晶体的自然双折射课件

第九章第九章 晶体的自然双折射晶体的自然双折射光在晶体中的传播光在晶体中的传播 双折射双折射 9.2 9.2 光在晶体中的传播光在晶体中的传播, , 双折射双折射一、双折射的概念一、双折射的概念1.双折射现象双折射现象n1n2irore(各向异性媒质各向异性媒质) 自然光自然光o光光e光光光学性质随方向而异的晶体光学性质随方向而异的晶体o光和光和e光在晶体中具有不同的传播速度。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；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。光在晶体中的传播速度随方向而改变。Polarized light produced by double refraction ：双折射双折射(double refraction)：一束入射光经一束入射光经各向异性介质各向异性介质，常有，常有 分解为分解为两束折射光的两束折射光的现象，称双折现象，称双折射。射。 2.2.寻常光（寻常光（o o光光) )和非寻常光（和非寻常光（e e光）光） （都是线偏振光）（都是线偏振光）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。（ordinary rayordinary ray）(extraordinary ray(extraordinary ray）象象折射现折射现o光光方解石晶体方解石晶体CaCO3双双e光光纸面纸面折射现折射现光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体e o光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体光光 光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体3. 3. 晶体的光轴晶体的光轴(optical axis)(optical axis)： 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不发生双折射，发生双折射，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AB光轴光轴102 光轴是一特殊的方向光轴是一特殊的方向, ,凡平凡平行于此方向的直线均为光轴。行于此方向的直线均为光轴。单轴晶体：单轴晶体：只有一个光轴的晶体只有一个光轴的晶体双轴晶体：双轴晶体：有两个光轴的晶体有两个光轴的晶体方解石方解石的光轴 通过A A或B 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对于严格等棱长的方解石菱体，即石菱体，即ABAB连线方向）连线方向）与此平行通过晶体的直线都是光轴方向，常用表示续上4. 4. 主平面和主截面主平面和主截面主平面主平面：晶体中光的传播方向与晶体晶体中光的传播方向与晶体 光轴构成的平面。光轴构成的平面。e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面o光光光轴光轴o光的光的主平面主平面o光光的的振动方向垂直于振动方向垂直于o光的主平面；光的主平面；e光光的的振动方向平行于振动方向平行于e光的主平面。光的主平面。主主平面：平面：包含晶体光轴和光线的平面。包含晶体光轴和光线的平面。主截面主截面：晶体表面的法线与晶体光晶体表面的法线与晶体光 轴构成的平面。轴构成的平面。二二. . 晶体的主折射率，正晶体、负晶体晶体的主折射率，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光的传播速度也不同，沿沿晶体光轴晶体光轴方向方向o o光光和和e e光的光的传播速度传播速度相同相同。vo t光轴光轴光轴光轴ve tvo to光光: :00 cn e光光: :ec en n0 0 ，ne称为称为晶体的主折射率晶体的主折射率 正晶体正晶体 : : ne no负晶体负晶体 : : n ne e n no ovo tve t光轴光轴 负晶体负晶体 (vo ve) ( ( e o o) ) 2222222cossineoeoennnnn 惠更斯原理：惠更斯原理： 媒质中波动到达的各个点都可以媒质中波动到达的各个点都可以看作是看作是新的波源新的波源，向各个方向发出，向各个方向发出子波。在任一时刻这些子波的包迹子波。在任一时刻这些子波的包迹就是就是新的波阵面新的波阵面。单轴晶体中光传播的惠更斯作图法单轴晶体中光传播的惠更斯作图法( ( e e o o) )1. 1. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射光轴平行晶体表面，自然光垂直入射 e o e o光轴光轴晶体晶体 o o光和光和e e光光在方向上虽没分开，但速度上是在方向上虽没分开，但速度上是分开的。分开的。产生双折射产生双折射现象。现象。2. 2. 光轴平行晶体表面，且垂直入射面，光轴平行晶体表面，且垂直入射面， 自然光斜入射自然光斜入射晶体晶体 光轴光轴ir0reo ot e eteo ect在此特殊情况下，在此特殊情况下，o光、光、e光均满足折射定律。光均满足折射定律。nrooci0sinsin nreeeci sinsin3. 3. 光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射o e晶体晶体光轴光轴 e方解石方解石光轴光轴o eo此时此时e光的波面不再与其波射线垂直了光的波面不再与其波射线垂直了 9.3 9.3 圆和椭圆偏振光圆和椭圆偏振光一、一、 晶晶( (波波) )片片相位延迟片相位延迟片晶片晶片是光轴平行表面的晶体薄片。是光轴平行表面的晶体薄片。ydxAAoAe 线偏振光线偏振光光轴光轴AAoAe 光轴光轴P 通过厚为通过厚为d的晶片，的晶片，o、e光产生相位差：光产生相位差： 振幅关系振幅关系从晶片出射的是从晶片出射的是两束传播方两束传播方向向相同、振动方相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差向相互垂直、频率相等、相位差 的线偏振的线偏振光，它们合成为一束光，它们合成为一束椭圆偏振光椭圆偏振光。,4 23,2时为圆偏振光时为圆偏振光 二、二、 波（晶）片分类波（晶）片分类 1. 1. 四分之一波片四分之一波片2, 1, 041 mmdnnoe从线偏振光获得椭圆或圆偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）（或相反）240 ， 4 线偏振光线偏振光圆偏振光圆偏振光2 , 0 线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光2. 2. 二分之一波片二分之一波片使线偏振光振动面转过使线偏振光振动面转过2 2 角度角度 A0入入A0出出A入入A出出Ae入入= Ae出出光轴光轴三、三、 椭圆与圆偏振光的检偏椭圆与圆偏振光的检偏 用四分之一波片和偏振片用四分之一波片和偏振片P P 可区分出自然可区分出自然光和圆偏振光或部分偏振光和椭圆偏振光。光和圆偏振光或部分偏振光和椭圆偏振光。 自然光自然光在晶体（在晶体（波片波片）内产生的）内产生的o o光和光和e e光光虽然同频率且振动方向相互垂直，但它们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，这样的光不能合成之间无固定的位相差，这样的光不能合成椭椭圆偏振光圆偏振光。10122eodmmn n、 、 四分之一波片四分之一波片圆偏振光圆偏振光自然光自然光自然光自然光线偏振光线偏振光 偏振片（转动）偏振片（转动）线偏振光线偏振光 I不变不变线偏振光线偏振光I变变, 有消光有消光以入射光方向为轴以入射光方向为轴 四分之一波片四分之一波片椭圆偏振光椭圆偏振光部分偏振光部分偏振光线偏振光线偏振光 偏振片（转动）偏振片（转动）线偏振光线偏振光I变变, 有消光有消光 部分部分偏振光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光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置线偏振光线偏振光I变变, 无消光无消光1) 各种光通过检偏器后强度的变化：各种光通过检偏器后强度的变化：X,(p)A1yA2X,(p)yX,(p)Axy透光轴与椭圆透光轴与椭圆长轴平行：长轴平行：透光轴与椭圆透光轴与椭圆短轴平行：短轴平行：透光轴与椭圆主轴透光轴与椭圆主轴处于任意倾斜位置：处于任意倾斜位置： 检验偏振光检验偏振光自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。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椭圆偏振光通过检偏器后强度的变化结论结论: 若入射光是椭圆偏振光，转动检偏器的透光方向时，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透射光的强度将在极大值及极小值及极小值之间变化，但无消光。之间变化，但无消光。部分偏振光亦如此。部分偏振光亦如此。2）各种偏振光经过）各种偏振光经过 1/4 波片后的偏振状态波片后的偏振状态B) 若入射光是圆偏振光，转动检偏器的透光方向时，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。透射光的强度不变。自然光亦如此。自然光亦如此。入射线偏振光分解为：入射线偏振光分解为：cossineoAAAAe 轴或轴或 o 轴与偏振方向成轴与偏振方向成 45o 角时，透射光为圆偏振光；角时，透射光为圆偏振光； e 轴或轴或 o 轴与偏振方向一致时，透射光为线偏振光；轴与偏振方向一致时，透射光为线偏振光； e 轴或轴或 o 轴与偏振方向其他位置时，透射光为椭圆偏振光。轴与偏振方向其他位置时，透射光为椭圆偏振光。 45oeoAeAo0入A45oeAooAeeoAoAeA) 线偏振光通过线偏振光通过 1/4 波片：波片：B) 椭圆偏振光通过椭圆偏振光通过 1/4 波片：波片：eoeoe轴或轴或o轴与椭圆主轴方向一致，轴与椭圆主轴方向一致， 经经1/4波片后，出射光为线偏振光；波片后，出射光为线偏振光；e轴或轴或o轴与椭圆主轴方向不一致，轴与椭圆主轴方向不一致， 经经1/4 波片后，出射光则仍为椭圆偏振光；波片后，出射光则仍为椭圆偏振光；C) 圆偏振光通过圆偏振光通过 1/4 波片是线偏振光。波片是线偏振光。D) 自然光，部分偏振光经过自然光，部分偏振光经过1/4 波片后波片后 仍是自然光和部分偏振光。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各种偏振光经过四分之一波片后偏振态的变化入射光入射光片片 位位 置置出出 射射 光光线偏振光线偏振光e或或o轴与偏振方向一致轴与偏振方向一致线偏振线偏振e或或o轴与偏振方向成轴与偏振方向成45o角角圆偏振圆偏振其他位置其他位置椭圆偏振椭圆偏振圆偏振光圆偏振光任意位置任意位置线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光e轴与轴与o轴与椭圆主轴一致轴与椭圆主轴一致线偏振光线偏振光其他位置其他位置椭圆偏振光椭圆偏振光第一步第一步第二步第二步令入射光通过偏振片令入射光通过偏振片I ，改变改变 I 的透振方向，观的透振方向，观察透射光强变化。察透射光强变化。观察现象观察现象观察现象观察现象结论结论结论结论有消失有消失线偏振光线偏振光有消失有消失圆偏振光圆偏振光无消失无消失自然光自然光强度无变化强度无变化自然光或圆偏振光自然光或圆偏振光a. 令入射光依次通过令入射光依次通过四分之一四分之一 波片和偏振波片和偏振片片II，改变改变 II的透振方的透振方向向P2，观察透光强度变观察透光强度变化化。有消失有消失无消失无消失椭圆偏振光椭圆偏振光 部分偏振光部分偏振光强度有变化，但无消光强度有变化，但无消光部分偏振光或椭圆偏振光部分偏振光或椭圆偏振光b. 四分之一波片的光轴方向四分之一波片的光轴方向必须与第一步必须与第一步 I 片产生强度片产生强度极大或极小透振方向重合。极大或极小透振方向重合。四、偏振棱镜四、偏振棱镜偏光镜偏光镜: : 格兰格兰汤姆森棱镜汤姆森棱镜偏光分束镜偏光分束镜 : :渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜 光轴光轴光轴光轴方解石方解石方解石方解石加拿大树胶加拿大树胶 (n = 1.55)oe吸收涂层吸收涂层i光轴的取向使光轴的取向使o光、光、e光对应的恰是光对应的恰是no、 ne 。no (1.6584)n (1.55)ne(1.4864)12方解石方解石方解石方解石 oe光轴光轴光轴光轴方解石方解石 n0ne9.4 9.4 产生线偏振光的元件产生线偏振光的元件一、双折射产生线偏振光的元件一、双折射产生线偏振光的元件1尼科尔棱镜尼科尔棱镜 Nicol prism2 2渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜两块直角方解石光轴相互垂直，如图：两块直角方解石光轴相互垂直，如图：光从光密到光疏光从光密到光疏折射光要偏离法线折射光要偏离法线A AB BD De eO OC CO O e e光从光疏到光密光从光疏到光密折射光要靠近法线折射光要靠近法线C Ce eO OA AB BD DC CO OA AB BD De eProblem: 在在DCB中中e 光是否满足折射定律？光是否满足折射定律？e eO OC C o oA AB BD De eO OC C o oA AB BD D3. 格兰偏光棱镜格兰偏光棱镜方解石方解石临界角：临界角：特点：调整光路方便特点：调整光路方便 二、二、 晶体二向色性晶体二向色性产生线偏振光的元件产生线偏振光的元件某些晶体对某些晶体对o光和光和e光的吸收有很大差异，这叫光的吸收有很大差异，这叫晶体的晶体的二向色性二向色性（电气石）（电气石）电气石电气石 光轴光轴e光光可产生线偏振光可产生线偏振光晶体的二向色性晶体的二向色性1.二向色性二向色性晶体晶体二、人造偏振片二、人造偏振片 聚乙烯醇薄膜聚乙烯醇薄膜 在高温下拉伸，在碘溶液中浸泡后，具有二向色性。在高温下拉伸，在碘溶液中浸泡后，具有二向色性。然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片。然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片。机理：机理： 碘附着在直线形长链聚合分子上，形成一条碘链，碘附着在直线形长链聚合分子上，形成一条碘链，碘中所含的传导电子可以沿着链运动。当自然光射入后，碘中所含的传导电子可以沿着链运动。当自然光射入后，光矢量平行于链的分量对电子作功而被强烈吸收。只有光矢量平行于链的分量对电子作功而被强烈吸收。只有光矢量垂直于链的分量可以通过。光矢量垂直于链的分量可以通过。透振方向垂直于膜的拉伸方向。透振方向垂直于膜的拉伸方向。起偏器起偏器检偏器检偏器偏振片偏振片再再 见见