晶體光學(xué)性質(zhì)地觀測分析報告林蘭鳳

1、晶體光學(xué)性質(zhì)的觀測分析學(xué)號：10329056 姓名：林蘭鳳班別：10光信息二班合作人：陳蕾清 實驗日期：2012/11/08, 2012/11/15一、實驗?zāi)康?. 熟悉單軸晶體光學(xué)性質(zhì)，晶體的消光現(xiàn)象，干涉色級序；2. 了解偏光顯微鏡原理及掌握其使用方法；3. 觀測晶體的類別，軸向和光性正負等過程，估計晶片光程差。二、實驗儀器XP-201型透射顯微鏡：光源，起偏鏡，聚光鏡，旋轉(zhuǎn)載物臺，物鏡，補償器插口，檢 偏鏡，勃氏鏡，目鏡。三、實驗原理（一）晶體雙折射、光率體。折射率與光的傳播方向及光矢振動方向有關(guān)的晶體稱為各向異性晶體。光通過各向異性晶體時會出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，并表現(xiàn)出偏振性質(zhì)。在各向異性晶

2、體中總是存在一個或兩個方向不會不會發(fā)生雙折射現(xiàn)象，稱為晶體的光軸。據(jù)此又可將晶體分為單軸晶跟雙軸晶。其中， 折射率不隨入射方向而改的成為o光或?qū)こ９?，折射率隨入射方向而改的成為e光或非尋常光。o、e光都是偏振光?？梢杂脦缀螆D形直觀地表示晶體中光波各矢量間的方向關(guān)系，及各傳播方向相對應(yīng)的光速或折射率在空間的取值分布， 這類圖形稱為晶體光學(xué)示性曲面。 光率體就是最常見的晶體 光學(xué)示性曲面，它是以主折射率為主值的橢球。單晶體中ne n°的稱為正光性單軸晶，反之稱為負光性單軸晶。止圖1單軸晶光率體的三種中心截面圖1給出了單軸晶光率體的三種中心截面。圓截面：垂直光軸的圓，半徑為n。；主截面：包

3、含光軸的橢圓截面，它的一個半徑為no，與光軸垂直，另一個半徑為 ne，與光軸平行。0光振動方向必垂直于主截面，e光的振動方向則平行主截面；任意截面：是一個橢圓，截面法向N與光軸成r角。（二）正交偏光干涉：在偏光顯微鏡中，當上下偏光鏡的振動面互相垂直時，稱為正交偏光鏡。如在正交偏光鏡間不放入任何介質(zhì)或放入各相同性晶體時，光線無法通過正交偏光鏡，所以視域是黑暗的；當放入各相異性晶體時，由于晶體雙折射效應(yīng)和晶片厚度、晶軸取向的不同而產(chǎn)生不同的干涉現(xiàn)象。圖2正交偏光鏡間的干涉現(xiàn)象由光學(xué)知識：如圖2所示：當在正交偏光鏡之間加入一各相異性晶體時，一束波長為入的光波經(jīng)正交偏光鏡和晶片后，會變成大小相等而振動

4、方向相反，頻率相同，位相差恒定的兩束光（。光和e光），它們滿足干涉條件，由平面波疊加原理，其合成光波振幅為:n22：si n2 d(ne "。)二(1)其合成光強："A"2® 一（2）由上式可以看出：正交偏光鏡干涉光強分布狀況與晶體軸向與起偏器夾角，厚度d ,雙折射率.'n及入射波長有關(guān)，Aoe為透過起偏器后的偏振光振幅。1單色光干涉對于單色光，當n,n =0,1,2川時，si n2：=0,即當晶體的軸向與正交偏光鏡其2中之一的偏振方向一致時，合成光強為0,視野全暗，此現(xiàn)象稱為消光現(xiàn)象，此時，晶片的位置稱為消光位置。當二（2n 1）n,n =0,

5、1,2,3|11時，si n2二1,，即當晶片的軸向4處于兩個偏光鏡的偏振方向中間時，合成光強最大，視野最亮。顯然，轉(zhuǎn)動晶片360°,會出現(xiàn)四暗、四明現(xiàn)象。當晶體的雙折射率 An不變時，厚道d變化，這相當于石英楔子的情況，不同厚度的光程差."： = d （ne -n。）也不相同，所以當石英楔子由薄至厚插入時，就會觀察到有規(guī)律 的明暗相間的干涉條紋。2、白光干涉用白光照明時，由于各色光波長范圍不同，所以對于某一個d值，不同色的光不可能同時達到相消或相長，干涉條紋是由光強不為零的各種單色光混合組合而成，稱為干涉色。干涉色隨著晶片厚度增加而出現(xiàn)有規(guī)律的變化，就是干涉色級序，大約每

6、560nm光程差劃分一個干涉色級序，通常可分為四個級序，光程差越大則干涉色級序越高。每個干涉色級序中，顏色的一次明顯改變稱為一個色序，各色序之間顏色是連續(xù)變化的。對于同一石英楔子， 波長越短，其明暗條紋間距亦越短。3 光程差補償原理如果在正交偏光鏡間放兩塊晶片，設(shè)光線通過晶片1和晶片2的光程差分別為 厶1和厶2 ,當兩晶片同名軸（快慢軸）平行時，則通過兩晶片的總光程差.: = M +二2，其干涉色比原來兩晶片單獨放入時的干涉色都高；當兩晶片異名軸平行時，則通過兩晶片的總光程差:=1 厶2 ,其干涉色比其中之一晶片單獨放入時的干涉色低。若兩晶片的光程差相等，則丄="I >2 =

7、0,此時兩晶片的光程差互相補償，視域全暗。上述光程差疊加和補償?shù)囊?guī)律稱為補色法則。若將晶片2換成石英楔子，且慢慢推入石英楔子，使：2逐漸增加。此時，如果晶片 1與石英楔子同名軸平行，總光程差厶是遞增的，導(dǎo)致干涉色逐漸升高；如果晶片 1與石英楔子異名軸平行，總光程差 厶是遞減的，導(dǎo)致干涉色逐漸降低。所以如果知道一個晶片快 慢軸方向知道，可以通過干涉色升降情況可以確定另一個晶片的快慢軸方向。還可以通過查表估算另一個晶片的光程差。（三）錐光干涉：在正交偏光鏡的條件下， 在光路中加入聚光鏡和勃氏鏡便構(gòu)成了錐光裝置。通過錐光裝置在視域中出現(xiàn)的干涉圖像稱為錐光干涉圖，它不是晶體本身的像， 而是錐形偏光通過

8、晶片后到達上偏光鏡所產(chǎn)生的干涉效應(yīng)的總和。:a；立體朝>.h）俯視圉圖3單軸晶垂直光軸切片錐光干涉圖當晶片為垂直光軸切片時， 如圖3所示，光錐中有一系列光通過晶片，每一條光在晶片中有兩個互相垂直的振動方向，它們的折射率分別為ne和no；包含在PP（或者AA面與光軸組成的面（主截面），非常光是在PP（或者AA面內(nèi)振動的，尋常光則是在垂直主截面的 面內(nèi)振動。因此通過晶片后光的偏振方向不會改變，都平行與下偏振片的偏振方向，與上偏視域中觀察到一個亮環(huán)。如果光源是白光，仍然可光鏡偏振方向垂直，不能通過上偏光鏡，因此在視域中平行 PP和AA方向就會產(chǎn)生一個黑十 字消光影。單色光的錐光干涉除了有黑十字

9、消光影之外，還有互相交替的亮圓環(huán)跟暗圓環(huán)。 這是因為不平行與 PP、AA方向的光在晶片中分解成兩互相垂直的偏振光。從光錐的軸愈向 外，光程差愈大。如果這個光程差為波長整數(shù)倍，就會產(chǎn)生相消干涉，視域中出現(xiàn)暗環(huán)；如 果是半波長的奇數(shù)倍，則產(chǎn)生相長干涉，以觀察到黑十字消光影。 不同的是原來的黑亮相間圓環(huán)變成交替出現(xiàn)的彩環(huán)可以利用垂直光軸晶片的錐光干涉來判斷和檢驗晶體光性正負。在垂直光軸切片的錐光干涉圖上，o光跟e光的振動方向如下圖 4所示。此時插入試板，觀察干涉圖中四個象限干涉色序的升降，根據(jù)消光原理判斷ne是快軸還是慢軸，從而確定待測樣品光性正負。升降升：r=<b）負光性圖4單軸晶體光性正負

10、的測定（三）晶體旋光性、埃利旋：當一束線偏振光通過某些物質(zhì)后，光的振動方向會隨著在物質(zhì)中的傳播距離增加而逐漸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象。 具有旋光性的物質(zhì)，稱為旋光物質(zhì)。旋光有左右旋之分, 因此旋光物質(zhì)也有左旋物質(zhì)和右旋物質(zhì)之分。對于旋光物質(zhì)而言，振動面旋轉(zhuǎn)的角度與通過旋光物質(zhì)厚度 d成正比，即? - . d其中，比例系數(shù)=稱為該旋光物質(zhì)的旋光率，它是一個與入射光波長有關(guān)的量。如在正交偏光鏡中加入左旋或者右旋石英片，當石英片厚度很薄時，干涉圖仍是黑的，一般不易觀察到偏光面的轉(zhuǎn)動。如果石英片厚度較大，干涉圖就不再是黑的了。 對于單色光，將分析鏡轉(zhuǎn)動一個角度，即可使干涉圖重新變黑。對于白色光，

11、當轉(zhuǎn)動分析鏡時會所發(fā)生顏色上變 化，對于左旋（或右旋）石英，當分析鏡逆時針轉(zhuǎn)動（或順時針轉(zhuǎn)動）時，晶體的顏色會由 綠色變藍色在變?yōu)樽仙?在聚斂光中，光軸干涉圖的中央部分會出現(xiàn)與正交偏光鏡相同的現(xiàn) 象。如果將相當厚度的右旋與左旋石英片疊置在一起，在聚斂光中可以看到特殊旋轉(zhuǎn)干涉圖，稱為埃利旋，其四臂或是右旋或是左旋，主要決定于是哪一晶片放在下面。右旋石英置于左旋石英之下，會觀察到右旋。左旋置于右旋石英之下，會觀察到左旋。所以可以利用埃利旋在晶片中識別由左旋和右旋兩種石英單體所構(gòu)成的雙晶。四、實驗內(nèi)容及現(xiàn)象記錄1仔細閱讀說明書，了解偏光顯微鏡的結(jié)構(gòu)及使用方法2, 校正儀器中心，即調(diào)節(jié)物鏡光軸與物臺

12、中心重合。選用低倍物鏡，載玻璃片上選一小黑點，并將小黑點轉(zhuǎn)制十字絲中心，轉(zhuǎn)動載物臺，如物鏡光軸與載物臺中心不重合，小黑點會繞一圓心轉(zhuǎn)動，此圓心即為載物臺中心，調(diào)節(jié)物鏡中心調(diào)節(jié)螺絲，氏物鏡中心移至載物臺中 心，反復(fù)重復(fù)調(diào)節(jié)直至小黑點不再轉(zhuǎn)動為止。實驗時間：2012/11/08 14:30實驗操作：校正儀器中心完畢3, 調(diào)整上下偏光鏡正交，并使目鏡十字絲與上下偏光鏡偏振方向平行；在正交偏光鏡條件下，將不同的晶體放在載物臺中心，緩緩移動載物臺一周，在目鏡中仔細觀察，準確，完整，簡練地描述和記錄你所觀察到地原始實驗現(xiàn)象。深刻理解什么是全消光，什么是四次消光； 并判斷給出地幾種未知樣品是各向同性質(zhì)還是各

13、向異性。實驗時間：2012/11/08 15:15實驗操作：1.觀察全消光現(xiàn)象及幾個晶片的消光現(xiàn)象，把看到的現(xiàn)象填入表格一中 載物臺上不放任何的晶片，調(diào)節(jié)起偏器及檢偏器，可以看到，當兩片偏振片偏振方向平 行時，通過目鏡上可以看到視場最亮；當兩片偏振片偏振方向垂直時，通過目鏡上可以 看到視場全暗。這就是全消光現(xiàn)象。 把A4晶片放在載物臺中心，緩慢旋轉(zhuǎn)載物臺一周，發(fā)現(xiàn)四明四暗現(xiàn)象，這就是四次消光。將最明、最暗時的轉(zhuǎn)過的角度填入表格一中。 同理，用B片替換A4晶片，重復(fù)以上操作，也觀察到四次消光現(xiàn)象。 用C片替換B片后，發(fā)現(xiàn)無論如何旋轉(zhuǎn)載物臺，視場的亮度都毫無變化。表格1觀察晶片的四次消光數(shù)據(jù)記錄A

14、1晶片載物臺轉(zhuǎn)過的角度/ °54.098.8142.8188.0234.0279.0323.59.0明暗變化明暗明暗明暗明暗角度變化/ °44.844.045.246.045.044.545.545.0B晶片載物臺轉(zhuǎn)過的角度/ °17.062.0108.0152.0195.0241.0288.0332.0明暗變化暗明暗明暗明暗明角度變化/ °45.046.044.043.046.047.044.045.0C晶片明暗無變化表格2 :觀察晶片的四次消光現(xiàn)象記錄晶片樣品異同性現(xiàn)象A1晶片各向異性隨晶片轉(zhuǎn)動一周，目鏡中互明互暗交替四次，明亮呈綠色B晶片各向異性隨

15、晶片轉(zhuǎn)動一周，目鏡中互明互暗交替四次，明亮呈淡黃色C晶片各向同性一片黑暗，轉(zhuǎn)動晶片無色彩變化實驗分析:上下偏振片偏振方向正交，所以不加晶片的時候，視場全暗。但是加入晶片之后，改變了偏振方向，對于單色光，當a=0, n /2 , n,時，Sin2 a = 0,即當晶體的軸向與正交偏光鏡其中之一的偏振方向一致時，合成光強為0,視野全暗，出現(xiàn)消光現(xiàn)象，此時，晶片的位置為消光位置。當a = n /4 , 3n /4 , 5 n /4，時，Sin2 a=± 1即當晶片的軸向處于 兩個偏光鏡的偏振方向中間時，合成光強最大，視野最亮。因此，轉(zhuǎn)動晶片一周，出現(xiàn)四暗、四明現(xiàn)象。所以實驗時會發(fā)現(xiàn)晶片轉(zhuǎn)到

16、某些地方的時候，偏振光完全經(jīng)過上偏振片；轉(zhuǎn)到某些地方的時候，偏振光完全正交偏振片，消光。通過角度變化的對比，可以看出，角度變化 大概是45°，符合四次消光原理。 判斷晶片是各向同性還是各向異性：因為A4及B晶片隨著光軸轉(zhuǎn)動的角度變化而產(chǎn)生明暗變化，所以是各向異性晶體；C晶片則沒有明暗變化，所以是各向同性晶體。4, 對已檢出地各向異性晶片，用一級紅插片判別其慢光方向，并估計其光程差，說明判斷依據(jù)。正交偏光鏡成 45度的位置，然后在試片孔中緩緩插入石英楔子，記錄視域中出現(xiàn)得干涉色，查閱表，根據(jù)其色序升降確定樣品得慢光振動方向。同理可對斜切和平切片進行上述操作，有余力的同學(xué)還可以對垂直切片

17、進行觀測，看看能得出什么結(jié)果。實驗時間：2012/11/08 15:45實驗操作： 將一級紅插片插入補償器插口，可以觀察到視場的顏色變成了紫紅色。 將A1晶片放在載物臺中心，緩慢轉(zhuǎn)動載物臺，發(fā)現(xiàn)視場的顏色大概在干涉級序I的下半部分及II的上半部分，具體顏色為橙色與綠色之間。表格3:晶片與一級紅插片疊加后的現(xiàn)象A1晶片角度/ °75165顏色藍綠淡黃波長/nm760375B晶片角度/ °23113顏色淡黃藍綠波長/nm360720插入一級紅插片由光程差補償原理可知:=AH 二1* =2 ， AL = 2- 11九L ,2A1晶片快光與慢光方向如下坐標圖所示:11同名軸：角AH

18、 al760 375i； = 567.5nm221 .1異名軸：2AH - AL(760 - 375) = 192. 5nmB晶片快光與慢光方向如下坐標圖所示:11同名軸：匚 1ah 亠、al720 360 = 540nm221異名軸：二2AH -八AL2720 一 360) = 180nm實驗分析:我們知道，已知一級紅插片的快軸，禾U用光程差補償原理：同名軸平行，光程差最大， 干涉色最高；異名軸平行，光程差最小，干涉色最低。所以只需要直接找到干涉周期中干涉色最高與最低的顏色，然后對比干涉色表找出兩片晶片的光程差，即可計算出兩片晶片分別的光程差。由于看到B晶片的干涉色最高、最低，跟A1晶片相比

19、，顏色幾乎一樣，所以兩片晶片的光程差一樣。5, 錐光干涉光測：光路中加入錐光鏡和勃氏鏡，仔細觀察晶片得錐光干涉圖，然后轉(zhuǎn)動載 物臺，觀測圖形得變化。對各種樣品都進行觀察和記錄，找出這些干涉圖得相同點和不同點。有余力的同學(xué)，可以換用高倍物鏡重復(fù)上述操作，但必須重新校正物鏡中心。 鑒定光性正負：依據(jù)實驗原理所提供得方法，確定所有垂直切片得光性正負，鑒定斜切樣品得光性正負。實驗時間：2012/11/15 14:35實驗步驟： 調(diào)整上下偏振片，使其正交偏振，把錐光鏡插入顯微鏡光路中，把LN晶片放到載物臺上， 可以看到視場中有一個巨大的十字黑交叉，沿半徑向外，黑色交叉的寬度越來越大。其他地方則出現(xiàn)白光彩

20、色干涉條紋。 慢速旋轉(zhuǎn)載物臺，圖像不發(fā)生變化。 插入石英楔子插片，可見圖像的一三象限干涉色序降低，二四象限干澀色序升高；一三象限干涉彩環(huán)向外擴張，二四象限干涉向內(nèi)收縮；實驗分析：因為錐光鏡是中心聚焦的，而且LN晶片的光軸是Z軸，即平行于光路方向，所以旋轉(zhuǎn)載物臺不會影響干涉的分布，即圖像不變化。根據(jù)快慢軸同異名，可以判斷出LN晶片為負光性KNSBN片：加入勃氏鏡看到的錐光圖案與LN片的圖案相似，中間出現(xiàn)黑色消光十字，十字周圍出現(xiàn)明暗彩色條紋，轉(zhuǎn)動載物臺條紋無變化。插入石英楔子，條紋在第一、三象限不斷擴張，在第二、四象限不斷收縮；抽出石英楔子，條紋在第一、三象限不斷收縮，在第二、四象限不斷擴張；由

21、此判斷KNSBN片為負光性。大方石英片：觀察大方石英片的錐光干涉圖案，可看到彩色條紋，但看不到黑十字，中心有黃白亮斑。緩慢插入石英楔子，觀察到一、三象限干涉色序升高，干涉條紋向內(nèi)收縮，由此可判斷大方石英片為正光性。小圓石英片：小圓石英片的錐光干涉圖案與大方石英片的圖案相似，但小圓石英片的顏色更明亮，條紋變化更明顯。緩慢插入石英楔子，觀察到一、三象限干涉色序升高， 干涉條紋向內(nèi)收縮，由此可判斷小圓石英片為正光性。片：未插入一級紅插片時圖案沒有出現(xiàn)彩色條紋，只有黑十字，視野一片白色，緩慢插入一級紅插片后，觀察到一、三象限干涉色序列升高，故片為正光性。6, 禾U用觀察埃利旋轉(zhuǎn)向得方法，判斷方和圓兩片

22、石英得旋光性質(zhì)。實驗時間：2012/11/15 15:00實驗步驟： 把小圓石英片和大方石英片疊加，小圓石英片在大方石英片下方，放到載物臺上，通過顯微鏡目鏡可以看到圖 5圖像。 把大方石英片放在小圓石英片下方，再放到載物臺上，通過顯微鏡目鏡可以看到圖6圖像。圖5 :小圓石英片置于大方石英片下圖6:大方石英片置于小圓石英片下實驗分析：出現(xiàn)以上現(xiàn)象是因為晶體的旋光性特性，以上的圖像稱為埃利旋。 分析可知，小圓石英片是右旋石英，而大方石英片是左旋石英。思考與討論1. 對于觀察者來說，觀察消光現(xiàn)象和觀察錐光干涉圖時，分別注重觀察什么內(nèi)容？答：觀察消光現(xiàn)象時，應(yīng)該注重觀察視場中亮度的變化，要確保視域能出現(xiàn)全黑，這個是保證兩個偏光鏡正交的基準； 觀察錐光干涉的時候， 應(yīng)該注重觀察中間十字黑叉和彩色干 涉環(huán)。2. 實際觀察到的消光現(xiàn)象與你設(shè)想的有哪些不同？如何解釋 ？答：實際觀察到的視場在完全消光的情況下并不是像理論上那要完全黑暗，仍然有十分微弱的光出現(xiàn)；其原因是上下偏振片的偏振方向并不完全垂直，而且上下偏振片方向刻度的不完全準確。3. 觀察消色時，你看到的顏色可能沒有列表中的那么豐富，為什么？此時你該如何應(yīng)用消色法則？答：原因是實驗中使用的是自然白光，所以干涉顏色有限；肉眼的對顏色的分辨能力有限，對一些近似的顏色不能完全分辨；