晶體的雙折射現象

1、晶體的雙折射現象光學器件最常用的透明固體介質材料：晶體和非晶體光學器件最常用的透明固體介質材料：晶體和非晶體 晶體：晶體：內在結構長程有序的固體，其內在結構長程有序的固體，其原子（離子或分子）在空間排列上原子（離子或分子）在空間排列上具有一定的規(guī)則性具有一定的規(guī)則性，生長良好的單晶體具有規(guī)則的幾何外形，生長良好的單晶體具有規(guī)則的幾何外形。 天然晶體礦天然晶體礦(b) 石英晶體石英晶體(a) 方解石晶體方解石晶體自然界中存在的七大晶系（按晶體的空間對稱性分類）：自然界中存在的七大晶系（按晶體的空間對稱性分類）： 立方晶系；正方（四方，四角）晶系；六角（六方）晶系；三角（三立方晶系；正方（四方，四

2、角）晶系；六角（六方）晶系；三角（三方）晶系；正交（斜方）晶系；單斜晶系；三斜晶系。方）晶系；正交（斜方）晶系；單斜晶系；三斜晶系。 說明：說明：非晶態(tài)：非晶態(tài)：如玻璃、熔融石英等，一般如玻璃、熔融石英等，一般不具有長程有序的內在結構不具有長程有序的內在結構，并且由于，并且由于其原子或分子的熱運動以及在空間排列上的隨機性，其光學性質一其原子或分子的熱運動以及在空間排列上的隨機性，其光學性質一般在宏觀上呈現出般在宏觀上呈現出各向同性各向同性。 v 除除立方晶系的單晶體具有空間各向同性的光學性質立方晶系的單晶體具有空間各向同性的光學性質外，一般單晶體的光外，一般單晶體的光學性質均具有學性質均具有空

3、間上的空間上的各向異性各向異性。v 在一定的外界物理場（如機械或熱應力、電場、磁場等）作用下，某些在一定的外界物理場（如機械或熱應力、電場、磁場等）作用下，某些非晶態(tài)介質（甚至立方晶晶體）會在宏觀上由各向同性轉變?yōu)楦飨虍愋?。非晶態(tài)介質（甚至立方晶晶體）會在宏觀上由各向同性轉變?yōu)楦飨虍愋?。這種場致各向異性與晶體的自然各向異性具有類似的特點。這種場致各向異性與晶體的自然各向異性具有類似的特點。 石英：石英：光軸光軸(b) 石英晶體石英晶體102o102o78o78o光軸光軸102o102o(a) 方解石晶體方解石晶體圖圖 晶體的解理面形式晶體的解理面形式最常用的兩種各向異性晶體最常用的兩種各向異性

4、晶體又稱冰洲石，屬六角晶系晶體，其又稱冰洲石，屬六角晶系晶體，其化學成分為化學成分為碳酸鈣碳酸鈣（CaCO3），結構上），結構上易解理成菱體（斜六面體），易解理成菱體（斜六面體），菱面的銳菱面的銳角為角為78o08，鈍角為，鈍角為101o52。純質的方。純質的方解石晶體呈無色透明狀，且在天然狀態(tài)解石晶體呈無色透明狀，且在天然狀態(tài)下可以形成較大尺寸，是制造偏振光學下可以形成較大尺寸，是制造偏振光學器件的重要材料之一。器件的重要材料之一。 又稱水晶，屬三角晶系晶體，其化學成分為又稱水晶，屬三角晶系晶體，其化學成分為二氧化硅二氧化硅（SiO2），結構，結構上易解理成角錐狀。純質的石英晶體呈無色透明狀

5、，因而也是制造偏振光上易解理成角錐狀。純質的石英晶體呈無色透明狀，因而也是制造偏振光學器件的重要材料之一。學器件的重要材料之一。 方解石：方解石：光光玻璃玻璃光光玻璃玻璃光光玻璃玻璃光光玻璃玻璃光光玻璃玻璃光光玻璃玻璃光光玻璃玻璃光光玻璃玻璃光光玻璃玻璃光光光光方解石方解石 晶體晶體光光光光方解石方解石 晶體晶體方解石方解石 晶體晶體光光光光方解石方解石 晶體晶體光光光光方解石方解石 晶體晶體光光光光方解石方解石 晶體晶體光光光光方解石方解石 晶體晶體光光光光方解石方解石 晶體晶體光光光光方解石方解石 晶體晶體光光光光方解石方解石 晶體晶體光光光光方解石方解石 晶體晶體光光光光方解石方解石 晶

6、體晶體光光光光方解石方解石 晶體晶體光光光光方解石方解石 晶體晶體光光 光光方解石方解石 晶體晶體光光光光方解石方解石 晶體晶體光光光光方解石方解石 晶體晶體光光光光方解石方解石 晶體晶體光光光光方解石方解石 晶體晶體1、放玻璃板時看到一個字。、放玻璃板時看到一個字。 玻璃是各向同性介質。玻璃是各向同性介質。 光射到各向同性介質的表面時它將按折射定光射到各向同性介質的表面時它將按折射定律向某一方向折射，這是一般常見的折射現象。律向某一方向折射，這是一般常見的折射現象。2、放方解石晶體時看到兩個字？、放方解石晶體時看到兩個字？ 方解石是各向異性晶體，一束光射到各向方解石是各向異性晶體，一束光射到

7、各向異性介質中時，折射光將分為兩束。異性介質中時，折射光將分為兩束。一一. . 雙折射的概念雙折射的概念1. .雙折射現象雙折射現象一束光線進入某種晶體，產生兩束折射光叫雙折射一束光線進入某種晶體，產生兩束折射光叫雙折射. 方解石方解石oee o n1n2irore(各向異各向異性媒質性媒質)自然光自然光o光光e光光2. .尋常光尋常光( (o光光) )和非尋常光和非尋常光( (e光光) )o o光光 : : 遵從折射定律遵從折射定律orninsinsin21 e e光光 : : 一般不遵從折射定律一般不遵從折射定律constsinsin erie e光折射線也不一定在入射面內光折射線也不一定

8、在入射面內. .o o光與e e光均為線偏振光3. . 晶體的光軸晶體的光軸 當光在晶體內沿某個特殊方向傳播時當光在晶體內沿某個特殊方向傳播時不發(fā)生雙不發(fā)生雙折射折射，該方向稱為晶體的，該方向稱為晶體的光軸。光軸。例如，方解石晶體例如，方解石晶體( (冰洲石冰洲石) )光軸是一特殊的方向光軸是一特殊的方向, ,凡平行于此凡平行于此方向的直線均為光軸方向的直線均為光軸. .AB光軸光軸102單軸晶體：只有一個光軸的晶體。如方解石、石英、 紅寶石等。雙軸晶體：包含兩個光軸的晶體。如云母、藍寶石、 結晶硫磺等。主截面：包含晶體光軸與界面法線的平面主截面：包含晶體光軸與界面法線的平面 主平面：包含光軸

9、及所考察光線的平面主平面：包含光軸及所考察光線的平面 說明：說明：主截面的方位由晶體自身特性決定，且始終垂直于晶體的表面；主截面的方位由晶體自身特性決定，且始終垂直于晶體的表面； 一般情況下一般情況下, , o主平面與主平面與e主平面是不重合的。主平面是不重合的。4 4 單軸晶體中的主截面與主平面單軸晶體中的主截面與主平面法法線線主平面主平面主平面主平面光軸光軸主主截截面面自然光自然光晶體晶體主截面與主平面主截面與主平面光軸光軸光軸光軸e e光是光矢量與光是光矢量與e e主平面平行的線偏振光主平面平行的線偏振光. .當光軸在入射面內時，主截面、當光軸在入射面內時，主截面、o主平面、主平面、e主

10、平面都重合。主平面都重合。o光光法線法線e光光法線法線o光光e光光實驗表明實驗表明:o光是光矢量與光是光矢量與o主平面垂直的線偏振光主平面垂直的線偏振光.在單軸晶體中，o光子波的波面為球面，因而沿各個方向的傳播速度相等；e光子波的波面為旋轉橢球面，因而沿各個方向的傳播速度不相等；兩個波面在晶體的光軸方向相切，因而任何子波沿光軸方向的傳播速度相同，不發(fā)生雙折射現象。 p 雙折射現象的理論解釋雙折射現象的理論解釋單軸晶體中的波面單軸晶體中的波面惠更斯假設惠更斯假設 (a) 正晶體正晶體光軸光軸vove(b) 負晶體負晶體光軸光軸vevo 正晶體正晶體 : : ne no負晶體負晶體 : : ne

11、e ve) 負晶體負晶體 (vo ve ) 子波源子波源( (ve vo o) )e光光: :ec eenn0 0 ，ne稱為晶體的主折射率稱為晶體的主折射率cooon正晶體正晶體evv 0負晶體負晶體evv 0 幾點說明：1、以上討論的是自然光入射情形，雙折射總是存在的；2、若入射的光是線偏振光，當偏振方向垂直入射面，則在晶體中只能引起o光的次波波面，折射光只有o光；3、若入射的光是線偏振光，當偏振方向在入射面內，則在晶體中只能引起e光的次波波面，折射光只有e光；4、當入射線偏振光的振動方向為斜向時，才有雙折射；雙折射的兩束光的強度按振幅分解來計算；5、可利用晶體的雙折射現象獲得線偏振光。一

12、一. .尼科耳棱鏡尼科耳棱鏡ABCD102A(D)B(C)由方解石切由方解石切割再用樹膠割再用樹膠粘合而成粘合而成.尼科耳棱鏡工作原理尼科耳棱鏡工作原理:自然光在自然光在AB面折射為面折射為o光和光和e光，光，o光以約光以約76入射到入射到AC的加拿大樹膠層上的加拿大樹膠層上. 被被AC面全反射，只有面全反射，只有e光出射，產生偏振光光出射，產生偏振光.p 獲得線偏振光的器件獲得線偏振光的器件偏振棱鏡偏振棱鏡o光光: 69658.1551.190sinsin00innio而而i =76 69，全反射全反射. .二、渥拉斯頓棱鏡：二、渥拉斯頓棱鏡：將兩個直角的方解石棱鏡沿斜邊膠合起來。將兩個直角

13、的方解石棱鏡沿斜邊膠合起來。AB光在第一棱鏡中不分開，但光線垂直于光軸，因而兩束光傳播光在第一棱鏡中不分開，但光線垂直于光軸，因而兩束光傳播速度不同。第二棱鏡的光軸垂直于第一棱鏡，所以第一棱鏡中速度不同。第二棱鏡的光軸垂直于第一棱鏡，所以第一棱鏡中的的E光為第二棱鏡中的光為第二棱鏡中的O光，由于光，由于neno，相當于光由光疏介質，相當于光由光疏介質入射光密介質，折射線近法線；入射光密介質，折射線近法線；而第一棱鏡的而第一棱鏡的O光為第二棱鏡光為第二棱鏡中的中的e光，相當于光由光密介光，相當于光由光密介質入射光疏介質，折射線遠質入射光疏介質，折射線遠離法線，如圖所示。離法線，如圖所示。三、格蘭

14、三、格蘭湯普森棱鏡：湯普森棱鏡：將兩個直角的方解石棱鏡沿斜邊將兩個直角的方解石棱鏡沿斜邊膠合起來。其中第一棱鏡內的膠合起來。其中第一棱鏡內的o光在膠合面處發(fā)生全反射。光在膠合面處發(fā)生全反射。思考：如何檢測各類偏振光？檢偏器可以檢測出所有偏振態(tài)嗎？如何將橢圓偏振光和圓偏光分別從部分偏振光和自然光中分離出來？p 波片波片，是由晶體制成的有準確厚度的薄片，也叫做相位補償器，其光軸與薄片表面平行。波片的作用是使波片內傳播的o光與e光通過波片后產生一確定的光程差和相位差。dnneo)(2()oenn d波片的厚度 當兩束光射出晶體面，當兩束光射出晶體面，1 1、四分之一波片、四分之一波片 (1)(1)定

15、義：能使定義：能使o o光和光和e e光的光程差等于光的光程差等于 的晶片稱四的晶片稱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 正晶體正晶體 (3)(3)作用：產生附加位相差，作用：產生附加位相差， ，平面偏振光經平面偏振光經1/41/4波片后，出射光是正橢圓偏振光波片后，出射光是正橢圓偏振光dnneo)(24()4oenn d4()oednn4()eodnn2兩個振動方向互相垂直的簡諧振動的合振動由自然光得到橢圓（園）偏振光：由自然光得到橢圓（園）偏振光：0IIN1N2起偏器起偏器波晶片波晶片oAe橢圓（圓）偏振器橢圓（圓）偏振器p 圓偏振光與自然光的檢定：判

16、斷：判斷：旋轉一周過程中，若有消光現象出現為圓偏振旋轉一周過程中，若有消光現象出現為圓偏振光；否則為自然光。光；否則為自然光。方法：方法：在偏振片的前面加入一塊四分之一波片，仍以入射在偏振片的前面加入一塊四分之一波片，仍以入射光為軸旋轉偏振片。光為軸旋轉偏振片。0II檢偏器檢偏器P1/4為什么？兩個振動方向互相垂直的簡諧振動的合振動原理：原理： 已知圓偏振光中已知圓偏振光中o o、e e 光的位相差為光的位相差為 = = /2/2，通過四分之一波片后，又產生，通過四分之一波片后，又產生了了 /2 /2 的相差，則的相差，則 o o、e e 光的總相差為光的總相差為0 0或或 ，這樣，通過四分之

17、一波片后圓偏振光將，這樣，通過四分之一波片后圓偏振光將變?yōu)榫€偏振光，因此在旋轉棱鏡或偏振片時變?yōu)榫€偏振光，因此在旋轉棱鏡或偏振片時會有消光現象出現；會有消光現象出現；而自然光通過四分之一而自然光通過四分之一波片后不會變?yōu)槠矫嫫窆?，故沒有消光現波片后不會變?yōu)槠矫嫫窆?，故沒有消光現象出現。象出現。14:波片且光軸與透振方向夾角45即 線偏振光圓偏振光p 橢圓偏振光與部分偏振光的檢定： 讓橢圓偏振光和部分偏振光通過一個偏振片時，旋轉中均讓橢圓偏振光和部分偏振光通過一個偏振片時，旋轉中均會出現光強大小變化但無消光的相同現象，無法區(qū)分。會出現光強大小變化但無消光的相同現象，無法區(qū)分。方法：方法：在偏

18、振片前放入一塊四分之一波片，并設法使橢圓的在偏振片前放入一塊四分之一波片，并設法使橢圓的一個軸與四分之一波片的光軸平行；以入射光為軸旋轉偏振一個軸與四分之一波片的光軸平行；以入射光為軸旋轉偏振片。片。旋轉一周過程中，若有消光現象出現者是橢圓偏振光；旋轉一周過程中，若有消光現象出現者是橢圓偏振光；否則為部分偏振光。否則為部分偏振光。0II檢偏器檢偏器P1/4原理：原理：當橢圓偏振光任一主軸與四分之一波片光當橢圓偏振光任一主軸與四分之一波片光軸平行時，軸平行時，o o、e e 光相差為光相差為 /2/2或或 3 3 /2/2；經四分之一波片后又產生了經四分之一波片后又產生了 /2 /2 相差，相差

19、，則最后的總相差為則最后的總相差為0 0或或 ，成為一束線偏，成為一束線偏振光，因而會有消光現象出現，而部分偏振光，因而會有消光現象出現，而部分偏振光經四分之一波片后無法變?yōu)槠矫嫫裾窆饨浰姆种徊ㄆ鬅o法變?yōu)槠矫嫫窆?，故無消光現象。光，故無消光現象。14: 波片即 線偏振光橢圓偏振光 2 2、半波片、半波片 能使能使o o光和光和e e光的光程差等于光的光程差等于 奇數倍的晶片，稱半波奇數倍的晶片，稱半波片，其厚度片，其厚度 線偏振光垂直入射到半波片而透射后，仍為線偏振光。線偏振光垂直入射到半波片而透射后，仍為線偏振光。 如果入射時振動面和晶體主截面之間的夾角為如果入射時振動面和晶體主截面之間的夾角為，則，則透射光仍為線偏振光，振動面從原來的方位轉動透射光仍為線偏振光，振動面從原來的方位轉動22角，角，振動方向從一三象限轉到二四象限。振動方向從一三象限轉到二四象限。半波片常用于改變或調整線偏振光的振動方向。2()(21)2oenndk(21)2()oedknn) 12(2k3 3、補償器、補償器（1 1、為什么要使用補償器？、為什么要使用補償器？上述檢驗橢圓偏振光的實驗中，若不用補償器，必須事上述檢驗橢圓偏振光的實驗中，若不用補償器，必