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(xué)器件（偏振器、波片、相位補(bǔ)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,一束光入射到各向異性介質(zhì)時(shí)，折射光分成兩束 ：雙折射,在晶體中, o光永遠(yuǎn)在入射面內(nèi)； 而e光不一定在入射面內(nèi)，只有幾個(gè)特殊方向才在入射面內(nèi),當(dāng)光在晶體內(nèi)沿某個(gè)特殊方向(光軸方向)傳播時(shí)不發(fā)生雙折射,一. 雙折射現(xiàn)象及描述,晶體的光軸,當(dāng)光在晶體內(nèi)沿某個(gè)特殊方向傳播時(shí)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(gè)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(gè)光軸的晶體，如方解石、石英、紅寶石。,雙軸晶體：有兩個(gè)光軸的晶體，如云母。,由三個(gè)鈍角面會(huì)合而成的頂點(diǎn)引出的與三個(gè)棱邊成等角的方向就是光軸。,用偏振片來(lái)檢查o,e兩折射光的振動(dòng)方向,o光振動(dòng)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(dòng)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(dòng)的傳播具有各向同性，e振動(dòng)的傳播具有各向異性,主平面,o光振動(dòng)垂直o光的主平面，e光振動(dòng)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(guān)，與光線無(wú)關(guān),幾個(gè)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(dòng)方向o光的主平面,e光的振動(dòng)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(diǎn)發(fā)出的次波應(yīng)有兩個(gè)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(duì)各向異性晶體中波面的描述,2、o光和e光次波面應(yīng)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(yīng)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(duì)o光：一個(gè)折射率 ; 對(duì)e光：無(wú)數(shù)個(gè)折射率,在光軸方向上

4、相等,正晶體： ne no (ve vo),負(fù)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(fù)晶體（ve vo）為例：（速度面,次波面,能量面）,e光的次波面（圓）對(duì)應(yīng)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(shí)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(duì)應(yīng)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(gè)CO3原子群構(gòu)成三角形平面垂直于光軸。,當(dāng)ECO3平面，即平行于光軸Z時(shí)，每個(gè)較易極化了的氧原子所產(chǎn)生的局域場(chǎng)都使鄰近的O極化變小(b) 。當(dāng)E在CO3平面內(nèi)，即垂直于Z，兩個(gè)極化了的O的局域場(chǎng)都使第三個(gè)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(dòng)方向不同的光波的傳播速度也不相同?？梢姡捎诰w內(nèi)部原子排列的對(duì)稱性，使原子的極化隨方向而不同，導(dǎo)致了光的傳播速度(即折射率)隨光振動(dòng)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(xué)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(duì)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(duì)o光有強(qiáng)烈吸收，對(duì)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(guò),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(dòng)的軌跡為一般橢圓,回顧振動(dòng)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(dòng)可產(chǎn)生各偏振態(tài),1、入射波片前的位相關(guān)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(dòng)方向與光軸的夾角,相位關(guān)系：,負(fù)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(guò)波片后它的偏振態(tài)可歸納為以下幾個(gè)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(hào)并不對(duì)應(yīng)正、負(fù)晶體，與晶體的正負(fù)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(zhǎng)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(dòng)）,以入射光方向?yàn)檩S,四分之一波片,偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）,光軸平行最大光強(qiáng)或最小光強(qiáng)方向放置,或光軸平行橢圓偏振光的長(zhǎng)軸或短軸放置,(2) 二分之一波片,可使線偏振光振動(dòng)面轉(zhuǎn)過(guò) 2角度,(3) 全波片,三. 相位補(bǔ)償器,在振動(dòng)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(guò)P2后才會(huì)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(guān)系,投影在P2 上：,透過(guò)P上：,設(shè)從偏振片P2出射兩振動(dòng)的位相差為,則通過(guò)P2 后

10、的光強(qiáng)為：,2. 相位關(guān)系,書上只有兩項(xiàng) 與書上是等價(jià)的,只取決于晶片帶來(lái)的位相差,則通過(guò)P2 后的光強(qiáng)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(bǔ)色，這叫（顯）色偏振。,紅色（656.2nm）相消青色（492.1nm）,藍(lán)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(duì)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(bǔ),利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過(guò)程,顯色偏振是檢驗(yàn)材料

11、有無(wú)雙折射效應(yīng)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(shù),利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過(guò)程,利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過(guò)程,利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過(guò)程,利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過(guò)程,利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過(guò)程,利用偏振光干涉看到的結(jié)冰過(guò)程,作業(yè)：5-20，5-22,4. 人工雙折射,一. 光彈效應(yīng)(應(yīng)力雙折射效應(yīng)),應(yīng)力各向異性 n各向不同,在一定應(yīng)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(cè)彈性,二. 電光效應(yīng)(電致雙折射效應(yīng)),1.克爾效應(yīng),盒內(nèi)充某種液體，如硝基苯（C6H5NO2）, 不加電場(chǎng)液體各向

12、同性P2不透光, 加電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度 P2透光, 二次電光效應(yīng), 克爾常數(shù)，U 電壓,克爾效應(yīng)引起的相位差為：,克爾盒相當(dāng)于半波片，P2透光最強(qiáng) ？,硝基苯:,高速電光開光 1ns,2. 泡克爾斯效應(yīng),光傳播方向與電場(chǎng)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(chǎng) P2不透光。, 線性電光效應(yīng), 外加電場(chǎng)（沿光軸） 晶體變雙軸晶體繞原光軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)45度 附加雙折射效應(yīng) P2透光,(KDP晶體)光強(qiáng)度調(diào)制器的光路,電致雙折射主軸與原主軸的關(guān)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(yīng)引起的相位差：,KH

13、2PO4（KDP）,3. 磁致雙折射(科頓穆頓效應(yīng)),某些透明液體在磁場(chǎng)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(chǎng)。,二次效應(yīng),需要很強(qiáng)的磁場(chǎng)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(guó)物理學(xué)家阿喇果（Arago）發(fā)現(xiàn)，線偏振光沿光軸方向通過(guò)石英晶體時(shí)，其振動(dòng)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(duì)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(duì) = 589nm的黃光，a

14、= 21.75/mm；對(duì) = 408nm的紫光，a = 48.9/mm,實(shí)驗(yàn)表明，旋光率與旋光物質(zhì)和入射波長(zhǎng)有關(guān)，對(duì)于溶液，還和旋光物質(zhì)的濃度有關(guān),設(shè)入射時(shí)L、R初相為0，,光通過(guò)長(zhǎng)為L(zhǎng)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(shí)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(shuō)明了旋光率a 與物質(zhì)（由nR和nL反映）和入射波長(zhǎng)有關(guān)。,菲涅耳進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)，證實(shí)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(jí)組合棱鏡,光從 R 進(jìn)入 L 時(shí)，左旋光速度由小變大，光密媒質(zhì)光疏媒質(zhì)，光將遠(yuǎn)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(shí)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(wú)雙折射性,垂直光軸方向只表現(xiàn)雙折射性而無(wú)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(duì)應(yīng)波長(zhǎng)：,對(duì)任何波長(zhǎng)出射光 為線偏振光，只是 轉(zhuǎn)角不同,只對(duì)特定波長(zhǎng)出射光 為線偏振光,對(duì)于確定旋向的晶片， 光的振動(dòng)面只向一個(gè) 方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度,振動(dòng)方向：,旋轉(zhuǎn)角度與光的振動(dòng)面 和波片晶軸的夾角 有關(guān)，可左轉(zhuǎn)也可右轉(zhuǎn),量糖術(shù),對(duì)旋光溶液有,“量糖計(jì)”可分析旋光（同分）異構(gòu)體的成分，廣泛用在化學(xué)和制藥等工業(yè)中。,溶