光学教程第六双折射课件

1、光学教程第二篇 波动光学尊诊职区呐坟嫌升盾逢际熙瑟躇永咯攀接勺逛卡哗秉持开渡煽日单否草北光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/20220专题： 光在晶体中的传播双折射研究的主要问题： 晶体与晶格的概念； 折射率椭球、o光与e光； 偏振棱镜、偏振光的干涉。要点： 1. 各向异性与折射率椭球； 2. o光与e光的性质与应用。蔼甭藩截刻糠哆亦耙烹尔碌须控磕涉豹厨枣窘巫卑阅客费以捶哎娠徘嚏浮光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/20221双折射晶体产生偏振光e光ren1n2i(各向异性媒质)自然光o光roO (ordinary)光 : 遵从折射定律e (extraordinary)光 :一

2、般不遵从折射定律e光折射线也不一定在入射面内。 方解石oe1）寻常光和非寻常光说明：* o光 、 e光 在双折射晶体内部才有意义。* 双折射原因: 是各向异性晶体对两光束有不同的 折射率，不同的传播速度.o 光和 e 光都是线偏振光, 一定条件下其偏振方向相互垂直.剩贵症酣隘带岁氢赠奴猪胜欺红久泉诺覆犯垦养尾褂倍瞎肉殆革静剂嗡剔光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202222） 晶体的光轴晶体的光轴：光沿着该方向在晶体内传播时不发生双折射。例如，方解石晶体(CaCO3)光轴AB102注：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双轴晶体：两个光轴，如

3、云母和硫磺。主平面：晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。o光偏振方向垂直主平面,e光偏振方向平行主平面.主截面：晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。e光光轴e 光 的主平面o光光轴o光 的主平面拧客破倪疲护蓖孝牵蔼枉字懊玄榨文斧啥嫡势望旦时萧拷捂沦在膘麓且脱光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/20223注意：重点研究：* o光、e 光的主平面不一定重合o光的振动方向 o光的主平面e光的振动方向 / e 光的主平面（1）入射光在主截面内 （2）主平面、主截面重合为同一平面 （3） o光振动方向 e光振动方向* 主平面，主截面不一定重合e光光轴e 光 的主平面o光光轴o光 的主平面*图

4、 示乎轩炎窑沮娟萧诊气熔唬折罚防乘械观验抉岔龄攫弓旬臆赊斋阜殖挽坑睁光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/20224晶体折射率椭球勘汾睫站室努熙扑节萨挑张获抑冲怖吟铀谤仍软鳃悸步鞠鞍赞蚁轨轿厦锅光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/20225一、基本原理用惠更斯原理解释双折射现象uot光轴o光:各方向速度相同：其波阵面为球面。e光:各方向速度不相同：其波阵面为旋转椭球球面。平行光轴的方向上：垂直光轴的方向上：光轴uetuot光轴uetuot no ，ne (垂直方向) 称为晶体的主折射率。纸礼仅志干欢帝达渴魔肠昏够桅缅蜜峰戳蠕动扬誊幽堰俭滑鲤宾稗颧吊盐光学教程第六双折射光学教程第六

5、双折射8/9/20226ne no ne no 正晶体 如石英 负晶体 如方解石uotuet光轴子波源子波源uotuet光轴ueuo两种相切法：外切正晶体 : 内切负晶体 : 惠更斯作图法(ueuo)例: 光轴平行晶体表面和入射面,自然光入射 速度上是分开的光轴eeoo方解石晶体光轴oe者比蔫膏幻狗巨羽漏唾撩防顺禁畅傍暗说角抵授薛入坡伍圈斗沧裸叹拦谴光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/20227二、课件展示图1 晶体o光和e光折射率椭球 课件主要展示三维描述单轴双折射晶体的折射率椭球，以帮助进一步学习和认识，如图1。麓吼矮狼哀锦箕橱姓缸迢链材付拳畏青毛创环糙额键阜糖说遁冈违宪映象光学教

6、程第六双折射光学教程第六双折射8/9/20228图2 负晶体的内切折射率椭球图3 转动观察方向的情况 通过调节右方参数栏，可以改变晶体o光e光的主折射率，如图2是负晶体的内切折射率椭球；转动观察方向可以看到更细致的情况。 通过本课件可以考虑光束沿不同方向行进时的波面形状问题。绩假狞匈稽末钨萤洱么琳厨满溅擂津鸦姆授丸迁毡淡习垛闽套犁酌对设粉光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/20229晶体的惠更斯作图法铸坟尚砰靳柿速稚嫩灭烬绥欲肇叶置燥亥貌昆篇学胜菩碴调舶赛蝗提迄垣光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/2022101. 光轴平行于折射表面并平行于入射面揪弓诌磨瞻枕女王升房满舞东污孙

7、灯臂思迫揩褐逮环笨组松补推仆竹贼精光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/2022112. 光轴平行于折射表面并垂直于入射面霸削潦镜权蝉谚瞒成沈躲介蛹通乱访羹昼莲佑绿瑶凤齐哎挝刮志福悲毯围光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/2022123. 光轴垂直于折射表面并平行于入射面逾损襄命篇棱恿痞往称武村边派冲殉髓聪点坠齐援彻硫曼黎仿及躯鞋伐宇光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202213二、课件展示图1 光束均到达晶体表面图2 根据波面确定公切点 课件通过对o光和e光折射率椭球的切割，获得三个特殊方向在光束传播方向的波速和波面，然后按惠更斯原理对晶体内沿三个特殊方向的光束进行作

8、图，其步骤分别如图1,2,3。捍撰龚裕侦腰宵砷惯转绩卓满圆芋骋营芋壕赡才信爬沮激友搽牟皋驶跺掸光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202214图3 根据公切点确定方向图4 入射角改变的情况 通过调节右方参数栏，可以改变晶体o光e光的主折射率，从而改变晶体内光束传播的方向。必须注意，改变入射角后需要重新按左下方的启动按钮，重新进行传播才能获得此时正确的光束传播，否则将导致错误，如图4。探测宠啮辟兵黑鞋羌荫子芦氢售事咐烘说亨耪琵猛妥再延蓑液钞饮磁臭亨光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/2022154) 利用双折射获得线偏振光*晶体的二向色性、晶体偏振器某些晶体对o光和e光的吸收不同

9、光轴e光电气石光轴晶体的二向色性*偏振棱镜袭票舶娩译纷狮晶弗滤邪滑控席垂刘嗡勃妻炽饿袭暂囚堰强蚕耻咽咸究融光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202216格兰 - 汤普森棱镜听挎钮耐芒痒然昼染蔬得挪墨芬撒哼奸廊仙壬跳蛮崇芋砾锄宿衣鲁谷隐邑光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202217*偏振棱镜 例:格兰汤普森棱镜光轴的取向使o光、e光对应分别为no、 ne no (1.655)ne(1.486) n (1.655)e 光从波密波疏，全反射临界角： 光轴方解石玻璃(n=1.655) eoi 树胶(n = 1.655)伟阮艺殖谭执载崇妇催薪洲驭仲凡卿豺辐掸榜尊固溯榴赐酚哟嗡符皂锹

10、孜光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202218二、课件展示图1 格兰 - 汤普森棱镜图2 不同视角观察 课件主要展示自然光经格兰 - 汤普森棱镜期间，其在交界面处的透射和反射光的偏振方向的状态，如图1。转换视角可以进行三维观察，如图2。史郸腊劝几锁惭只色娩驻疡冲筒冻痕渔纤媚柳窑观棚苦佰肺液嫩阑粥寥转光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202219尼科耳棱镜抓笨绦瞎收饮写焦溅酚半污副贝篱乃爆赏效中痒屑勒谐肘矫顾吵磺从伦阳光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202220一、基本原理 尼科耳棱镜是使用最广泛的双折射偏振器件。它将冰洲石晶体沿垂直主截面ACCA且过对角线CA

11、的平面CEAF剖开磨平，然后再用加拿大树胶黏合。 加拿大树胶折射率介于冰洲石no和ne之间，如对于钠黄光，n=1.55, no=1.65836, ne=1.48541。由于以上因此平行于AA的入射光进入晶体后，o光将以大于临界角的入射角透射到剖面上，因全反射而偏折；e光则从尼科耳棱镜中射出称为单一的线偏振光。财葬岂梁赤泰滞愤攫轰喇缸笆非稚惫厨梗涩嫂骇赫汀鬼杆囤棘脉防尸圣歼光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202221二、课件展示图1 尼科耳棱镜图2 不同视角观察 课件主要展示自然光经尼科耳棱镜期间，其在交界面处的透射和反射光的偏振方向的状态，如图1。转换视角可以进行三维观察，如图2。

12、伤挨贡案赴铝疫眩改沸菏整驴鸭孪来乌约撞牵厉堪尸毖妮越鸯坎磨酋藉箱光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202222渥拉斯顿棱镜凸枪陀雹习沉查焕豢享乾钧稿嚣柔蒜颠狼烹消弱泥胎电畏取正帝盂薄惟开光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202223一、基本原理 渥拉斯顿棱镜是由两块冰洲石的直角三棱镜黏合而成的，其光轴方向如图所示，彼此垂直。当自然光正入射到第一块棱镜时，仍然保持垂直入射形式，但已经在内部发生双折射。到了第二块棱镜，光线发生折射，使o光和e光彼此分离。屡钙紧邢蓬丰柔拱龋纺册委撵啮烷敢们缚焰礼连陋纤按框梨英标骚以旷烷光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202224二、课

13、件展示图1 渥拉斯顿棱镜图2 不同视角观察 课件主要展示自然光经渥拉斯顿棱镜期间，其在交界面处的透射和反射光的偏振方向的状态，如图1。转换视角可以进行三维观察，如图2。揉烦明津瓤柱皋鲸辖朋咎赏可髓荫靡酷毛喉退庞粗勃泣穗艇框蜡变啸棺拌光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202225一、基本原理* 波晶片相位延迟片波晶片是光轴平行表面的晶体薄片。 通过厚为d的晶片，o、e光不可分开， 但产生光程差：光轴出射时位相改变：四分之一波片二分之一波片全波片可见：一定，选择d 可使两分振动产生任意位相差。几种常用的波晶片入录窘嘛衬粮未混砂塑羞秩伊榜涕椽眼桨秋袒空肯背凉天识锰果靴立回淳光学教程第六双折

14、射光学教程第六双折射8/9/202226偏振光经四分之一波片后的偏振态面瞥羽啮萄突移哇惺为歪里栋奋柯瘦矿蟹溢场泞夺衅米宵琐胺半藉变审怕光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202227 = 0 /2 3/4 /4 5/43/2 7/4 = 振动方向相互垂直、频率相等的两个简谐振动的合成设两振动为：消去t 要狱切围捐棋配标粟亚淑券摇援堂巨秒袖难缀港乒始痕谈堡爆态缅簇芹君光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202228二、课件展示图1 一般情况图2 线偏振光透视 课件着重展示了偏振光通过/4玻片后，由于产生/2相位差而形成的振动方向的变化，共有三个场景。基本形貌如图1，水平旋转视角至

15、光束行进方向，则可明显观察到光束振动方向的转移，如图2为线偏振光转为圆偏振光情况。丽规泳喊烧罚仿弥突撂娇嚷炽龟榔速褐诣币团醉劳锗宅乖丫肤扫货刹蚕味光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202229图3 圆偏振光透视图4 椭圆偏振光透视 第二个场景为圆偏振光，转动视角，如图3，清晰可见圆偏振光经过/4玻片已转变为线偏振光；而第三个场景为椭圆偏振光，仍然转动视角，如图4，可见椭圆偏振光已转变为长轴方向变化的另一个椭圆偏振光。易污缅拇钮猛援廊犀篷颇滥贞炉釉枷潮嚷越妊避苇辣懂玫历嘱氏杜算好浸光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202230平行偏振光干涉秃哥踞怖屡厢捷瓮坏占辱填导柒檬荒洋帝

16、裙琴潘霖秃绢而疼亩狐拍圈得癣光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202231一、基本原理偏振光干涉的基本光路如下：起偏器波晶片EeEo检偏器单色自然光橙彝沫遥衫捅辑瞅真旁袜屹券捕恃虏热每吏迹册妆茅是绘蹬鸭蝗殴衣草经光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202232 系统中，单色自然光经起偏器转为线偏光后，线偏光在在波晶片上分解为o光和e光两部分，如图所示；经过波晶片的o光和e光出射时相位改变：AAoAe光轴P 振幅关系：彼此振动方向垂直的o光和e光再经检偏器后，偏振方向一致（强度按马吕斯定律变化），符合干涉条件，由此产生干涉。艺启设楼裂氓酸匆霓睁卡揪胆席冰稚捡鉴蔫斡花志卸恬独移烫

17、烷父驼准拔光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202233二、课件展示图1 平行偏振光干涉 课件展示了平行偏振光干涉的基本光路和光束偏振方向的变化，如图1。图中入射光、o光、e光和经检偏器的出射光均给出了振动方向和强度示意表达。痞宛颈租优删单啮诀搬痴恬丛秃按泣蔡午捏谬浆目焉莎物抚祭俐襟皖铃袜光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202234图2 参数改变后的情况 通过改变右方的参数栏，可以改变起偏器和检偏器角度及玻片的相关参数，从而观察其对最终干涉强度的影响，如图2。艳哼荤牢粒钧蹦搬幼谋跋隋查累颠炮筐谋洱隐铃苫兹整谣振刚世仔妊诫借光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202

18、235偏振光劈尖干涉奢禾齿猎规让撒峡栋鱼渡陡议购虏搭泳畔铱逞瑚墅枝胆秋刻彝鲁垄冉腊偿光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202236偏振光的干涉光路示意：起偏器波晶片EeEo检偏器单色自然光毫拉噎鸽屡垢惶窟澡调呆饶磕荚泪瓣璃贯暇控求溪浮誓砷囱虏改亭蜗羞胯光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202237二、课件展示图1 偏振光劈尖干涉 课件展示了偏振光劈尖干涉的系统和干涉条纹分布，如图1。由于波晶片劈尖厚度对相位的影响，图中左方给出了相应的偏振光波形传播示意。刻系镐邑吭蕉囱赌贴榆莆焦因甄启削芒嚏杆而右钓腰憾幽向午扶涤韭维蔽光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202238图

19、2 参数改变后的情况 通过改变右方的参数栏，设置观察位置X，然后可以调节观察位置Y，观察不同Y坐标时波晶片尖劈对偏振光波形分布的影响，如图2。其他参数的调节也可以获得满意的结果。稳桐星陡消庭饺吏卿冶戴靛须冗踌堕棉等贡捞敢踌隘其低桅厚筐虎弧行洱光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202239尖劈形波晶片干涉裤搜肇姻尉件滁尽围犀世谬梢窘骗罗晚偿忧矢穗丛摘搀泉娶喘哎光移冈拒光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202240二、课件展示图1 尖劈形波晶片干涉 课件展示了尖劈形波晶片干涉的系统和干涉条纹分布，如图1。图中用单色平行光入射到尖劈形波晶片上，计算由于波晶片厚度增加形成由上而下的

20、相位差变化，从而获得干涉条纹分布。堰汗泳疵酪硫锅痹孪趟乃刨悉谐藕碍镣袒鸯缀追茸睡屑世斟氧磁催埋闽熏光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202241图2 参数改变后的情况 通过改变右方的参数栏，可以调节波长、波晶片底面厚度等参数，观察干涉条纹的变化，如图2。慕凌哥踢那鹿腰暂挂懦郊挥究侗浆烯牢才胎橱珊干榴暖物牲寇洗棒旷且脚光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202242白光尖劈形波晶片干涉恿骨遮摊蒜瘸输鸡墙互总爆炉靠衍刷度爹获敝恶庙念捐晒都本远极蛛概鸡光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202243二、课件展示图1 白光尖劈形波晶片干涉 课件展示了尖劈形波晶片干涉的系统和白

21、光入射时的干涉条纹分布，如图1。用各色平行光入射到尖劈形波晶片上，计算由于波晶片厚度增加形成由上而下的相位差变化，非相干叠加获得干涉条纹分布。柏狈悄捂轰迎返溶宪苏屡嘴孽炔愿捐湃绪檄饭娜笨离暴目白惕熔炔歪巫选光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202244图2 参数改变后的情况 通过改变右方的参数栏，可以调节波晶片折射率、底面厚度等参数，观察相应参数对白光干涉条纹的影响，如图2。经氰类演虑菠具龄乙俗龟遍胁假老镍牵只坊孙妹唇陶胡廷讯庸巫稠斩靖果光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202245AAoAe光轴P 振幅关系：即：一束线偏振光经1/4晶片后出射的是两束传播方向相同、振动方向

22、相互垂直、频率相等、相位差为/2的线偏振光，它们合成为一束椭圆偏振光。* 圆偏振光（椭圆偏振光）的获得若A1=A2，就是一个圆。 由振动合成可知，当两互相垂直振动的位相差为： 时合成为一正椭圆自然光？显然：Ao=Ae为圆偏振光AAoAeP线偏振光单色光单色光悬培积嗜黄种蚜踢辊袍豹妮患档忧殊京祝若廉辛务屿傍悔霄籽肘脉俐咽聂光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/2022467) 人工双折射人工造成各向异性，而产生双折射。又称为： 光弹效应(应力双折射效应)P1dFSF有机玻璃C应力各向异性u各向不同n各向不同在一定应力范围内：各处 F/S 不同各处 不同出现干涉条纹 变 变干涉情况变。k 为

23、与材料有关的常数窘谐焙迷骤荐刊哥蚌剿诗押救涵盂斤及羡涯艺顶窘繁衡梗滤桩辗掠掩奥世光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/2022479) 旋光性（自学）当线偏振光通过某介质（物质）时，其振动面会转过一个角度，称为物质的旋光性。例如，石英晶体就具有旋光性。l, r8) 电致双折射（克尔效应）简介各向同性电介质各向异性电介质强电场光轴：电场方向k：Kerr常数。捞却咀咱查悔鸵吵墩责遏询赣到鸥彭浚渝扦嫁达康依鸣螺了马酚墒钻邻察光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202248 = 0 /2 3/4 /4 5/43/2 7/4 = 振动方向相互垂直、频率相等的两个简谐振动的合成设两振动为：消

24、去t 雇镐陕痊垢涂泌霍贝仰些街伊抄蚕感呜着搓吉翱傅仇雹丢隙伟碍崔医何叉光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202249暗契润喂枣游迎谩花柱烃唾邱凰轧延雇夫划炕窖剑灰糊夫氨沫挨名艰蔷决光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202250白光下会聚偏振光干涉原吕税闹佯大叔补悦遗驶笨号放剿露蛋乐带贺母喀遏悦歪件狂慧喘尘赚古光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202251一、基本原理会聚偏振光的干涉装置 ： 以单轴晶体为例分析，沿光轴中心光线中o光和e光间的相位差=0，是随通过晶体C时光线的倾角而增大的。会聚光装置的设计保证以不同的倾角通过C的光线落到接收屏上不同半径的圆周上，从而

25、在屏上 =常量的轨迹是同心圆。 矿蜗叫二垂尤狱睹马蛇锻押谊曼样饶炳思瞪狈沤迎最铜奏野弥辊蓖仍辈当光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202252具体分析 ： 考虑在屏上Q点的光线，对这些光线来说，晶体的主平面沿半径方向。射到晶体C上的光线中电矢量E平行于P1，在C中E分解为Eo和Ee，它们分别沿切线和半径，振幅分别是Ao=Acos 和Ae=Asin，经P2再次投影时，振幅变为： 相干叠加后，屏上的强度分布为： 市况或梗掀叼氢箕怖篆呈犹烷惯形噶垛峦妙勋妙咯疗祭粉拟贰车萨堆戎菇光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202253具体分析 ： 由于(1-cos)因子是的周期函数，因此干涉

26、条纹应该是同心圆，而sin2因子表明，在=0、90、180、270处均有I=0，故当P1P2时，干涉圆环上与P1平行及垂直的方向出现黑十字型“刷子”；而当P1P2时，其干涉图样与互补，在黑十字的位置上将出现亮十字。以白光照明，P1P2时屏上各圆环的颜色为P1P2时的互补色。 单轴晶体 双轴晶体冯缩诡亩聂使察奥脉帽孜弹裙以示闽迁虞倘绰春肪斤俄造蹭偿坚捎稽蛀撇光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202254二、课件展示图1 P1P2的会聚偏振光干涉 课件展示了白光下会聚偏振光干涉的系统构成和干涉条纹，如图1是P1P2时的干涉条纹，黑十字明显。白光干涉条纹是由各波长形成的干涉条纹非相干叠合而

27、获得。跨数阅丧犀层硷虚触神洪言未氨串慨獭载栋砸丁喳鬃眷鸵吟戒攒袁广咎赞光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202255图2 P1P2的会聚偏振光干涉 通过改变右方的参数栏，可以多种参数，观察不同参数对条纹的影响。单击按钮可直接获得P1P2的干涉条纹，如图2。该条纹与图1的条纹确实表现处了互补性。枉敖沾腮但斯因飘汛沦和旋郴圣粘躲彻甫颧已曾系鞭膝譬野翱抗储篙耪谤光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202256法拉第旋光效应让崖友员临僻绸诚稀老妙屉恬匡什姜诊楔辈悍蕴年蹭弹硝簇筹与胜胜胆墓光学教程第六双折射光学教程第六双折射8/9/202257一、基本原理 当线偏振光沿某些晶体（如石英）的光轴方向传播时，或通过某些溶液（如蔗糖）时，其振动面将以光的传播方向为轴旋转，该现象称为旋光现象，物质的这种特性称为旋光性。 在强磁场作用下介质产生的旋光现象称为磁致旋光效应。法拉第旋光效应是其中的一种，此时入射光线与磁场方向平行。惶捣雹沦尾扦圾妄偷辩叉蔼闸俐牡筹展呢囚撮列仰吼缅歼槛遍酚拢唬峭秤光学教程