光在各向异性介质中的传播.ppt

6 应力双折射和电光效应,61 应力双折射,应力越集中的地方，各向异性越强，干涉条纹越细密。,1.应力（机械）双折射效应（光弹性效应）,应力：在固体形变时，作用在固体中单位 面积上的力称为应力。 例如：张力、压力、切变力,熔融玻璃或塑料冷却时不均匀，就会出现内应力，造成材料各向项异性，出现双折射。,压缩时：表现为负单轴晶体 拉伸时：表现为正单轴晶体,等效光轴：在应力的方向,透明的各向同性介质，在外界机械应力作用下，表现出光学各向异性性质，称为应力双折射效应,（1）应力双折射效应,（2）实验规律感生双折射的大小,正比于应力大小,应力越集中的地方，各向异性越强，干涉条纹越细密。,利用偏振光的干涉花样来测量应力分布的方法称为光测弹性方法。,应用：检测光学玻璃、光学元件的质量、桥 梁、水坝的模拟设计、地震预测等,模拟透明机械：用透明材料 模拟不透明机械：在其上涂上光弹性材料,应力敏材料：环氧树脂、变性聚酯树脂等,62 电光效应,强电场作用下,各向同性介质双折射克尔效应。,单轴晶体双轴晶体泡克耳斯效应。,1.泡克耳斯效应,（1）装置和现象,现象：不加电场，线偏振光沿光轴方向传播 P2后无光。加电场，单轴晶体转化为 双轴晶体，生成两束光矢相互垂直且 与传播方向垂直的光。(1893法国物理学家),纵向光电效应装置,P1P2,（2）实验规律,感生折射率差,可见n与成正比，故称为一次电光效应。,从晶体出射两光的位相差,从检偏器后出射的光强（P1P2，=45）,透过率曲线, V, V /2,/2 V /4,0 0,I / I0,(3) 应用,电光调制,凡使光波的振幅、频率、位相、偏振态、传播方向随外加讯号变化的均称为光调制。调制器是激光通讯、激光电视中重要的装置,例：在激光通讯里，以要传递的电讯号控制电光晶体，改变光的偏振态，利用偏振片把偏振调制变为光强调制，控制激光光源的发光。,优点：无毒、电压低仅为克尔盒的1/51/10,2.克尔效应,（1）实验装置与现象,现象：不加电压克尔盒内液体呈各向同性P2后无光 加高电压克尔盒内液体呈各向异性P2后有光 似单轴晶体。（1875苏格兰科学家克尔发现）,（2）实验规律,感生折射率差,可见n与2成正比，故称为二次电光效应。,P2后有最大光强通过,当外加电压为零时无光通过P2,使=的电压，称为半波电压V /2，其值越小越好,（3）应用,可作为高速开关、光调制器,优点：无时间延迟，相应快（10-10s）,7 旋光现象及其应用,71 旋光现象及实验规律,1现象 p2p1时， p2后有光通过。 P2 转动一个角度后可以消光。,实验表明：石英晶体使入射光的振动面 旋转了一个角度。,旋光现象：,能使线偏振光振动面连续旋转的现象。,旋光物质：具有旋光性的物质（左、右旋）,旋光现象是不同于晶体双折射的另一种光学现象。,2实验规律,1）单色光入射，振动面旋转的角度与 旋光物质的厚度d成正比。,对旋光晶体：,振动面旋转的角度：, 旋光率，与物质的性质、温度、 入射波长有关。单位：度/毫米, = d,对旋光溶液：, = c d,c溶液浓度。, 比旋光率，度/分米(克/厘米3),* 液体旋光本领比晶体小得多。,对各向异性晶体，旋光率 是光传播 方向与晶体光轴夹角的函数。,2）同一旋光物质，对不同波长，光振动 面旋转的角度不同 旋光色散。,对晶体一般指光沿光轴方向的旋光率, 。,3）振动面的旋转具有方向性,迎着光线看,顺时针旋转的为右旋，如葡萄糖、石英.,逆时针旋转的为左旋，如果糖、石英。,当光传播方向改变时，物质的左(右)旋性质不变,72 菲涅耳对旋光现象的解释,根据运动学中的一个原理 任何一个直线简谐运动都可以分解为两个频率相同，初位相相同，而反向旋转的匀速圆周运动。,菲涅耳的唯象解释：,1菲涅耳假设,2解释旋光现象,过旋光物质后VD=VL，合成矢量E,线偏振光振动面旋转的角度,O, 旋光率与波长 、物质 性质、温度（nT）有关,3菲涅耳的实验验证,73 圆二色性,圆二色性：旋光物质对左旋、右旋圆偏振光有 不同的吸收系数。,对不同的波长，旋光物质有不同的圆二色性,旋光性的应用： 旋光片，加工和使用都方便。,如果分解成的两个圆偏振光传播速度不同，出射光的振动面将发生旋转。,总之：当线偏振光通过旋光物质时，,如果，对两个圆偏振光的吸收率也不同，出射光一般为椭圆偏振光。,7.4 法拉第磁致旋转效应,磁致旋光效应,1实验装置与现象,轻火石玻璃,不加磁场，P后消光,加磁场,P2后有光出射,P2转角后可消光,2应用,而从P2入射的光，经法拉第盒后仍按原方向旋转450，使光矢方向与P1方向垂直。,光隔离器,7.5 液晶的旋光显示,第八章 光在各向异性介质中的传播,7 旋光现象及其应用,一、液晶简介,1888年奥地利的植物学家FReinitzer发现：,这种混浊态粘稠的液体是什么呢？,145,175,液晶材料主要是脂肪族、芳香族、硬脂酸等有机物。液晶大量存在于生物结构中。日常生活中，适当浓度的肥皂水溶液就是一种液晶。目前已经发现或人工合成的液晶材料已达一万多种，常用的上千种。,液晶（Liquid Crystal）是“液态晶体”之意。有人称它为固液气三态之外物质存在的第四种状态，介于固态和液态之间。液晶奇异的特性，使它在本世纪得到了迅猛发展，成为当今研究的热点问题之一。,液晶的基本特性,液晶实际上是物质的一种形态，它是一种处于“完全有序的周期性结构”和“完全无规则结构”之间的介晶态。,流动性、不能承受切变力、可形成液滴等。,具有长程有序和各向异性的特征,液晶具有液体的一些特征,液晶又具有晶体的某些特征,分子的取向有序性；光折射率、介电常数、电阻率、磁化率、粘滞系数、弹性系数均为各向异性。,液晶按形成条件不同分为两大类,溶致液晶：溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态。,热致液晶：在一定的温度范围内才呈现出液晶状态。,本实验采用的是热致液晶。,溶致液晶大量存在于生物体内，在生命活动中起着重要的作用。研究液晶和活细胞的关系，是当今生物物理研究的内容之一。在研究应用领域，人们更加关心的是热致液晶。,热致液晶按分子排列状态分,二、热致液晶的结构和分类,向列相液晶（Nematic）又称丝状液晶,向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。,正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。,向列液晶在偏光显微镜下的图象,近晶相液晶按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜排列。,近晶相液晶（Smectic）又称层状液晶,层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘度与表面张力都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性。,隧道显微镜下的近晶相层状液晶,胆甾相液晶（Cholestevic）也称螺旋状液晶,胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每层分子都会旋转一个角度。,液晶整体呈螺旋结构。螺距的长度是可见光波长的数量级,由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色彩。 胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。 胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。,三、热致液晶相变,1. 互变相变（可逆相变）,2. 单变相变,液晶,各向同性液体,晶体,T1,T2,T1,T2,晶体,液晶,各向同性液体,四、液晶的光学特性,1. 液晶的各向异性,P型液晶 （0） 正介电各向异性液晶 N型液晶（0） 负介电各向异性液晶,2. 液晶的双折射,以P型为例，长轴为光轴,即向列液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。,胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质，这因为：,液晶具有单轴晶体的光学各向异性 其光学特性,液晶器件是根据光学特性设计制造的。,能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转； 能使入射的偏光状态，及偏光轴方向发生变化； 能使入射