光通过双折射晶体技术专攻

1、光通过光通过双折射晶体双折射晶体1专业课 双折射：双折射： 一束入射光线进入晶体后，有两束折射光一束入射光线进入晶体后，有两束折射光.一一 双折射的寻常光和非寻常光双折射的寻常光和非寻常光 寻常光线寻常光线o光，光，折射率折射率 为恒量为恒量.onon 非常光线非常光线 e 光，光，折射率随光的传播方向折射率随光的传播方向 不同而不同不同而不同.2专业课光轴光轴 光沿光沿a、b的的连线方向传播时，连线方向传播时，不发生双折射现象不发生双折射现象,这个这个方向方向叫做叫做双折双折射晶体的射晶体的光轴光轴.光轴光轴102ab光轴光轴7878781021023专业课 主截面主截面 当光在一晶体表面入

2、射时，当光在一晶体表面入射时，此表面的法线与光轴所构成的平面此表面的法线与光轴所构成的平面. 当入射面是主截面时，当入射面是主截面时， o 光的振动光的振动垂直垂直主截面；主截面； 光的振动光的振动平行平行于主截面于主截面.e0710109光轴光轴 光光 光光eo实验证明：实验证明： o 光和光和 光均为偏振光光均为偏振光.e4专业课惠更斯原理对双折射现象的解释惠更斯原理对双折射现象的解释o光波阵面光波阵面 光波阵面光波阵面e光轴光轴ovev 寻常光线寻常光线在晶在晶体中各方向的传播体中各方向的传播速度相同速度相同. vcn常量常量onisinsin常量常量5专业课o光波阵面光波阵面 光波阵面

3、光波阵面eeevcn 光轴光轴ovev 非常光线非常光线在晶在晶体中各方向的传播体中各方向的传播速度不同速度不同. e光在垂直于光在垂直于光轴方向的光轴方向的折射率折射率为主折射率为主折射率 .en6专业课1. 双折射现象光束在某些晶体中传播时，由于晶体对两个相互垂直振动矢量的光的折射率不同而产生两束折射光，这种现象称为双折射双折射 (double refraction)。一、晶体一、晶体(crystal)(crystal)的双折射现象的双折射现象4.3 4.3 平面光波在晶体界面的反射和折射平面光波在晶体界面的反射和折射7专业课8专业课2. 寻常光寻常光（ordinary light, o光

4、）光）和非寻常和非寻常光光 （ extraordinary light ,e光）光）两束折射光中，有一束光遵守折射定律，两束折射光中，有一束光遵守折射定律，称为寻常光（称为寻常光（o光）；另外一束一般不遵守光）；另外一束一般不遵守折射定律，称为非寻常光（折射定律，称为非寻常光（e光）。光）。折射定律有两个含义：折射定律有两个含义：a. 折射角的关系，折射角的关系，b. 入射光线和折射光线与入射光线和折射光线与法线同在一个平面。法线同在一个平面。说明：说明：1o光和光和e光与晶体密不可分光与晶体密不可分 2折射定律的含义折射定律的含义9专业课二、晶体特性二、晶体特性 方解石晶体结构（calcit

5、e-caco3）光轴10专业课1、光轴、光轴(optical axis)： 在双折射晶体中存在一个特殊的方向，当在双折射晶体中存在一个特殊的方向，当光束在这个方向传播时不发生双折射，光束在这个方向传播时不发生双折射，此此方向方向称为晶体的光轴。称为晶体的光轴。在光轴方向上，在光轴方向上，o 光和光和 e 光都遵守折射定光都遵守折射定律。而且：律。而且： no=ne11专业课2、主平面(principal plane)和主截面(principal section)：主平面主平面：光线和光轴所组成的平面。 o光主平面光主平面：o光和晶体光轴组成的面为o主平面。 e光主平面光主平面：e光和晶体光轴组

6、成的面为e主平面。主截面主截面(principal section)： 光轴和晶体表面法线光轴和晶体表面法线 (normal line)组成。组成。光线在一般情况下入射晶体，光线在一般情况下入射晶体， o光和光和e光是不光是不同面的。当入射光线在主截面内时，两面重同面的。当入射光线在主截面内时，两面重合。合。12专业课当入射光在主截面内时，当入射光在主截面内时，o光光e光主平面均为光主平面均为主截面。主截面。表面法线nn若方解石晶体各棱等长13专业课1、o光和光和e光都是线偏振光；光都是线偏振光；o光与光与e光的偏振态光的偏振态2、o光振动方向与光振动方向与o光主平面垂直，因而总光主平面垂直，

7、因而总与光轴垂直；与光轴垂直；3、e光振动方向在光振动方向在e光主平面内，因而与光光主平面内，因而与光轴的夹角随传播方向而改变；轴的夹角随传播方向而改变；4、当光线在主截面入射时，主平面与主截、当光线在主截面入射时，主平面与主截面重合，则面重合，则o光振动方向垂直于主截面，光振动方向垂直于主截面， e光振动方向在主截面内；光振动方向在主截面内；14专业课3晶体的分类（晶体的分类（types of crystal）：）： 各向同性晶体（各向同性晶体（isotropic crystal）：）：不不产生双折射现象。如：产生双折射现象。如：nacl 双折射晶体（双折射晶体（anisotropic cr

8、ystal）：）：单轴晶体（单轴晶体（uniaxial）：只有一个光轴方向的）：只有一个光轴方向的晶体。如：方解石晶体。如：方解石(calcite)、石英石英(quartz)。双轴晶体（双轴晶体（biaxial）：有两个光轴方向的晶体。）：有两个光轴方向的晶体。 如：云母如：云母(mica)等。等。15专业课4单轴晶体中波的传播：单轴晶体中波的传播：xyz (光轴)晶体中的波面晶体中的波面16专业课5正负晶体：正负晶体：vo ve时为正晶体(positive crystal)； vo ve时为负晶体(negative crystal)。正晶体：no ne，e光波面（椭球面）在o光波面（球面）之

9、内。负晶体：no ne，o光波面（球面）在e光波面（椭球面）之内。e光光轴optical axise光o光o光17专业课六六. .用惠更斯原理解释光的双折射现象用惠更斯原理解释光的双折射现象惠更斯惠更斯原理：原理：o 光光在晶体内任意点所引起的波阵面是球在晶体内任意点所引起的波阵面是球面。即具有各向同性的传播速率。面。即具有各向同性的传播速率。e 光在晶体内任意点所引起的波阵面是旋转椭光在晶体内任意点所引起的波阵面是旋转椭球面。沿光轴方向与球面。沿光轴方向与o光光具有相同的速率。具有相同的速率。e 光波面o光波面光轴方向光轴方向负晶如方解石负晶如方解石caco3e 光波面o光波面光轴方向光轴方

10、向正晶如石英正晶如石英sio2a aa a七、晶体双折射的作图法：七、晶体双折射的作图法：18专业课1）光轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交）光轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交光轴光轴afeeoeo光轴光轴aeoebfef出射两束偏振方向相互垂直的线偏光出射两束偏振方向相互垂直的线偏光平行光倾斜入射平行光倾斜入射平行光垂直入射平行光垂直入射19专业课2）平行光垂直入射，光轴在入射面内，）平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴垂直于晶体表面。光轴垂直于晶体表面。光轴光轴aeebeoff 出射光沿同方向传出射光沿同方向传播，具有相互垂直的播，具有相互垂直的偏振方向，传播速度偏振方向，传播速度相同，不产

11、生双折射相同，不产生双折射现象。现象。光轴光轴aeebfefo光轴平行晶体表面光轴平行晶体表面 出射光沿同方向传播，具有出射光沿同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，但传播速相互垂直的偏振方向，但传播速度不相同，我们认为产生了双折度不相同，我们认为产生了双折射现象。射现象。（no-ne)d20专业课3)光轴垂直入射面光轴垂直入射面eo光轴光轴光轴光轴aeebeo平行光倾斜入射平行光倾斜入射平行光垂直入射平行光垂直入射出射两束偏振方向相互出射两束偏振方向相互垂直的线偏光垂直的线偏光 出射光沿同方向传播，具有出射光沿同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，但传播相互垂直的偏振方向，但传播速度不相同，我们

12、认为产生了速度不相同，我们认为产生了双折射现象。双折射现象。（no-ne)d1nnrsinisinoo1nnrsinisinee21专业课三、用惠更斯原理解释双折射现象三、用惠更斯原理解释双折射现象图1、光线垂直入射时的双折射现象 a)晶体表面垂直于光轴 b)晶体表面平行于光轴图2、光线在晶体主截面内倾斜入射时的双折射现象 a) 光轴在入射面内 b) 光轴垂直于入射面下一节下一节22专业课图1光线垂直入射时的双折射现象光线垂直入射时的双折射现象 光轴optical axiseeaoaaoa入射光(incident ray)eoeo23专业课图1-a)光线垂直入射时的双折射现象光线垂直入射时的双

13、折射现象(晶体表面垂直于光轴晶体表面垂直于光轴)eeaoaaoaoeoe入射光(incident ray) 光轴optical axis24专业课图1-b-1)光线垂直入射时的双折射现象光线垂直入射时的双折射现象(晶体表面平行于光轴晶体表面平行于光轴)eeaoaaoaoeoe入射光(incident ray) 光轴optical axis25专业课图1-b-2）光线垂直入射时的双折射现象光线垂直入射时的双折射现象(晶体表面平行于光轴晶体表面平行于光轴)eeaoaaoaoeo入射光(incident ray) 光轴optical axis26专业课图图2-a） 光线在晶体主截面内倾斜入射时的双光

14、线在晶体主截面内倾斜入射时的双折射现象（光轴在入射面内）折射现象（光轴在入射面内）27专业课图图2-b）光线在晶体主截面内倾斜入射时的双折）光线在晶体主截面内倾斜入射时的双折射现象（光轴垂直于入射面）射现象（光轴垂直于入射面）28专业课一、偏振器件一、偏振器件(polarizing device)1. 尼科耳棱镜（尼科耳棱镜（nicol prism） 材料：方解石(calcite)48641. 1,65836. 1eonn (一)偏振起偏起偏棱镜第五节第五节 晶体偏振器件晶体偏振器件作用：产生偏振光或检测偏振光。29专业课68。71。90。77。尼科耳棱镜（尼科耳棱镜（w.nicol）光轴尼科

15、耳棱镜尼科耳棱镜(nicol prism)canada balsam 制作制作 原理原理 孔径孔径 缺点缺点30专业课2. 格兰汤姆逊（格兰汤姆逊（glan-thompson）棱镜）棱镜光垂直于棱镜端面入射时aaqa光轴o oe eq qcanada balsam 制作制作 原理原理31专业课aaqa光轴孔径角的限制当入射光束不是平行光或平行光非正入射时ioeioe 孔径孔径 缺点缺点32专业课3. 格兰付科棱镜（格兰付科棱镜（glan-foucault prism）qqaaa)光轴垂直于入射面光轴垂直于入射面e eo o0.56i0.56iiqqaab)光轴平行于入射面光轴平行于入射面e e

16、o o0.86i0.86i33专业课comments nicol prism is a good polarizer, but it is expensive and has a limited field of view (28o). the glan-thompson prism has a wider angular aperture (40o), but is wasteful of calcite and hence even more expensive. the glan-foucault prism has no cement (but a narrow field) and

17、thus is less likely to be damaged at high power densities.34专业课1. 渥拉斯顿棱镜（渥拉斯顿棱镜（wollaston prism）：）： 利用两个正交的光轴分解光。材料：冰洲石。eonn （二）偏振分束棱镜（二）偏振分束棱镜qqtgnne0arcsin 制作制作 原理原理 思考思考 缺点缺点35专业课2.洛匈棱镜（洛匈棱镜（rochon prism）oenn 材料：石英（正晶体） 制作制作 原理原理 思考思考36专业课二、波片（二、波片（ wave plate, 位相延迟器位相延迟器 ）它的作用是：o光和e光通过波片时的光程差(op

18、tical path difference)与位相差(phase difference)：dnndnneoeo2d是波片厚度。使两个振动方向相互垂直的光产生位相使两个振动方向相互垂直的光产生位相(phase)延迟。延迟。制作：制作：用单轴透明晶体做成的平行平板，光轴与表面平行。37专业课快轴(fast axis)和慢轴(slow axis)：快轴：称波片中传播速度快的光矢量(light vector)方向为快轴。慢轴：称波片中传播速度慢的光矢量(light vector)方向为慢轴。波片的快轴和慢轴波片的快轴和慢轴波片的快、慢轴与晶体光轴的关系？38专业课22)41(mmdnneo , 对应的

19、则称该波片是1/4波片，1/4波片的最小厚度：eonnd4min若当n0ne时，e光超前，波片的快轴为e 矢量方向。1、 /4波片波片(quarter-wave plate)39专业课性质：性质：1 1）线偏光入射时）线偏光入射时 若入射线偏光光矢量方向与快、慢轴方向一致时，出射仍为线偏光； 若入射线偏光光矢量方向与快、慢轴都成45度时，出射光为圆偏光。 若入射线偏光光矢量方向与快、慢轴都成其他角度时，出射光为椭圆偏光；40专业课2）圆偏振光通过四分之一波片后，变为圆偏振光通过四分之一波片后，变为线偏振光。线偏振光。 3）椭圆偏振光入射时椭圆偏振光入射时 若长轴或短轴方向与波片的快、慢轴方向一

20、致时，出射光为线偏光； 若为其他方向时，出射光仍为椭圆偏光。 41专业课o光和e光产生的光程差) 12()21(mmdnneo对应的 , 称该晶片为二分之一波片。2、 /2波片波片(half-wave plate)性质：1）圆（椭圆）偏振光入射时，出射光仍为圆（椭圆）偏振光，只是旋向相反；2）线偏振光入射时，出射光仍为线偏振光。若入射的线偏振光与快（慢）轴夹角为，出射光的振动方向向着快（慢）轴转动了2。42专业课线偏振光通过半波片后光矢量的转动线偏振光通过半波片后光矢量的转动线偏振光通过半波片后光矢量的转动入射时entrance快（慢）轴出射时 (exit) 43专业课3、全波片、全波片(fu

21、ll-wave plate)mmdnneo2对应的 , 称该晶片为全波片。性质：1）不改变入射光的偏振状态；2）只能增大光程差。44专业课 波片是对特定的波长而言； 自然光入射波片时，出射光仍然是自然光 为改变偏振光的偏振态，入射光与波片快轴或慢轴成一定的夹角几点注意几点注意45专业课三、补偿器三、补偿器(compensator)巴比涅（babinet）补偿器d1d2入射光(incident light)微量移动212ddnneo46专业课homework(14-5)1. two nicol prisms are set for maximum transmission. if one prism is rotated through 60o1) what percentage of the amplitude is still going through