晶体光学性质地观测分析报告林兰凤

1、实用文档 晶体光学性质的观测分析 学号：10329056 姓名：林兰凤班别：10光信息二班 合作人：陈蕾清 实验日期：2012/11/08, 2012/11/15 一、实验目的 1. 熟悉单轴晶体光学性质，晶体的消光现象，干涉色级序； 2. 了解偏光显微镜原理及掌握其使用方法； 3. 观测晶体的类别，轴向和光性正负等过程，估计晶片光程差。 二、实验仪器 XP-201型透射显微镜：光源，起偏镜，聚光镜，旋转载物台，物镜，补偿器插口，检 偏镜，勃氏镜，目镜。 三、实验原理 （一）晶体双折射、光率体。 折射率与光的传播方向及光矢振动方向有关的晶体称为各向异性晶体。光通过各向异性 晶体时会出现双折射现

2、象，并表现出偏振性质。在各向异性晶体中总是存在一个或两个方向 不会不会发生双折射现象，称为晶体的光轴。据此又可将晶体分为单轴晶跟双轴晶。其中， 折射率不随入射方向而改的成为o光或寻常光，折射率随入射方向而改的成为e光或非寻常 光。o、e光都是偏振光。 可以用几何图形直观地表示晶体中光波各矢量间的方向关系，及各传播方向相对应的光 速或折射率在空间的取值分布， 这类图形称为晶体光学示性曲面。 光率体就是最常见的晶体 光学示性曲面，它是以主折射率为主值的椭球。单晶体中ne n的称为正光性单轴晶，反 之称为负光性单轴晶。 止 图1单轴晶光率体的三种中心截面 图1给出了单轴晶光率体的三种中心截面。圆截面

3、：垂直光轴的圆，半径为n。；主截 面：包含光轴的椭圆截面，它的一个半径为no，与光轴垂直，另一个半径为 ne，与光轴平 行。0光振动方向必垂直于主截面，e光的振动方向则平行主截面；任意截面：是一个椭圆， 截面法向N与光轴成r角。 （二）正交偏光干涉： 在偏光显微镜中，当上下偏光镜的振动面互相垂直时，称为正交偏光镜。如在正交偏光 镜间不放入任何介质或放入各相同性晶体时，光线无法通过正交偏光镜，所以视域是黑暗的； 当放入各相异性晶体时，由于晶体双折射效应和晶片厚度、晶轴取向的不同而产生不同的干 涉现象。 图2正交偏光镜间的干涉现象 由光学知识：如图2所示：当在正交偏光镜之间加入一各相异性晶体时，一

4、束波长为入 的光波经正交偏光镜和晶片后，会变成大小相等而振动方向相反，频率相同，位相差恒定的 两束光（。光和e光），它们满足干涉条件，由平面波叠加原理，其合成光波振幅为: n22：si n2 d(ne 。)二(1) 其合成光强： A2 一（2） 由上式可以看出：正交偏光镜干涉光强分布状况与晶体轴向与起偏器夹角，厚度d , 双折射率.n及入射波长有关，Aoe为透过起偏器后的偏振光振幅。 1单色光干涉 对于单色光，当n,n =0,1,2川时，si n2：=0,即当晶体的轴向与正交偏光镜其 2 中之一的偏振方向一致时，合成光强为0,视野全暗，此现象称为消光现象，此时，晶片的 位置称为消光位置。当二（

5、2n 1）n,n =0,1,2,3|11时，si n2二1,，即当晶片的轴向 4 处于两个偏光镜的偏振方向中间时，合成光强最大，视野最亮。显然，转动晶片360,会 出现四暗、四明现象。 当晶体的双折射率 An不变时，厚道d变化，这相当于石英楔子的情况，不同厚度 的光程差.： = d （ne -n。）也不相同，所以当石英楔子由薄至厚插入时，就会观察到有规律 的明暗相间的干涉条纹。 2、白光干涉 用白光照明时，由于各色光波长范围不同，所以对于某一个d值，不同色的光不可能 同时达到相消或相长，干涉条纹是由光强不为零的各种单色光混合组合而成，称为干涉色。 干涉色随着晶片厚度增加而出现有规律的变化，就是

6、干涉色级序，大约每560nm光程差划分 一个干涉色级序，通常可分为四个级序，光程差越大则干涉色级序越高。每个干涉色级序中， 颜色的一次明显改变称为一个色序，各色序之间颜色是连续变化的。对于同一石英楔子， 波 长越短，其明暗条纹间距亦越短。 3 光程差补偿原理 如果在正交偏光镜间放两块晶片，设光线通过晶片1和晶片2的光程差分别为 厶1和厶2 , 当两晶片同名轴（快慢轴）平行时，则通过两晶片的总光程差.: = M +二2，其干涉色比 原来两晶片单独放入时的干涉色都高；当两晶片异名轴平行时，则通过两晶片的总光程差: =1 厶2 ,其干涉色比其中之一晶片单独放入时的干涉色低。若两晶片的光程差相等，则

7、丄=I 2 = 0,此时两晶片的光程差互相补偿，视域全暗。上述光程差叠加和补偿的规律称为补色法则。 若将晶片2换成石英楔子，且慢慢推入石英楔子，使：2逐渐增加。此时，如果晶片 1 与石英楔子同名轴平行，总光程差厶是递增的，导致干涉色逐渐升高；如果晶片 1与石英 楔子异名轴平行，总光程差 厶是递减的，导致干涉色逐渐降低。所以如果知道一个晶片快 慢轴方向知道，可以通过干涉色升降情况可以确定另一个晶片的快慢轴方向。还可以通过查 表估算另一个晶片的光程差。 （三）锥光干涉： 在正交偏光镜的条件下， 在光路中加入聚光镜和勃氏镜便构成了锥光装置。通过锥光装 置在视域中出现的干涉图像称为锥光干涉图，它不是晶

8、体本身的像， 而是锥形偏光通过晶片 后到达上偏光镜所产生的干涉效应的总和。 :a；立体朝 .h）俯视圉 大全 图3单轴晶垂直光轴切片锥光干涉图 当晶片为垂直光轴切片时， 如图3所示，光锥中有一系列光通过晶片，每一条光在晶片 中有两个互相垂直的振动方向，它们的折射率分别为ne和no；包含在PP（或者AA面与光 轴组成的面（主截面），非常光是在PP（或者AA面内振动的，寻常光则是在垂直主截面的 面内振动。因此通过晶片后光的偏振方向不会改变，都平行与下偏振片的偏振方向，与上偏 视域中观察到一个亮环。如果光源是白光，仍然可 光镜偏振方向垂直，不能通过上偏光镜，因此在视域中平行 PP和AA方向就会产生一

9、个黑十 字消光影。单色光的锥光干涉除了有黑十字消光影之外，还有互相交替的亮圆环跟暗圆环。 这是因为不平行与 PP、AA方向的光在晶片中分解成两互相垂直的偏振光。从光锥的轴愈向 外，光程差愈大。如果这个光程差为波长整数倍，就会产生相消干涉，视域中出现暗环；如 果是半波长的奇数倍，则产生相长干涉， 以观察到黑十字消光影。 不同的是原来的黑亮相间圆环变成交替出现的彩环可以利用垂直光 轴晶片的锥光干涉来判断和检验晶体光性正负。在垂直光轴切片的锥光干涉图上，o光跟e 光的振动方向如下图 4所示。此时插入试板，观察干涉图中四个象限干涉色序的升降，根据 消光原理判断ne是快轴还是慢轴，从而确定待测样品光性正

10、负。 升 降 升 ：r = b）负光性 图4单轴晶体光性正负的测定 （三）晶体旋光性、埃利旋： 当一束线偏振光通过某些物质后，光的振动方向会随着在物质中的传播距离增加而逐渐 发生旋转，这种现象称为旋光现象。 具有旋光性的物质，称为旋光物质。旋光有左右旋之分, 因此旋光物质也有左旋物质和右旋物质之分。 对于旋光物质而言，振动面旋转的角度与通过旋光物质厚度 d成正比，即 ? - . d 其中，比例系数=称为该旋光物质的旋光率，它是一个与入射光波长有关的量。如在 正交偏光镜中加入左旋或者右旋石英片，当石英片厚度很薄时，干涉图仍是黑的，一般不易 观察到偏光面的转动。如果石英片厚度较大，干涉图就不再是黑

11、的了。 对于单色光，将分析 镜转动一个角度，即可使干涉图重新变黑。对于白色光，当转动分析镜时会所发生颜色上变 化，对于左旋（或右旋）石英，当分析镜逆时针转动（或顺时针转动）时，晶体的颜色会由 绿色变蓝色在变为紫色。 在聚敛光中，光轴干涉图的中央部分会出现与正交偏光镜相同的现 象。 如果将相当厚度的右旋与左旋石英片叠置在一起，在聚敛光中可以看到特殊旋转干涉图， 称为埃利旋，其四臂或是右旋或是左旋，主要决定于是哪一晶片放在下面。右旋石英置于左 旋石英之下，会观察到右旋。左旋置于右旋石英之下，会观察到左旋。所以可以利用埃利旋 在晶片中识别由左旋和右旋两种石英单体所构成的双晶。 四、实验内容及现象记录

12、 1仔细阅读说明书，了解偏光显微镜的结构及使用方法 2, 校正仪器中心，即调节物镜光轴与物台中心重合。选用低倍物镜，载玻璃片上选一小黑 点，并将小黑点转制十字丝中心，转动载物台，如物镜光轴与载物台中心不重合，小黑点会 绕一圆心转动，此圆心即为载物台中心，调节物镜中心调节螺丝，氏物镜中心移至载物台中 心，反复重复调节直至小黑点不再转动为止。 实验时间：2012/11/08 14:30 实验操作：校正仪器中心完毕 3, 调整上下偏光镜正交，并使目镜十字丝与上下偏光镜偏振方向平行；在正交偏光镜条件 下，将不同的晶体放在载物台中心，缓缓移动载物台一周，在目镜中仔细观察，准确，完整， 简练地描述和记录你

13、所观察到地原始实验现象。深刻理解什么是全消光，什么是四次消光； 并判断给出地几种未知样品是各向同性质还是各向异性。 实验时间：2012/11/08 15:15 实验操作： 1.观察全消光现象及几个晶片的消光现象，把看到的现象填入表格一中 载物台上不放任何的晶片，调节起偏器及检偏器，可以看到，当两片偏振片偏振方向平 行时，通过目镜上可以看到视场最亮；当两片偏振片偏振方向垂直时，通过目镜上可以 看到视场全暗。这就是全消光现象。 把A4晶片放在载物台中心，缓慢旋转载物台一周，发现四明四暗现象，这就是四次消 光。将最明、最暗时的转过的角度填入表格一中。 同理，用B片替换A4晶片，重复以上操作，也观察到

14、四次消光现象。 用C片替换B片后，发现无论如何旋转载物台，视场的亮度都毫无变化。 表格1观察晶片的四次消光数据记录 A1晶片 载物台转过的角度/ 54.0 98.8 142.8 188.0 234.0 279.0 323.5 9.0 明暗变化 明 暗 明 暗 明 暗 明 暗 角度变化/ 44.8 44.0 45.2 46.0 45.0 44.5 45.5 45.0 B晶片 载物台转过的角度/ 17.0 62.0 108.0 152.0 195.0 241.0 288.0 332.0 明暗变化 暗 明 暗 明 暗 明 暗 明 角度变化/ 45.0 46.0 44.0 43.0 46.0 47.0

15、 44.0 45.0 C晶片 明暗无变化 表格2 :观察晶片的四次消光现象记录 晶片样品 异同性 现象 A1晶片 各向异性 随晶片转动一周，目镜中互明互暗交替四次，明亮呈绿色 B晶片 各向异性 随晶片转动一周，目镜中互明互暗交替四次，明亮呈淡黄色 C晶片 各向同性 一片黑暗，转动晶片无色彩变化 实验分析: 上下偏振片偏振方向正交，所以不加晶片的时候，视场全暗。但是加入晶片之后，改变 了偏振方向，对于单色光，当a=0, n /2 , n,时，Sin2 a = 0,即当晶体的轴向与正交偏 光镜其中之一的偏振方向一致时，合成光强为0,视野全暗，出现消光现象，此时，晶片的 位置为消光位置。当a = n

16、 /4 , 3n /4 , 5 n /4，时，Sin2 a= 1即当晶片的轴向处于 两个偏光镜的偏振方向中间时，合成光强最大，视野最亮。因此，转动晶片一周，出现四暗、 四明现象。所以实验时会发现晶片转到某些地方的时候，偏振光完全经过上偏振片；转到某 些地方的时候，偏振光完全正交偏振片，消光。通过角度变化的对比，可以看出，角度变化 大概是45，符合四次消光原理。 判断晶片是各向同性还是各向异性： 因为A4及B晶片随着光轴转动的角度变化而产生明暗变化，所以是各向异性晶体；C 晶片则没有明暗变化，所以是各向同性晶体。 4, 对已检出地各向异性晶片，用一级红插片判别其慢光方向，并估计其光程差，说明判断

17、 依据。正交偏光镜成 45度的位置，然后在试片孔中缓缓插入石英楔子，记录视域中出现得 干涉色，查阅表，根据其色序升降确定样品得慢光振动方向。同理可对斜切和平切片进行上 述操作，有余力的同学还可以对垂直切片进行观测，看看能得出什么结果。 实验时间：2012/11/08 15:45 实验操作： 将一级红插片插入补偿器插口，可以观察到视场的颜色变成了紫红色。 将A1晶片放在载物台中心，缓慢转动载物台，发现视场的颜色大概在干涉级序I的下 半部分及II的上半部分，具体颜色为橙色与绿色之间。 表格3:晶片与一级红插片叠加后的现象 A1晶片 角度/ 75 165 颜色 蓝绿 淡黄 波长/nm 760 375

18、 B晶片 角度/ 23 113 颜色 淡黄 蓝绿 波长/nm 360 720 插入一级红插片 由光程差补偿原理可知: =AH 二1* =2 ， AL = 2- 1 1 九L ,2 A1晶片快光与慢光方向如下坐标图所示: 11 同名轴：角AH al760 375i； = 567.5nm 22 1 .1 异名轴：2AH - AL(760 - 375) = 192. 5nm B晶片快光与慢光方向如下坐标图所示: 11 同名轴：匚 1ah 亠、al720 360 = 540nm 22 1 异名轴：二2AH -八AL 2 720 一 360) = 180nm 实验分析: 我们知道，已知一级红插片的快轴，

19、禾U用光程差补偿原理：同名轴平行，光程差最大， 干涉色最高；异名轴平行，光程差最小，干涉色最低。所以只需要直接找到干涉周期中干涉 色最高与最低的颜色，然后对比干涉色表找出两片晶片的光程差，即可计算出两片晶片分别 的光程差。由于看到B晶片的干涉色最高、最低，跟A1晶片相比，颜色几乎一样，所以两 片晶片的光程差一样。 5, 锥光干涉光测：光路中加入锥光镜和勃氏镜，仔细观察晶片得锥光干涉图，然后转动载 物台，观测图形得变化。对各种样品都进行观察和记录，找出这些干涉图得相同点和不同点。 有余力的同学，可以换用高倍物镜重复上述操作，但必须重新校正物镜中心。 鉴定光性正负： 依据实验原理所提供得方法，确定

20、所有垂直切片得光性正负，鉴定斜切样品得光性正负。 实验时间：2012/11/15 14:35 实验步骤： 调整上下偏振片，使其正交偏振，把锥光镜插入显微镜光路中，把LN晶片放到载 物台上， 可以看到视场中有一个巨大的十字黑交叉，沿半径向外，黑色交叉的宽 度越来越大。其他地方则出现白光彩色干涉条纹。 慢速旋转载物台，图像不发生变化。 插入石英楔子插片，可见图像的一三象限干涉色序降低，二四象限干涩色序升高； 一三象限干涉彩环向外扩张，二四象限干涉向内收缩； 实验分析： 因为锥光镜是中心聚焦的，而且LN晶片的光轴是Z轴，即平行于光路方向，所以旋转 载物台不会影响干涉的分布，即图像不变化。根据快慢轴同

21、异名，可以判断出LN晶片为负 光性 KNSBN片：加入勃氏镜看到的锥光图案与LN片的图案相似，中间出现黑色消光十字，十 字周围出现明暗彩色条纹，转动载物台条纹无变化。 插入石英楔子，条纹在第一、三象限不断扩张，在第二、四象限不断收缩； 抽出石英楔子，条纹在第一、三象限不断收缩，在第二、四象限不断扩张； 由此判断KNSBN片为负光性。 大方石英片：观察大方石英片的锥光干涉图案，可看到彩色条纹，但看不到黑十字，中心 有黄白亮斑。缓慢插入石英楔子，观察到一、三象限干涉色序升高，干涉条纹向内 收缩，由此可判断大方石英片为正光性。 小圆石英片：小圆石英片的锥光干涉图案与大方石英片的图案相似，但小圆石英片

22、的颜色 更明亮，条纹变化更明显。缓慢插入石英楔子，观察到一、三象限干涉色序升高， 干涉条纹向内收缩，由此可判断小圆石英片为正光性。 片：未插入一级红插片时图案没有出现彩色条纹，只有黑十字，视野一片白色，缓 慢插入一级红插片后，观察到一、三象限干涉色序列升高，故片为正光性。 6, 禾U用观察埃利旋转向得方法，判断方和圆两片石英得旋光性质。 实验时间：2012/11/15 15:00 实验步骤： 把小圆石英片和大方石英片叠加，小圆石英片在大方石英片下方，放到载物台上，通过 显微镜目镜可以看到图 5图像。 把大方石英片放在小圆石英片下方，再放到载物台上，通过显微镜目镜可以看到图6图 像。 图5 :小

23、圆石英片置于大方石英片下 图6:大方石英片置于小圆石英片下 实验分析： 出现以上现象是因为晶体的旋光性特性，以上的图像称为埃利旋。 分析可知，小圆石英片是 右旋石英，而大方石英片是左旋石英。 思考与讨论 1. 对于观察者来说，观察消光现象和观察锥光干涉图时，分别注重观察什么内容？ 答：观察消光现象时，应该注重观察视场中亮度的变化，要确保视域能出现全黑，这个是保 证两个偏光镜正交的基准； 观察锥光干涉的时候， 应该注重观察中间十字黑叉和彩色干 涉环。 2. 实际观察到的消光现象与你设想的有哪些不同？如何解释 ？ 答：实际观察到的视场在完全消光的情况下并不是像理论上那要完全黑暗，仍然有十分微弱 的光出现；其原因是上下偏振片的偏振方向并不完全垂直，而且上下偏振片方向刻度的 不完全准确。 3. 观察消色时，你看到的颜色可能没有列表中的那么丰富，为什么？此时你该如何应用 消色法则？ 答：原因是实验中使用的是自然白光，所以干涉颜色有限；肉眼的对颜色的分辨能力有