程程差差等等于于 奇奇数数倍倍的的晶晶片片，称称半半波波片，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。如如果果入入射射时时振振动动面面和和晶晶体体主主截截面面之之间间的的夹夹角角为为，则则透透射射光光仍仍为为线线偏偏振振光光，振振动动面面从从原原来来的的方方位位转转动动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、半波片3 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？上上述述检检验验椭椭圆圆偏偏振振光光的的实实验验中中，若若不不用用补补偿偿器器，必必须须事事先先知知道道 片片的的光光轴轴方方向向，而而且且在在实实验验过过程程中中，必必须须使使 的的光光轴轴精精确确地地平平行行于于椭椭圆圆的的主主轴轴（），这这是是很很难难办办到到的的。为为了了克克服服这这些些困困难难，比比较较好好的的方方法法是是采采用用补补偿偿器器。因因为为任任何何位位置置的的椭椭圆圆可可认认为为是是由由两两个个互互相相垂垂直直的的振振动动在在位位相相差差 的的情情况况下下合合成成的的。要要使使这这种种椭椭圆圆偏偏振振光光变变成成平平面面偏偏振振光光，则则应应另另行行设设法法引引进进可可以以任任意意变变更更的的位位相相差差 作为补偿，目的是使作为补偿，目的是使 与与 ，的总和等于，的总和等于o o或或 。3、补偿器（2 2、巴俾涅补偿器、巴俾涅补偿器 由两块光轴互相垂直的楔形石英组成，上楔中由两块光轴互相垂直的楔形石英组成，上楔中o o光进入下光进入下楔，变为楔，变为e e光；光；分别是光在上楔和下楔通过厚度分别是光在上楔和下楔通过厚度缺缺点点：必必须须用用极极窄窄的的光光束束。对对于于宽宽光光束束，互互补补偿偿器器不不同同位位置置，位相差不同。位相差不同。（3 3、索列尔补偿器、索列尔补偿器上楔可以左、右移动，从而改变上楔可以左、右移动，从而改变d d1 1厚度，可以用宽光束。厚度，可以用宽光束。（2、巴俾涅补偿器p偏振光的干涉p人为双折射在应力无损检测中的应用偏振光的干涉END祝同学们顺利通过考试_END人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。人有了知识，就会具备各种分析能力，晶体的双折射现象讲解课件