1、1,19-4 晶体的双折射,一、双折射现象,一束光进入光学各向异性晶体(如方解石) 后产生两条折射光束的现象，称为双折射现象。,产生线偏振光的方法之三,方解石晶体（化学成分CaCo3)。 易裂开，形成的光滑表面-解理面。 其天然晶体外形呈平行六面体，每个面都是平行四边形。,2,折射率不随入射方向变化.,折射线在入射面内;,折射率随入射方向而变化.,折射线一般不在入射面内;,(ordinary light),(extraordinray light),当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转,3,若用偏振器检验：,o光和e光都是线偏振光,二.晶体的光轴、主截面、主平面,1 .光轴-晶体内
2、的一个特殊方向，光沿此方向传播时不发生双折射现象。,4,凡平行于此方向的直线 均为光轴。,注意： 光轴是一个特殊的方向。,云母、硫磺等,如方解石、石英、冰,仅讨论单轴晶体,单轴晶体,双轴晶体,5,由晶体光轴及晶体表面法线所构成的平面叫做晶体的主截面。,2.主截面,6,晶体中某光线和晶体光轴所决定的平面，叫做该光线的主平面。,3 . 主平面,注意：,o光与e光都有各自的主平面,o光 光振动垂直其主平面；（重要）,实验表明:,e光 光振动在其主平面内。（重要）,e光传播方向改变，其振动方向和光轴方向夹角也随之变化。,o光 光振动与光轴垂直。,e光 光振动与光轴共面。,7,一般情况下o光和e光这两个
3、主平面并不重合,8,当晶体光轴在入射面内时,选择合适的入射方向， 使入射面与主截面重合。,法线+光轴 -主截面,法线+入射线-入射面,C,o光,光振动垂直于它的主平面,e光,光振动在它的主平面内,两光振动 互相垂直,9,主要讨论此种特殊情况,10,三. 惠更斯原理在双折射现象中的应用用作图法确定单轴晶体中 o光和e光的传播方向 注意: 双折射的本质是,e光传播速度-各向异性,o光传播速度-各向同性,传播速度的各向异性,1. 两个实验结果：沿光轴方向 e光速度等于o光速度 即等于 vo垂直光轴方向 e光 与o光速度差别最大此方向e光的速度 记做 ve,11,定义 :,称 no ，ne 为晶体的主
4、折射率。,正晶体-,负晶体-,正晶体如石英、碳、冰.,负晶体如方解石、红宝石,2. 晶体的主折射率 正晶体与负晶体,1. 两个实验结果：沿光轴方向 e光速度等于o光速度 即等于 vo垂直光轴方向 e光 与o光速度差别最大此方向e光的速度 记做 ve,12,正晶体,负晶体,o光,晶体中的子波波面:,e光,e光,o光,13,负晶体,14,3. 用惠更斯作图法说明双折射现象,o光,晶体,（负晶体）,光轴在入射面内的情况,1）光轴与晶体表面有一夹角（平行光斜入射）,自然光,1,2,3,15,2）光轴与晶体表面有一夹角（正入射）,自然光,1,2,3,e光,o光,16,自 然 光,o光,e光,光轴,（负晶
5、体）,3）光轴与晶体表面垂直（正入射）,结论：,1,2,3,17,（负晶体）,4）光轴与晶体表面平行（正入射）,自 然 光,o光,e光,18,光轴,负晶体,e光,朝左看,看到的是,（斜入射）,（负晶体）,光轴垂直入射面并平行于晶面的情况,1,2,3,o光,19,o,e,晶体,e,vot,vet,o,e,ct,上述自然光斜入射，光轴垂直入射面并平行于晶面的情况,在这种特殊的情况下，对e 光也可以用折射定律。,1,2,20,例5 . 用方解石割成一个正三角形棱镜，其光轴与棱镜的棱边平行，亦即与棱镜的正三角形横截面垂直。如图所示。今有一束自然光入射于棱镜，为使棱镜内的 e 光折射线平行于棱镜的底边，
6、该入射光的入射角 i 应为多少？ 并在图中画出 o 光的光路。已知ne= 1.49 （主折射率）， no =1.66.,解：,本题对于 e 光仍满足折射定律,因 e 光在棱镜内折射线与底边平行，故,入射角,又,故 o 光折射角,21,22,四. 偏振棱镜,1）尼科尔棱镜（WNicol 1928年）,A,C,方解石,尼科耳棱镜的制作过程,尼科耳棱镜的制作过程,尼科耳棱镜的制作过程,尼科耳棱镜的制作过程,尼科耳棱镜的制作过程,涂上加拿大树胶,尼科耳棱镜的制作过程,29,方解石主截面,被涂黑的器壁吸收,对于o光,产生全反射,对于e光,可以透过，则获得偏振光。,不产生全反射,胶,胶,30,尼科耳棱镜可
7、用于起偏和检偏,31,由两块方解石直角棱镜组成 两棱镜的光轴相互垂直 棱镜1中o光进入棱镜2中时，变为e光；棱镜1中e光进入棱镜2时，变为o光,e光,o光,e光,o光,o光,e光,近法线,远法线,棱镜1,棱镜2,折射角小于入射角,折射角大于入射角,2）沃拉斯顿棱镜（Wollaston）,32,图 (b) : 光沿光轴传播时, 不发生双折射.e 光, o 光传播方向与传播速度相同.,图(c) 光轴平行于晶体表面时: e光, o 光传播方向相同,但速度不同;e 光振动方向平行于光轴, o 光振动方向垂直于光轴.,33,质点沿顺时针方向运动（右旋）,质点沿逆时针方向运动（左旋）,19-5 椭圆偏振光
8、和圆偏振光 偏振光的干涉,复习：两相互垂直的简谐运动的合成,-一般结果是椭圆,一.椭圆偏振光和圆偏振光,34,讨论:,直线运动,正椭圆,(2),(1),（两个同频率且相互垂直的线偏振光的合成）,（线偏振光）,（椭圆偏振光）,（圆偏振光）,35,二.波片（晶片）,线偏振光垂直入射到晶片上，经过 波片后，o光和e光产生光程差.,相位差:,1. 四分之一 波片（/4片）,晶片厚度满足,从单轴晶体切下来的厚度均匀的薄片，其表面与晶体的光轴平行。,波片:,光程差:,相位差:,(负晶体）,或,或,d,36,2. 二分之一 波片（/2片）,晶片厚度满足,三.椭圆偏振光和圆偏振光的产生,1/4波片,正椭圆偏振
9、光,圆偏振光,注意: /2波片 /4 波片 必须指明波长,相位差:,光程差:,振幅：,或,或,37,四.偏振光的干涉,干涉装置及干涉原理,两偏振片中间再放一波片（晶片）就构成偏振光干涉装置,1. 偏振片 p1 ： 产生线偏振光。,2. 波片:, 分振动面: 把入射的线偏振光分解为 o光和e光；, 相位延迟: o光和 e光出射波片时，产生位相差,3. 偏振片 p2 ：把从波片中出射的o光和 e光再引到同一方向上来。,38,故在 p1 、 p2 正交时,两相干光总的位相差,第二项：几何投影产生的附加相位差，与 p1 和 p2 的夹角有关。,经波片后:,经偏振片P2后:,干涉装置及干涉原理,39,当
10、,加强,减弱,k=1,2,.,或,加强,减弱,k = 1, 2, .,单色光入射若晶片厚度不均匀，视场出现干涉条纹；,白光入射 晶片厚度均匀，视场将出现一定的彩色-称为色偏振。,若晶片厚度均匀，干涉加强时最亮,反之最暗,并无干涉条纹,若晶片各处厚度不同，则视场中将出现彩色条纹。,现象观察,40,19-6 人工双折射 光弹效应和电光效应,一. 应力双折射（光弹效应）,偏振片2,有机玻璃模型,偏振片1,施压,应力双折射显示的偏振光干涉条纹,光弹图像,41,模型的光弹图象,钓钩的光弹图象,42,l,二.克尔效应（电光效应）（1875）,非晶体或液体在强外电场作用下产生的双折射现象。,盒内充某种液体
11、如硝基苯（C6H5NO2）,43,k 克尔常数 U 电压,主折射率之差与电场强度的关系是:,电压 U 变化，光程差 随之变化 ，从而使透过 p2 的 光强也随之变化。,克尔效应的响应时间极短，约为 10-9 s 应用: 制作电控光开关和光调制器, 用于高速摄影、光 速测距、激光通信和电视等装置中。,缺点：对硝基苯液体的纯度要求很高 （否则克尔常数下降，响应时间变长）、有毒、液体不便携带等。 近年来逐渐为某些具有电光效应的晶体所代替，如KDP晶体， （磷酸二氢钾（KH2PO4）。,44,对晶体:,振动面旋转角度 .,对液体:,晶体厚度 .,晶体的旋光率 .,溶液浓度 .,旋光率 .,19-7 旋
12、光现象,线偏振光通过某些透明物质时，其振动面将以光的传播方向为轴线转过一定的角度，这种现象叫旋光现象。,1. 晶体和溶液的旋光性,应用： 糖量计 测量糖溶液的浓度,45,2. 磁致旋光,l: 样品长度,B: 磁感应强度,V:费尔德常数,应用：光隔离器,可以消除反射光的 干扰。,令 = 45，,则 2 = 90，,反射光通不过P,玻璃，二氧化碳，汽油等 处于磁场中,46,小结： 偏振光的获得和检验,1. 偏振光的获得,1) 线偏振光：,2) 椭圆偏振光：,从自然光获得线偏振光，用起偏器、玻片堆、偏振片、尼科耳棱镜等。,自然光通过起偏器和一个波片即可。,2. 检验偏振光,设入射光有以下五种： 自然
13、光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。,47,第一步,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,结论,有消失,线偏振光,强度无变化,自然光或圆偏振光,强度有变化，但无消光,部分偏振光或椭圆偏振光,四分之一波片,偏振片（转动）,以入射光方向为轴,四分之一波片,偏振片（转动）,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）,48,例5. 厚 0.025mm 的方解石晶片，表面与光轴平行，放置在两正交偏振片之间。从第一块偏振片射出的线偏振光垂直入射在晶片上，振动方向与晶片光轴方向成 45o 角。试问在透过第二块偏振片的光可见光谱（400700nm) 中，缺少那些波长？如果两块偏振片的透振方向互相平行，则透射光中缺少那些波长？假定双折射率 no - ne =0.172 可看作常量。,透过 N 的两相干光位相差为 （2k+1)时相消，即,第一种情况：两偏振片 M 和 N 正交，晶片光轴C与 M, N透光轴成 45o 角，如图。,解：,49,满足上式的波长即在透射光中缺少的光波波长， 在400 700nm的可见光范围内，有：,50,第二种情况： M, N 平行,透过 N的两相干光相消时，有,在 400 700 nm 的可见光范围内：,
