16光在晶體中傳播ok.ppt

1、光的雙折射現(xiàn)象,1 雙折射現(xiàn)象,2 晶體光學器件（偏振器、波片、相位補償器）,3 人工雙折射,4 旋光現(xiàn)象,-光在各向異型晶體中傳播,方解石晶體的雙折射 （ double refraction，birefringence ）,1. 雙折射實驗現(xiàn)象,一束光入射到各向異性介質(zhì)時，折射光分成兩束 ：雙折射,在晶體中, o光永遠在入射面內(nèi)； 而e光不一定在入射面內(nèi)，只有幾個特殊方向才在入射面內(nèi),當光在晶體內(nèi)沿某個特殊方向(光軸方向)傳播時不發(fā)生雙折射,一. 雙折射現(xiàn)象及描述,晶體的光軸,當光在晶體內(nèi)沿某個特殊方向傳播時不發(fā)生雙折射，該方向稱為晶體的光軸。,例：方解石晶體（冰洲石）,光軸是一個特殊的方向

2、，凡平行于此方向的直線均為光軸.,單軸晶體：只有一個光軸的晶體，如方解石、石英、紅寶石。,雙軸晶體：有兩個光軸的晶體，如云母。,由三個鈍角面會合而成的頂點引出的與三個棱邊成等角的方向就是光軸。,用偏振片來檢查o,e兩折射光的振動方向,o光振動方向始終垂直于o光線與光軸構(gòu)成的平面(o光主平面)，并與光軸方向相垂直 e光振動方向始終在e光線與光軸構(gòu)成的平面內(nèi)(e光主平面)，并不一定與光軸相垂直。,o振動的傳播具有各向同性，e振動的傳播具有各向異性,主平面,o光振動垂直o光的主平面，e光振動在e光的主平面內(nèi)。,主截面：晶體表面的法線與晶體光軸構(gòu)成的平面。,與晶體相關，與光線無關,幾個概念,注意：,主

3、要研究：,* o光 e光的主平面不一定相同,o光的振動方向o光的主平面,e光的振動方向/e光的主平面,* 主平面，主截面不一定相同,（A）入射光在主截面內(nèi) （B）主平面、主截面為同一平面,1、兩折射光晶體中任一點發(fā)出的次波應有兩個波面,二. 單軸晶體中光波的波面,惠更斯原理可討論光在各向同性介質(zhì)中傳播和折射規(guī)律,惠更斯對各向異性晶體中波面的描述,2、o光和e光次波面應為球面、旋轉(zhuǎn)橢球面(圍繞光軸方向 的回轉(zhuǎn)的橢球面),3、沿光軸方向不發(fā)生雙折射光軸方向兩波面應相切,單軸晶體的主折射率,no ，ne 晶體的主折射率,在垂直于光軸的方向上,對o光：一個折射率 ; 對e光：無數(shù)個折射率,在光軸方向上

4、相等,正晶體： ne no (ve vo),負晶體：ne vo),如：石英、冰,如：方解石、紅寶石,光軸方向相切,i0,o,e,三. 單軸晶體中光傳播的惠更斯作圖法,1. 光軸平行晶體表面，平行入射面，自然光垂直界面入射,2. 光軸平行晶體表面，垂直入射面，自然光與界面斜入射,i,ie,vot,vet,o,e,ct,以負晶體（ve vo）為例：（速度面,次波面,能量面）,e光的次波面（圓）對應的波陣面(等相面)與其波射線垂直,主截面、入射面、主平面重合；且入射光線垂直界面和光軸,3. 光軸與晶體表面斜交，自然光垂直界面入射，與光軸有一定夾角,注意：此時e光不滿足折射定律,次波面的公切面即為其波

5、陣面(等相面)，對應相速度,雙折射現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：不同的方向極化大小不一樣,CaCO3,方解石內(nèi)部的原子排列如圖。每個CO3原子群構(gòu)成三角形平面垂直于光軸。,當ECO3平面，即平行于光軸Z時，每個較易極化了的氧原子所產(chǎn)生的局域場都使鄰近的O極化變小(b) 。當E在CO3平面內(nèi)，即垂直于Z，兩個極化了的O的局域場都使第三個O增大極化。即，平行光軸的E引起極化較難，介電系數(shù)和折射率就較??；垂直光軸的E引起極化較容易，介電系數(shù)和折射率就較大，致使振動方向不同的光波的傳播速度也不相同?？梢?，由于晶體內(nèi)部原子排列的對稱性，使原子的極化隨方向而不同，導致了光的傳播速度(即折射率)隨光振動的方向而變，這是晶

6、體雙折射的基本原因。,作業(yè)：5-9，5-10，5-11,2. 晶體光學器件,一. 晶體起偏器件,1. 晶體的二向色性偏振器,某些晶體對o光和e光的吸收有很大差異，叫晶體的二向色性,例如，電氣石對o光有強烈吸收，對e光吸收很弱, 尼科爾棱鏡:,e,2. 偏振棱鏡,i 臨界角（69），o 光全反射了，e 光可通過,限制：入射光的匯聚角度有限，So Se的夾角小于28o,So,Se,S,加拿大樹膠(紫外不透明),e光不能用折射定律,方解石制成的洛匈棱鏡,玻璃和方解石構(gòu)成, 洛匈棱鏡：,注意：光軸的配置，偏振和方向的變化,光軸垂直于入射面 e光可以用折射定律, 渥拉斯頓棱鏡,兩塊晶體內(nèi)o光和e光互換,

7、Real Polarizers,Air-spaced polarizers, 為任意值，合振動的軌跡為一般橢圓,回顧振動的合成:偏振光的產(chǎn)生（迎著傳播方向看）,二. 波晶片相位延遲,圓和橢圓偏振光的起偏與檢偏,注意：,（1）自然光在雙折射晶體中產(chǎn)生的o光、e光迭加，不能產(chǎn)生完全偏振光。,（2）由同一單色的偏振光在雙折射晶體中分成的o光、 e光可以產(chǎn)生完全偏振光。,o光、e光兩相互垂直線振動可產(chǎn)生各偏振態(tài),1、入射波片前的位相關系,2、經(jīng)波片產(chǎn)生的位相差,偏振態(tài),一偏振態(tài)經(jīng)波晶片后的偏振態(tài)：,3、振幅比,線偏振光：,是振動方向與光軸的夾角,相位關系：,負晶體（方解石）,正晶體（石英）,3、出射光

8、的偏振態(tài)可根據(jù)以前建立的偏振態(tài)的判據(jù)判定,判斷光通過波片后它的偏振態(tài)可歸納為以下幾個步驟：,選擇晶片的厚度，使o、e光產(chǎn)生光程差：,2.四分之一波片,四分之一波片,號并不對應正、負晶體，與晶體的正負性并沒有必然的聯(lián)系,快軸 慢軸: 傳播速度的快慢,四分之一波片,線偏振光圓偏振光,線偏振光線偏振光,可從線偏振光獲得橢圓或圓偏振光,線偏振光橢圓偏振光,橢圓偏振光線偏振光,橢圓偏振光經(jīng)/4的變化（代表光軸與長軸的夾角）,橢圓偏振光橢圓偏振光,圓偏振光經(jīng)/4的變化,任意,圓偏振光線偏振光,橢圓與圓偏振光的檢偏 ?,用四分之一波片和偏振片可區(qū)分出自然光和圓偏振光， 或部分偏振光和橢圓偏振光。,四分之一波

9、片,偏振片（轉(zhuǎn)動）,以入射光方向為軸,四分之一波片,偏振片（轉(zhuǎn)動）,光軸平行最大光強或最小光強方向放置,或光軸平行橢圓偏振光的長軸或短軸放置,(2) 二分之一波片,可使線偏振光振動面轉(zhuǎn)過 2角度,(3) 全波片,三. 相位補償器,在振動方向互相垂直的兩束光間產(chǎn)生任意的相位差,作業(yè)：5-13，5-15，5-16，5-17，5-18，5-19,3 偏振光的干涉,一. 平行偏振光干涉裝置,相干,從C出射的o光、e光通過P2后才會產(chǎn)生干涉,從C出射的o光、e光能否產(chǎn)生干涉 ?,二. 平行偏振光干涉分析,1. 振幅大小關系,投影在P2 上：,透過P上：,設從偏振片P2出射兩振動的位相差為,則通過P2 后

10、的光強為：,2. 相位關系,書上只有兩項 與書上是等價的,只取決于晶片帶來的位相差,則通過P2 后的光強為：,三. 顯色偏振,若白光入射，且晶片d 均勻，屏上由于某種顏色干涉相消，而呈現(xiàn)它的互補色，這叫（顯）色偏振。,紅色（656.2nm）相消青色（492.1nm）,藍色（485.4nm）相消黃色（585.3 nm）,若d不均勻，白光入射則屏上出現(xiàn)彩色圖案,硫代硫酸鈉晶片的顯色偏振圖片,石英劈尖的偏振光干涉（等厚條紋）,若單色光入射，且d不均勻，則屏上為等厚條紋,由于,在白光的照射下，對同一晶板，在正交系統(tǒng)中出現(xiàn)的顏色與平行系統(tǒng)中出現(xiàn)的顏色互補,利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程,顯色偏振是檢驗材料

11、有無雙折射效應的靈敏方法，用顯微鏡觀察各種材料在白光下的顯色偏振，可以分析物質(zhì)內(nèi)部的某些結(jié)構(gòu) 偏光顯微術,利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程,利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程,利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程,利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程,利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程,利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過程,作業(yè)：5-20，5-22,4. 人工雙折射,一. 光彈效應(應力雙折射效應),應力各向異性 n各向不同,在一定應力范圍內(nèi)：,各處F/S不同各處 不同出現(xiàn)干涉條紋,模型的光彈圖象,釣鉤的光彈圖象,光測彈性,二. 電光效應(電致雙折射效應),1.克爾效應,盒內(nèi)充某種液體，如硝基苯（C6H5NO2）, 不加電場液體各向

12、同性P2不透光, 加電場各向異性分子取向有序,液體呈單軸晶體性質(zhì)， 光軸平行電場強度 P2透光, 二次電光效應, 克爾常數(shù)，U 電壓,克爾效應引起的相位差為：,克爾盒相當于半波片，P2透光最強 ？,硝基苯:,高速電光開光 1ns,2. 泡克爾斯效應,光傳播方向與電場平行，電極K和K透明，晶體是單軸晶體，光沿光軸傳播方向。, 不加電場 P2不透光。, 線性電光效應, 外加電場（沿光軸） 晶體變雙軸晶體繞原光軸方向轉(zhuǎn)動45度 附加雙折射效應 P2透光,(KDP晶體)光強度調(diào)制器的光路,電致雙折射主軸與原主軸的關系,no-o光在晶體中的折射率； 電光常數(shù); U電壓。,泡克爾斯效應引起的相位差：,KH

13、2PO4（KDP）,3. 磁致雙折射(科頓穆頓效應),某些透明液體在磁場H作用下變?yōu)楦飨虍愋?，性質(zhì)類似于單軸晶體，光軸平行磁場。,二次效應,需要很強的磁場才能觀察到,5. 旋光現(xiàn)象,一. 物質(zhì)的旋光性,除石英，氯酸鈉、乳酸、松節(jié)油、糖的水溶液等也具有 旋光性,旋光率,旋轉(zhuǎn)的角度：,旋光現(xiàn)象: 1811年，法國物理學家阿喇果（Arago）發(fā)現(xiàn)，線偏振光沿光軸方向通過石英晶體時，其振動面發(fā)生旋轉(zhuǎn),左旋物質(zhì) 右旋物質(zhì),旋光異構(gòu)體,二. 菲涅耳對旋光性的解釋,線偏振光(E,)可看作是同頻率()、等振幅(E/2)、有確定相位差的左(L )、右(R )旋圓偏振光的合成。,石英對 = 589nm的黃光，a

14、= 21.75/mm；對 = 408nm的紫光，a = 48.9/mm,實驗表明，旋光率與旋光物質(zhì)和入射波長有關，對于溶液，還和旋光物質(zhì)的濃度有關,設入射時L、R初相為0，,光通過長為L旋光物質(zhì)后，相位要滯后(相位落后轉(zhuǎn)角倒退)。在出射面上：,隨時間左（右）旋的圓偏光在空間上呈現(xiàn)右（左）旋螺線。,令,旋光率,這既解釋了旋光現(xiàn)象，又說明了旋光率a 與物質(zhì)（由nR和nL反映）和入射波長有關。,菲涅耳進行了如下實驗，證實了自己的解釋。 用左旋型（L）和右旋型（R）的石英棱鏡交替膠合成多級組合棱鏡,光從 R 進入 L 時，左旋光速度由小變大，光密媒質(zhì)光疏媒質(zhì)，光將遠離界面法線折射。右旋光速度由大變小，

15、將靠近界面法線折射。各界面繼續(xù)使左右旋圓偏振光分開的角度放大，射出棱鏡時就成了兩束分開的圓偏振光。,石英晶體性質(zhì)：,沿光軸方向只表現(xiàn)旋光性而無雙折射性,垂直光軸方向只表現(xiàn)雙折射性而無旋光性,旋光晶片與半波片的區(qū)別：,晶片的取向：,旋光晶片,半波片,光軸平行于晶面,光軸垂直于晶面,對應波長：,對任何波長出射光 為線偏振光，只是 轉(zhuǎn)角不同,只對特定波長出射光 為線偏振光,對于確定旋向的晶片， 光的振動面只向一個 方向轉(zhuǎn)動一定的角度,振動方向：,旋轉(zhuǎn)角度與光的振動面 和波片晶軸的夾角 有關，可左轉(zhuǎn)也可右轉(zhuǎn),量糖術,對旋光溶液有,“量糖計”可分析旋光（同分）異構(gòu)體的成分，廣泛用在化學和制藥等工業(yè)中。,溶