南方医科大学《大学物理》李贞姬-ch12-14-lzj.ppt

*12-14 光的双折射 光在各向异性介质中的传播,方解石,一. 寻常光和非常光,1.双折射（double refraction）,双折射现象 一束光入射到各向异性的介质后出现两束折射光线的现象。,食盐晶体,2. 寻常光和非寻常光,o 光,e 光,两折射光线中有一条始终在入射面内，并遵从折射定律，称为寻常光， 简称 o 光 （ordinary light）,另一条光一般不在入射面内， 不遵从折射定律，称非常光， 简称 e 光 （extraordinary light）,两束光的特点：,* 两束光是光矢量振动方向 不同的线偏振光,* 垂直入射时，以入射光为轴 旋转晶体，o 光不动，e 光旋转,1. 晶体的光轴（optical axis of crystal),当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该方向称为晶体的光轴。,例如 方解石晶体(冰洲石) 平行6面体,光轴是一特殊的方向, 凡平行于此方向的直线 均为光轴。,二. 光轴 主平面,光轴,顶点A、B是由3个钝角面会合而成的。通过这样的顶点并与三个界面成等角的直线方向就是光轴方向。,单轴晶体：只有一个光轴的晶体 冰洲石、石英、红宝石、冰。,双轴晶体: 有两个光轴的晶体 云母、蓝宝石、橄榄石、硫磺。,A,B,方解石晶体(冰洲石) 平行6面体,2. 主平面（principal plane）,主平面 晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面.,o 光振动垂直主平面,e 光振动在主平面内,双折射光的偏振,o 光和 e 光都是偏振光. 并且偏振方向互相垂直,e光,光轴,e 光的 主平面,o光,光轴,o 光的 主平面,光轴在入射面时,o 光主平面和e 光 主平面重合,此时o 光振动和e 光振 动相互垂直。一般情况下，两个主 平面夹角很小，故可认为o 光振动 和e 光振动仍然相互垂直。,(o光振动垂直o 光主平面),(e 光振动在e 光主平面内),光轴,o 光:,e 光:,光轴,( o 光主折射率),( e 光主折射率) （principal refractive index),各个方向 光速相同 波面为 球面,各个方向 光速不同 波面为 椭球面,三. 单轴晶体的子波波阵面,正晶体(positive crystal),光轴,光轴,负晶体(negative crystal),( 垂直光轴截面 ),( 垂直光轴截面 ),( 平行光轴截面 ),( 平行光轴截面 ),石英、冰等,方解石、红宝石等,四. 偏振光的干涉,1. 实验现象,偏振片1,偏振片2,单色光入射，波片厚度均匀，屏上光强均匀分布。,波片厚度不均匀时，出现干涉条纹。,白光入射，屏上出现彩色，转动偏振片或波片，色彩变化。,双折射晶片,d,o 光和e 光传播方向相同， 但速度不同。,o 光和e 光通过波片后产 生的相位差为：,no o 光主折射率,ne e 光主折射率,偏振片1,偏振片2,光轴平行晶体表面，垂直入射,经过波片后的两束光（o,e）能产生干涉么？,2. 偏振光干涉的分析,o光和e光振动方向垂直，不能产生干涉！ 利用偏振片2将光振动引到一个方向上来。,2. 光强分析,o 光和e 光经过偏振片2 后，振动方向平行，振动频率相同，相位差恒定，满足干涉条件。,式中为投影引入的附加相位,P1P2, 干涉相长, 干涉相消,讨论,(1) 波片厚度相同时，各处相位差相同，单色光 照射时屏上光强均匀分布。,合振动强度为：,(2) 波片厚度不均匀时，各处相位差不同，单色光入射出现等厚干涉条纹。,(3) 白光照射时，屏上由于某种颜色干涉相消, 而呈现它的互补色，这叫( 显) 色偏振。 （complementary colors） （chromatic polarization）,白光,(4) 旋转偏振片，使两偏振片偏振化方向平行， 相位差产生 的变化，屏上颜色发生变化。,偏光显微镜广泛用于地质、冶金工业中矿石鉴别、晶体结构分析.,2001_1,两偏振片的偏振化方向正交，方解石晶体光轴与两偏振片偏振化方向各成 45度，已知方解石晶片厚度0.025mm。折射率no=1.658, ne=1.486。若入 射到第一个偏振片的光是波长为0.4um0.76um 的可见光，则透过第2个 偏振片的光中，因干涉而缺少的波长为 um？ A 0.7329 0.6326 0.5428 0.4882 B 0.7229 0.6615 0.5733 0.5059 C 0.7568 0.6055 0.5046 0.4325 D 0.7167 0.6143 0.5375 0.4778,例,两偏振片的偏振化方向正交，方解石晶体光轴与两偏振片偏振化方向各成 45度，已知方解石晶片厚度0.025mm。折射率no=1.658, ne=1.486。若入 射到第一个偏振片的光是波长为0.4um0.76um 的可见光，则透过第2个 偏振片的光中，因干涉而缺少的波长为 um？ A 0.7329 0.6326 0.5428 0.4882 B 0.7229 0.6615 0.5733 0.5059 C 0.7568 0.6055 0.5046 0.4325 D 0.7167 0.6143 0.5375 0.4778,o光,四. 单轴晶体中的波面 ( 惠更斯作图法(vevo) ),方解石,光轴,1. 光轴平行入射面，自然光斜入射负晶体中,光轴,e光,1。画平行的入射光束 2。做AB垂直于入射线，即入射线的波面 3。求出B到B的时间 t=|BB|/c 4。以A为中心，vot为半径做半圆（球）面。即，B 时刻A发出的次波面 5。过B做半圆的切线（面），即包络面，折射光的波面 6。连接A和切点，得到折射线方向,做与半球面在光轴方向上相切的半椭球面，另一半主轴长为vet,方解石,光轴,2. 光轴平行入射面，自然光垂直入射负晶体中,o光,e光,e光,o光,光轴,注意: 此时在晶体中 e 光的波面不再与其波线垂直。,3. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射,此时，o, e 光传播方向相同，但传播速度不同。从晶体出射后，二者产生相位差。,4. 光轴垂直晶体表面，自然光垂直入射,5. 光轴垂直入射面，自然光斜入射,五. 晶体偏振器,尼科耳棱镜 W.Nicol,1828 应用最为广泛的 双折射偏振器件 将方解石晶体沿特定方向切成两半，再用 加拿大树胶粘合，即制成尼科耳棱镜,o光,加拿大树胶,光轴,缺点：加拿大树胶吸收紫外线， 所以，对短波段不适用。 这时，可以使用渥拉斯顿棱镜,140,要求: 入射角小于140, 否则O 光不能发生全反射。,使o光发生全反射,2. 渥拉斯顿棱镜 （Wollaston prism） 由两块直角方解石棱镜拼成。两块棱镜的光轴互相垂直,上述两种棱镜得到的偏振光质量非常好，但棱镜本身价格很高，因而使用较少。,负晶体,o光,e光,折射角入射角 折射角入射角,出射 o 光 e 光的相差为,3. 波晶片,自然光垂直入射波晶片后，o 光, e 光传播速度不同，产生的相位不同 。,波晶片,（光轴平行于表面且厚度均匀的晶体）,波晶片分类,波片(quarter-wave plate),半波片（half