晶体的双折射现象ppt课件

晶体的双折射现象 光学器件最常用的透明固体介质材料 晶体和非晶体 晶体 内在结构长程有序的固体 其原子 离子或分子 在空间排列上具有一定的规则性 生长良好的单晶体具有规则的几何外形 自然界中存在的七大晶系 按晶体的空间对称性分类 立方晶系 正方 四方 四角 晶系 六角 六方 晶系 三角 三方 晶系 正交 斜方 晶系 单斜晶系 三斜晶系 说明 非晶态 如玻璃 熔融石英等 一般不具有长程有序的内在结构 并且由于其原子或分子的热运动以及在空间排列上的随机性 其光学性质一般在宏观上呈现出各向同性 除立方晶系的单晶体具有空间各向同性的光学性质外 一般单晶体的光学性质均具有空间上的各向异性 在一定的外界物理场 如机械或热应力 电场 磁场等 作用下 某些非晶态介质 甚至立方晶晶体 会在宏观上由各向同性转变为各向异性 这种场致各向异性与晶体的自然各向异性具有类似的特点 石英 最常用的两种各向异性晶体 又称冰洲石 属六角晶系晶体 其化学成分为碳酸钙 CaCO3 结构上易解理成菱体 斜六面体 菱面的锐角为78o08 钝角为101o52 纯质的方解石晶体呈无色透明状 且在天然状态下可以形成较大尺寸 是制造偏振光学器件的重要材料之一 又称水晶 属三角晶系晶体 其化学成分为二氧化硅 SiO2 结构上易解理成角锥状 纯质的石英晶体呈无色透明状 因而也是制造偏振光学器件的重要材料之一 方解石 光 玻璃 纸面 光 玻璃 纸面 光 玻璃 纸面 光 玻璃 纸面 光 玻璃 纸面 光 玻璃 纸面 光 玻璃 纸面 光 玻璃 纸面 光 玻璃 纸面 光 光 纸面 方解石晶体 光 光 纸面 方解石晶体 纸面 方解石晶体 光 光 纸面 方解石晶体 光 光 纸面 方解石晶体 光 光 纸面 方解石晶体 光 光 纸面 方解石晶体 光 光 纸面 方解石晶体 光 光 纸面 方解石晶体 光 光 纸面 方解石晶体 光 光 纸面 方解石晶体 光 光 纸面 方解石晶体 光 光 纸面 方解石晶体 光 光 纸面 方解石晶体 光 光 纸面 方解石晶体 光 光 纸面 方解石晶体 光 光 纸面 方解石晶体 光 光 纸面 方解石晶体 光 光 纸面 方解石晶体 1 放玻璃板时看到一个字 玻璃是各向同性介质 光射到各向同性介质的表面时它将按折射定律向某一方向折射 这是一般常见的折射现象 2 放方解石晶体时看到两个字 方解石是各向异性晶体 一束光射到各向异性介质中时 折射光将分为两束 一 双折射的概念 1 双折射现象 一束光线进入某种晶体 产生两束折射光叫双折射 2 寻常光 o光 和非寻常光 e光 o光 遵从折射定律 e光 一般不遵从折射定律 e光折射线也不一定在入射面内 o光与e光均为线偏振光 3 晶体的光轴 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 光轴是一特殊的方向 凡平行于此方向的直线均为光轴 单轴晶体 只有一个光轴的晶体 如方解石 石英 红宝石等 双轴晶体 包含两个光轴的晶体 如云母 蓝宝石 结晶硫磺等 主截面 包含晶体光轴与界面法线的平面 主平面 包含光轴及所考察光线的平面 说明 主截面的方位由晶体自身特性决定 且始终垂直于晶体的表面 一般情况下 o主平面与e主平面是不重合的 4单轴晶体中的主截面与主平面 主截面与主平面 e光是光矢量与e主平面平行的线偏振光 当光轴在入射面内时 主截面 o主平面 e主平面都重合 实验表明 o光是光矢量与o主平面垂直的线偏振光 在单轴晶体中 o光子波的波面为球面 因而沿各个方向的传播速度相等 e光子波的波面为旋转椭球面 因而沿各个方向的传播速度不相等 两个波面在晶体的光轴方向相切 因而任何子波沿光轴方向的传播速度相同 不发生双折射现象 双折射现象的理论解释 正晶体 ne no 负晶体 ne no ve vo ve vo e光 n0 ne称为晶体的主折射率 正晶体 负晶体 几点说明 1 以上讨论的是自然光入射情形 双折射总是存在的 2 若入射的光是线偏振光 当偏振方向垂直入射面 则在晶体中只能引起o光的次波波面 折射光只有o光 3 若入射的光是线偏振光 当偏振方向在入射面内 则在晶体中只能引起e光的次波波面 折射光只有e光 4 当入射线偏振光的振动方向为斜向时 才有双折射 双折射的两束光的强度按振幅分解来计算 5 可利用晶体的双折射现象获得线偏振光 一 尼科耳棱镜 由方解石切割再用树胶粘合而成 尼科耳棱镜工作原理 自然光在AB面折射为o光和e光 o光以约76 入射到AC的加拿大树胶层上 被AC面全反射 只有e光出射 产生偏振光 获得线偏振光的器件 偏振棱镜 o光 而i 76 69 全反射 二 渥拉斯顿棱镜 将两个直角的方解石棱镜沿斜边胶合起来 光在第一棱镜中不分开 但光线垂直于光轴 因而两束光传播速度不同 第二棱镜的光轴垂直于第一棱镜 所以第一棱镜中的E光为第二棱镜中的O光 由于ne no 相当于光由光疏介质入射光密介质 折射线近法线 而第一棱镜的O光为第二棱镜中的e光 相当于光由光密介质入射光疏介质 折射线远离法线 如图所示 三 格兰 汤普森棱镜 将两个直角的方解石棱镜沿斜边胶合起来 其中第一棱镜内的o光在胶合面处发生全反射 思考 如何检测各类偏振光 检偏器可以检测出所有偏振态吗 如何将椭圆偏振光和圆偏光分别从部分偏振光和自然光中分离出来 波片 波片 是由晶体制成的有准确厚度的薄片 也叫做相位补偿器 其光轴与薄片表面平行 波片的作用是使波片内传播的o光与e光通过波片后产生一确定的光程差和相位差 波片的厚度 当两束光射出晶体面 1 四分之一波片 1 定义 能使o光和e光的光程差等于的晶片称四分之一波片 2 四分之一波片的厚度正晶体 3 作用 产生附加位相差 平面偏振光经1 4波片后 出射光是正椭圆偏振光 两个振动方向互相垂直的简谐振动的合振动 由自然光得到椭圆 园 偏振光 椭圆 圆 偏振器 圆偏振光与自然光的检定 判断 旋转一周过程中 若有消光现象出现为圆偏振光 否则为自然光 方法 在偏振片的前面加入一块四分之一波片 仍以入射光为轴旋转偏振片 为什么 两个振动方向互相垂直的简谐振动的合振动 原理 已知圆偏振光中o e光的位相差为 2 通过四分之一波片后 又产生了 2的相差 则o e光的总相差为0或 这样 通过四分之一波片后圆偏振光将变为线偏振光 因此在旋转棱镜或偏振片时会有消光现象出现 而自然光通过四分之一波片后不会变为平面偏振光 故没有消光现象出现 椭圆偏振光与部分偏振光的检定 让椭圆偏振光和部分偏振光通过一个偏振片时 旋转中均会出现光强大小变化但无消光的相同现象 无法区分 方法 在偏振片前放入一块四分之一波片 并设法使椭圆的一个轴与四分之一波片的光轴平行 以入射光为轴旋转偏振片 旋转一周过程中 若有消光现象出现者是椭圆偏振光 否则为部分偏振光 原理 当椭圆偏振光任一主轴与四分之一波片光轴平行时 o e光相差为 2或3 2 经四分之一波片后又产生了 2相差 则最后的总相差为0或 成为一束线偏振光 因而会有消光现象出现 而部分偏振光经四分之一波片后无法变为平面偏振光 故无消光现象 2 半波片能使o光和e光的光程差等于奇数倍的晶片 称半波片 其厚度线偏振光垂直入射到半波片而透射后 仍为线偏振光 如果入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为 则透射光仍为线偏振光 振动面从原来的方位转动2 角 振动方向从一三象限转到二四象限 半波片常用于改变或调整线偏振光的振动方向 3 补偿器 1 为什么要使用补偿器 上述检验椭圆偏振光的实验中 若不用补偿器 必须事先知道片的光轴方向 而且在实验过程中 必须使的光轴精确地平行于椭圆的主轴 这是很难办到的 为了克服这些困难 比较好的方法是采用补偿器 因为任何位置的椭圆可认为是由两个互相垂直的振动在位相差的情况下合成的 要使这种椭圆偏振光变成平面偏振光 则应另行设法引进可以任意变更的位相差作为补偿 目的是使与 的总和等于o或 2 巴俾涅补偿器由两块光轴互相垂直的楔形石英组成