《光学原理与应用》之双折射原理及应用

双折射原理及应用双折射原理及应用 双折射 birefringence 是光束入射到各向异性的晶体 分解 为两束光而沿不同方向折射的现象 它们为振动方向互相垂直的线 偏振光 当光射入各向异性晶体 如方解石晶体 后 可以观察到有 两束折射光 这种现象称为光的双折射现象 两束折射线中的一束 始终遵守折射定律这一束折射光称为寻常光 通常用 o 表示 简称 o 光 另一束折射光不遵守普通的折射定律这束光通常称为非常光 用 e 表示 简称 e 光 晶体内存在着一个特殊方向 光沿这个方向 传播时不产生双折射 即 o 光和 e 光重合 在该方向 o 光和 e 光的 折射率相等 光的传播速度相等 这个特殊的方向称为晶体的光轴 光轴 不是指一条直线 而是强调其 方向 晶体中某条光线与晶 体的光轴所组成的平面称为该光线的主平面 o 光的主平面 e 光的 光振动在 e 光的主平面内 如何解释双折射呢 惠更斯有这样的解释 1 寻常光 o 光 和非常光 e 光 一束光线进入方解石晶体 碳酸钙的天然晶体 后 分裂成两束光能 它们沿不同方向折射 这现象称为双折射 这是由晶体的各向异性造成的 除立方系晶体 例如岩盐 外 光 线进入一般晶体时 都将产生双折射现象 显然 晶体愈厚 射出 的光束分得愈开 当改变入射角 i 时 o 光恒遵守通常的折射定律 e 光不符合折射定律 2 光轴及主平面 改变入射光的方向时 我 们将发现 在方解石这类晶体内部有一确定的方向 光沿这个方向 传播时 寻常光和非常光不再分开 不产生双折现象 这一方向称 为晶体的光轴 天然的方解石晶体 是六面棱体 有八个顶点 其 中有两个特殊的顶点 A 和 D 相交于 A D 两点的棱边之间的夹角 各为102 的钝角 它的光轴方向可以这样来确定 从三个钝角相会 合的任一顶点 A 或 D 引出一条直线 使它和晶体各邻边成等角 这一直线便是光轴方向 当然 在晶体内任何一条与上述光轴方向 平行的直线都是光轴 晶体中仅具有一个光轴方向的 称为单轴晶 体 例如方解石 石英等 有些晶体具有两个光轴方向 称为双轴 晶体 例如云母 硫磺等 在晶体中 我们把包含光轴和任一已知 光线所组成的平面称为晶体中该光线的主平面 就是 o 光的主平面 由 e 光和光轴所组成的平面 就是 e 光的主平面 下面通过离子来说明 取一块冰洲石 方解石的一种 化学成分 是 CaCO3 放在一张有字的纸上 我们将看到双重的像 平常我们 把一块厚玻璃砖在字纸上 我们只看到一个像 这个像好象比实际 的物体浮起了一点 这是因为光的折射引起的 折射率越大 像浮 起来的高度越大 我们可以看到 在冰洲石内的两个像浮起的高度 是不同的 这表明 光在这种晶体内成了两束 它们的折射程度不 同 这种现象叫做双折射 下面我们通过一系列实验来说明双折射现象的特点和规律 1 o 光和光和 e 光 光 如下图 让一束平等的自然光束正入射在冰洲石晶体的一个表 面上 我们就会发现光束分解成两束 按照光的折射定律 正入射 时光线不应偏折 而上述两束折射光中的一束确实在晶体中沿原方 向传播 但另一束却偏离了原来的方向 后者显然是违背普通的折 射定律的 如果进一步对各种入射方向进行研究 结果表明 晶体 内的两条折射线中一条总符合普通的折射定律 另一条却常常违背 它 所以晶体内的前一条折射线叫做寻常光 简称 o 光 后一条折射 线叫做非常光 简称 e 光 o 和 e 源于英语 ordinary 寻常 和 extraordinary 不寻常 两字第一字母 应当注意 这里所谓 o 光和 e 光 只在双折射晶体的内部才有 意义 射出晶体以后 就无所谓 o 光和 e 光了 2 晶体的光轴 晶体的光轴 在冰洲石中存在着一个特殊的方向 光线沿这个方向传播时 o 光和 e 光不分开 即它们的传播速度和传播方向都一样 这个特殊方 向称为晶体的光轴 为了说明光轴的方向 我们稍详细地研究一下冰洲石的晶体 冰洲石的天然晶体 如下图所示 它呈平行六面体状 每个表面都 是平行四边形 它的一对锐角约为 78 一对钝角约为 102 读者对 照冰洲石晶体的实物或其模型可以看出 每三个表面会合成一个顶 点 在八个顶点中有两个彼此对前的顶点 图中的 A B 是由三个钝角 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 就是冰洲石晶体的光轴方向 我们总是强调 方向 二字 因为 光轴 不是指一条线 晶体中任何与上述直线平行的直线 都是光轴 光 轴代表晶体中的一个特定方向 如图所示 如果我们把冰洲石晶体 的这两个钝顶角磨平 使出现两个与光轴方向垂直的表面 并让平 等光束对着这表面正入射 光在晶体中将沿光轴方向传播 不再分 解成两束 3 主截面 主截面 光线沿晶体的某界面入射 此界面的法线与晶体的光轴组成的 平面 称为主截面 当入射线在主截面内 即入射面与主截面重合 时 两折射线皆在入射面内 否则 非常光可能不在入射面内 4 双折射光的偏振 双折射光的偏振 如果在上图所示的实验中用检偏器来考察从晶体射出的两光束 时 就会发现它们都是线偏振光 且两光束的振动方向相互垂直 5 单轴晶体中的波面单轴晶体中的波面 除冰洲石外 许多晶体具有双折射的性能 双折射晶体有两类 象冰洲石 石英 红宝石 冰等一类晶体只有一个光轴方向 它们 叫做单轴晶体 象云母 蓝宝石 橄榄石 硫磺等一类晶体有两个 光轴方向 它们叫做双轴晶体 光在双轴晶体内的传播规律比 1 1 节描述的更为复杂 这里只讨论单轴晶体 要研究光在各向异性的双折射晶体中传播和折射的规律 也需 要知道波面的情况 我们知道 在各向同性媒质中的一个点光源 它可以是真正的点 光源 也可以是惠更斯原理中的次波中心 发出的波沿各方向传播的 速度 v c n 都一样 经过某段时间 t 后形成的波面是一个半径为 v t 的球面 在单轴晶体中的 o 光传播规律与普通各向同性媒质中一样 它 沿各方向传播的速度 o 相同 所以其波面也是球面 图 1 5 a 但 e 光沿各个方向传播的速度不同 沿光轴方向的传播速度与 o 光一 样 也是 o 垂直光轴方向的传播速度是另一数值 e 在经过 t 时间后 e 光在波面如下图 1 5 b 所示 是围绕光轴方向的回转椭球 面 把两波面画在一起 它在光轴的方向上相切 见图 1 6 为了说明 o 光和 e 光的偏振方向 我们引入主平面的概念 晶 体中某条光线与晶体光轴构成的平面 叫做主平面 上图的纸平面 就是其上画出各光线的主平面 o 光电矢量的振动方向与主平面垂 直 e 光电矢量的振动方向在主平面内 单轴晶体分为两类 一类以冰洲石为代表 e o e 光的波 面是扁椭球 这类晶体叫做负晶体 另一类以石英为代表 ene 对于正晶体 no ne 冰洲石和石英对于 几条特征谱线的 值列于表 1 内 表 1 单轴晶体的 no 与 ne 方解石 冰洲石 水晶 即石英 元素谱线波长 埃 nonenone 4046 561 681341 496941 557161 56671 Hg 5460 721 661681 487921 546171 5535 Na5892 901 658361 486411 544251 55336 6 晶体的惠更斯作图法晶体的惠更斯作图法 用惠更斯原理求各向同性媒质中折射线方向的方法 在晶体中 求 o 光和 e 光的折射方向也需用这个方法 下面我们先把该节中讲 的惠更斯作图法的基本步骤归纳一下 如下图所示 1 画出平行的入射光束 令两边缘光线与界面的交点分别为 A B 2 由先到界面的 A 点作另一边缘入射线的垂线 AB 它便是入射 线的波面 求出 B 到 B 的时间 t BB c c 为真空或空气中的光速 3 以 A 为中心 vt 为半径 v 为光在折射媒质中的波速 在折射 媒质内作半圆 实际上是半球面 这就是另一边缘入射线到达 B 点 时由 A 点发出的次波面 4 通过 B 点作上述半圆的切线 实际上为切面 即第一章 2 中所 说的包络面 这就是折射线的波面 5 从 A 联结到切点 A 的方向便是折射线的方向 现在把这一方法应用到单轴晶体上 图 1 7 b 这里情况唯一不 同之处是从 A 点发出的次波面不简单地是一个半球面 而有两个 一是以为半径的半球面 o 光的次波面 另一是与它的光轴方向上相 半椭球面 其另外的半主轴长为 e 光的次波面 作图法的 1 2 两 步同前 第 3 步中应根据已知的晶体光轴方向作上述复杂的次波面 第 4 步中要从 B 点分别作 o 光和 e 光次波面的切面 这样得到两个 切点和 从而在 5 步中得到两根折射线和 A 它们分别是 o 光和 e 光 的光线 7 克尔效应与泡耳斯效应克尔效应与泡耳斯效应 电场也可以使某些物质产生双折射 如图在一个有平行玻璃的小盒内封着一对于行板电极 盒内充 有硝基苯 C6H5NO2 的液体 两偏振片的透振方向垂直 极间电 场与它们成 450 电极间不加电压时 没有光线射出这对正交的偏 振片 这表明盒内液体没出息双折射效应 0 当两极板间加 上适当大小的强电场时 E 104V cm 就有光线透过这个光学系 统 这表明 盒内液体在强电场作用下变成了双折射物质 它把进 来的光分解成 e 光和 o 光 使它们之间产生附加位相差 从而使出 射光一般成为椭圆偏振光 这种现象叫克尔效应 J Kerr 1875 年 实验表明 在克尔效应中 ne no E2 从而 或写成等式 比例系数 B 称为该物质的克尔常数 硝基苯对于钠黄光 5893 埃 的克尔常数 B 220 107CGSE 单位 克尔效应不是硝 基苯独有的 即使普通的物质 如水 玻璃 也都有克尔效应 不 过它们的克尔常数 不过它们的克尔常数要小 2 3 个数量级 值得 注意的是 克尔效应与电场强度 E 的平方成正比 所以 与正 负 取向无关 硝基苯克尔效应的驰豫时间 即电场变化后 跟随变化所需的 时间 极短 约为 10 9s 的数量级 所以用硝基苯的克尔盒来做高 速光闸 光开头 电光高层调制器 利用电讯号来改变光的强弱 的器件 在高速摄影 光束测距 激光通讯 激光电视等方面有 广泛的应用 双折射的应用很广泛 医学 科研等方面广泛应用 双折射被 广泛用于光学器件 如液晶显示器 光调制器 彩色滤光片 波片 光轴光栅等 它也起着重要作用的二次谐波产生和许多其他的非线 性过程 双折射滤波器也被用来作为空间的低通滤波器在电子照相 机 晶体的厚度控制在一个方向传播的图像 从而增加了现货大小 这是必需的所有电视和电子胶片相机的正常工作 避免空间的别名 频率高于折叠回可以持续通过相机的像素矩阵 医学利用双折射在 医疗诊断 从下面几个方面说明双折射的应用 1 1 晶体偏振器 晶体偏振器 双折射现象的重要应用之一是制做偏振器件 因 o 和 e 光都是 100 的线偏振光 这一点比前面讲过的几种偏振器 偏振片和玻片 堆 性能更优越 利用 o 光和 e 光折射规律的不同可以将它们分开 这样我们就可以得到很好的线偏振光 用双折射晶体制做的偏振器 件 双折射棱镜 种类很多 我们不打算在这里全面介绍 只举出几 种为例来说明其原理 1 洛匈棱镜和渥拉斯顿棱镜 如图洛匈 Rochon 棱镜的结构和光路 它是由两块冰洲石的直 角三棱镜粘合而成的 光轴的方向如图所示 相互垂直 当自然光 正入射到第一块棱镜上时 由于光轴与晶体表面垂直 各方向振动 的波速都是 不发生双折射 到了第二块棱镜 由于光轴与入射面 垂直 光线将服从普通的折射定律 不过对于 o 光两棱镜的折射率 都是 它仍沿原方向前进 但对于 e 光 折射率由变到 因为在冰 洲石 负晶体 内 它将朝背离第二块棱镜的底面方向偏折 于是最 后 o 光和 e 光分开了 遮掉其中一束 譬如 e 光 即得到一束很好的 线偏振光 如图所示是渥拉斯顿 W H Wollaston 棱镜 它和洛匈棱镜不同 之处只在于第一块冰洲石棱镜的光轴与入射界面平行 o 光和 e 光 在棱镜内折射的情况已图中画出 为什么是这要 留给读者自己分 析 2 尼科耳棱镜 尼科耳棱镜 W Nicol 1828 是用得最广泛的双折射偏振器件 对 它的结构我们介绍得稍详细一些 如 取一冰洲石晶体 长度约为 宽度三倍 按定义 包含光轴和入射界面法线的平面为主截面 在 天然晶体中此主截面的对角和原煤为 将端面磨去少许 使得新的 对角和变为 见图 将晶体沿垂直主截面且过对角线的平面剖开磨 平 然后再用加拿大树胶粘合 加拿大树胶是一种折射率介于冰洲 石和之间的透明物质 对于钠黄光 而 按照上述设计 平行于 棱边的入射光进入晶体后 o 光将以大于临界角的入射角投在剖面 上 它将因全反向而偏折到棱镜的侧面 在那里或者用黑色涂料将 它吸收 或者用小棱镜将它引出 至于 e 光 由于它与光轴的夹角 足够大 在晶体内的折射率仍小于加拿大胶内的 从而不发生全反 射 于是从尼科耳棱镜另一端射出的将是单一的线偏振光 尼科耳棱镜的一个缺点是入射光束的会聚角不得过大 设想图 中的入射线 SM 向上偏离 则 o 光投在剖面上的入射角 当入射线 达到某一位置 SoM 时 o 光将不发生全反射 若 SM 向下偏离 则 e 光与光轴的夹角变小 从而折射率变大 且投在剖面上的入射角 也增大 当入射线达到某一位置 SeM 时 e 光也被全反射掉 计算 表明 入射光线上 下两方的极限角 使用尼科耳棱镜对此波段不 适用 这时可使用洛匈棱镜或渥拉斯顿棱镜 2 2 波晶片波晶片 位相延迟片位相延迟片 用双折射晶体除了可以制做偏振器外 另一重要用途是制做波 晶片 波晶片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板 其表面与晶 体的光轴平行 见图 2 4 这样一来 当一束平行光正入射时 分解成的 o 光和 e 光传播方 向虽然不改变 但它们在波晶片内的速度 o e3 不同 或者说 波晶片对于它们的折射率 no c o ne c e 不同 设波晶片的厚 度为 d 则 o