晶体光学基础

关于晶体光学基础

5.1自然光与偏振光

光是具有一定波长的电磁波；具有波动性和微粒性。光电效应的发现，证明了光是一物质（即光是由具有极小能量的粒“光子”组成的），而波动是质的运动形式。光的波动形式——以正弦曲线运动，其传播方向与振动方向相互垂直。光在真空中速度是：第2页,共44页，2024年2月25日，星期天

5.1自然光与偏振光

第3页,共44页，2024年2月25日，星期天自然光—一切普通光源所发出的光。特点：在垂直于光波传播方向的平面内，各方向上都有等幅的光振动，其振动面是瞬息万变的，有无数个。自然光等效为两振幅相等、互相垂直的、无相位关系的线偏振光

5.1自然光与偏振光

振

动

面ABA自然光

B偏光图5-2

自然光与偏振光的振动特点第4页,共44页，2024年2月25日，星期天偏振光—振动方向固定不变特点：在垂直于光波传播方向的平面内，只有一个固定方向上有等幅的光振动，振动面只有一个。又称为平面偏光。

5.1自然光与偏振光

第5页,共44页，2024年2月25日，星期天n'nCBA反射光线D折射光线

5.2

光的折射与全反射1、光的折射（折射定律)——入射线，折射线和折射面法线恒处于同一平面内，且入射角的正弦与折射角的正弦之比等于光波在入射介质与折射介质中的波速之比。N2,1=vi/vr=sini/sinrN2,1—折射介质对入射介质的折射率。若入射介质为真空，则N称为折射介质的绝对折射率，简称折射率。N=sini/sinr=≈V0/Vr

折射率值是宏观地反映介质的微观结构的光学常数，是鉴定透明矿物的最可靠常数之一。第6页,共44页，2024年2月25日，星期天白光介质折射律不仅与介质种类有关，而且与光的波长有关。光在折射时，不同波长的光将分散开来，这种现象叫作色散。

5.2

光的折射与全反射第7页,共44页，2024年2月25日，星期天当入射光由疏介质射入密介质时，i＞r，即折射线靠近法线；当入射光由密介质射入疏介质时，i＜r，即折射线离开法线方向折射。增大入射角i，折射角r也随之增大，当r=90°时，光线不再进入折射介质中，此时的入射角称为全反射角（或临界角，用φ表示），当入射角大于临界角时，即产生全反射。2.光的全反射点光源.全内反射

5.2

光的折射与全反射第8页,共44页，2024年2月25日，星期天当入射角大于等于ic

时，全部光能量都反回原介质这种反射叫作光的全反射,或叫作光的全内反射.光进入光学纤维后,多次在内壁上发生全内反射,光从纤维的一端传向另一端.光学纤维:中央折射率大,表层折射率小的透明细玻璃丝.应用

5.2

光的折射与全反射第9页,共44页，2024年2月25日，星期天设：疏介质折射率——n；密介质折射率——N；由折射定律：sinφ/sin90°=n/Nn=Nsinφ当N已知时，由全反射原理可求出另一介质的折射率n。阿贝折光仪应用

5.2

光的折射与全反射第10页,共44页，2024年2月25日，星期天rcr90°i2′1′1ⅠⅡ2图5-5阿贝折射仪工作原理图第11页,共44页，2024年2月25日，星期天5.3光的色散单色光：是只有一种频率或波长的光。复色光：是包括多种频率的光。光的色散：是复色光分解为单色光而形成光谱的现象。760630600570500450430400(nm)

红

橙

黄

绿

青

蓝

紫

第12页,共44页，2024年2月25日，星期天

5.4光在晶体中的传播根据物质的光学性质，将透明固体物质分为二类：均质体与非均质体。1、光在均质体中的传播

其传播速度不因光波振动方向的改变而发生变化。即光在均质体中传播时，只发生单折射，其折射率值只有一个，并且入射光波的振动特点和振动方向基本不改变。常见的均质体有二类：非晶体（如玻璃、树胶等）和等轴晶系的晶体（如萤石、方镁石、石盐等）。λ均λ空图5-7光波垂直均质体薄片入射示意图第13页,共44页，2024年2月25日，星期天2、光在非均质体中的传播其传播速度随光波振动方向的改变而发生变化，因而折射率值也因振动方向的不同而变化，即非均质体的折射率值不只一个。光波射入非均质体，除特殊方向外，都要分解成振动方向相互垂直且传播速度不等的两种偏光——即发生双折射现象（如图）。两条偏光的折射率值之差称为双折射率。实验证明，光波射入非均质体的特殊方向不产生双折射现象，该方向称为光轴（OA表示）。根据这一性质，可将非均质体分为二类：一轴晶和二轴晶。

5.4光在晶体中的传播Ne/C轴No图5-8冰洲石的双折射现象第14页,共44页，2024年2月25日，星期天e光晶体的截面O光单色自然光7801020光轴

5.4光在晶体中的传播第15页,共44页，2024年2月25日，星期天一轴晶——晶体中只有一个方向不产生双折射，即只有一根光轴（中级晶族晶体）。二轴晶——晶体中有二个方向不产生双折射，即有二根光轴（低级晶族晶体）。另一偏光振动方向平行于光轴和光波传播方向构成的平面——非常光，以“e”表示；其折射率值随光波振动方向不同而变化，以“Ne”表示。对于一轴晶，除光轴方向外，入射光均有二个折射率，一偏光振动方向永远与光轴垂直——常光，以“o”表示；其折射率值保持不变，以“No”表示。

5.4光在晶体中的传播Ne/C轴No图5-8冰洲石的双折射现象第16页,共44页，2024年2月25日，星期天5.5光率体1、定义:表示光波在晶体中传播时，其振动方向与相应折射率之间关系的光性指示体（立体几何图形）。作图方法简介:P832、光率体的分类——根据晶体的对称特征，分为三类：均质体光率体、一轴晶光率体、二轴晶光率体。问题：如果一个晶体被分成多块，其光率体有何变化？第17页,共44页，2024年2月25日，星期天形态——球体；对光性的指示——过光率体的中心垂直入射光作切面，在任何方向上得到的都是圆切面，圆切面的半径代表其折射率值。均质体的光率体是一个圆球体，可用球面方程表示：X2+Y2+Z2=N2，其中N为均质体的折射率。NNON5.5光率体5.5.1均质体光率体第18页,共44页，2024年2月25日，星期天(1)形态——旋转椭球体，旋转轴为光轴（晶体的c轴），并且有正负之分。5.5光率体

5.5.2一轴晶光率体特点：旋转轴为长轴，Ne＞No，一轴晶正光性光率体，相应矿物为一轴晶正光性矿物。NoNeONo第19页,共44页，2024年2月25日，星期天（2）举例：a、石英:光沿c轴方向入射，不发生双折射，⊥c轴切片的折射率：No=1.544，为圆切面；光波垂直c轴入射，发生双折射，产生二条振动方向相互垂直的偏光，‖c轴切片上，测得折射率No=1.544，Ne=1.553。为椭圆切面。垂直c轴的入射光可有无数条，均可得到相同的椭圆切面，将它们联系起来，可得到石英的光率体。quartzc-axis1.5441.553O5.5光率体

5.5.2一轴晶光率体第20页,共44页，2024年2月25日，星期天

b、方解石No=1.658，Ne=1.486calcitec-axisNoNeONo特点：旋转轴为短轴，Ne<No，一轴晶正光性光率体，相应矿物为一轴晶负光性矿物。5.5光率体

5.5.2一轴晶光率体第21页,共44页，2024年2月25日，星期天(3)光性指示过光率体中心垂直入射光作切面（⊥OA除外），为一椭圆切面。椭圆的长短半径方向为光波振动方向；半径的长度为相应折射率的大小；二半径之差为相应双折射率值。5.5光率体

5.5.2一轴晶光率体第22页,共44页，2024年2月25日，星期天(4)一轴晶光率体的主要切面1）垂直光轴的切面以No为半径的圆切面；2）平行光轴的切面以Ne、No或No、Ne为长短半径的椭圆切面；NoNoNeNo5.5光率体

5.5.2一轴晶光率体第23页,共44页，2024年2月25日，星期天3）斜交光轴的切面以Ne′、No（或No、Ne′）为长短半径的椭圆切面。也称为任意切面。Ne′No5.5光率体

5.5.2一轴晶光率体第24页,共44页，2024年2月25日，星期天NpNgONm(1)形态——三轴椭球体，有大、中、小三个主折射率，用Ng、Nm、Np表示。并且有正负之分。低级晶族的斜方、单斜和三斜晶系晶体都属于二轴晶光性体。5.5光率体

5.5.3二轴晶光率体第25页,共44页，2024年2月25日，星期天(2)举例（镁橄榄石）：

当光波沿c轴方向入射，发生双折射，产生二束偏光，其一振动方向平行a轴，折射率为Ng=1.715，另一偏光振动方向平行b轴，折射率为Np=1.651,由此可得⊥c轴的椭圆切面；5.5光率体

5.5.3二轴晶光率体abc1.6511.715⊥c第26页,共44页，2024年2月25日，星期天

当光波沿a轴方向入射，发生双折射，其一偏光振动方向平行c轴，折射率为Nm=1.680，另一偏光振动方向平行b轴，折射率为Np=1.651,由此可得⊥a轴的椭圆切面;5.5光率体

5.5.3二轴晶光率体abc1.6511.680⊥a第27页,共44页，2024年2月25日，星期天当光波沿b轴方向入射，发生双折射，其一偏光振动方向平行c轴，折射率为Nm=1.680，另一偏光振动方向平行a轴，折射率为Ng=1.715,由此可得⊥b轴的椭圆切面.5.5光率体

5.5.3二轴晶光率体abc1.6801.715⊥b第28页,共44页，2024年2月25日，星期天将三个椭圆切面按它们在空间的不同方位联系起来，即得到镁橄榄石的光率体——三轴椭球体。5.5光率体

5.5.3二轴晶光率体Ng(a)Np(b)Nm(c)第29页,共44页，2024年2月25日，星期天a.二根光轴的位置：在⊥NgNp主轴面上,通过Nm在光率体的一侧可作一系列椭圆切面,一半径是Nm,另一半径连续变化于Ng与Np之间,当该半径等于Nm时,即为一圆切面;同理,另一侧也存在一个圆切面。圆切面的法线即为光轴方向。(3)二轴晶光率体分析5.5光率体

5.5.3二轴晶光率体NpNmNpNp'Ng'NmNgOAA2vNmOANgOAB图5-14二轴晶光率体的圆切面及光轴第30页,共44页，2024年2月25日，星期天NpNgONm二轴晶光率体光轴光轴2V圆切面圆切面第31页,共44页，2024年2月25日，星期天b.光轴面和光轴角光轴面——包含二根光轴的平面（与NgNp主轴面一致，以AP

表示）。⊥AP方向称为光学法线（即Nm方向）。光轴角——二根光轴之间的夹角（锐角以2V表示，钝角以2E表示）。锐角的平分线称为锐角等分线，以Bxa表示；钝角的平分线称为钝角等分线，以Bxo表示。5.5光率体

5.5.3二轴晶光率体第32页,共44页，2024年2月25日，星期天c.光性正负与光轴角计算光性正负确定：当Ng-Nm＞Nm-Np

,即Bxa=Ng，Bxo=Np,为正光性；当Ng-Nm＜Nm-Np,即Bxa=Np，Bxo=Ng,为负光性。5.5光率体

5.5.3二轴晶光率体OA2vNp=BxaNmNgBOA2vNg=BxaOAOANmNpA图5-15二轴晶光率体（A正光性、B负光性）第33页,共44页，2024年2月25日，星期天d.光轴角计算：

(+)tgV=[(Nm-Np)/(Ng-Nm)]1/2(-)tgV=[(Ng-Nm)/(Nm-Np)]1/2e.对光性指示：过光率体中心垂直入射光作切面，在得到的椭圆切面上，可反映出光波振动方向，折射率值和双折射率值。5.5光率体

5.5.3二轴晶光率体OA2vNp=BxaNmNgBOA2vNg=BxaOAOANmNpA图5-15二轴晶光率体（A正光性、B负光性）第34页,共44页，2024年2月25日，星期天a.⊥OA的切面：为一圆切面，无双折射现象，只有一个折射率值，即Nm；b.‖AP的切面：为一椭圆切面，长短半径分别为Ng和Np。有双折射现象，折射率分别为Ng和Np，双折射率为Ng-Np，是二轴晶的最大双折射率值

；c.⊥Bxa的切面：为一椭圆，有双折射现象，折射率分别为Nm和Np(正光性），双折射率为Nm-Np;(4)二轴晶光率体的主要切面5.5光率体

5.5.3二轴晶光率体第35页,共44页，2024年2月25日，星期天第36页,共44页，2024年2月25日，星期天d.⊥Bxo的切面：为一椭圆，有双折射现象，折射率分别为Ng和Nm(正光性），双折射率为Ng-Nm;e.斜交切面：（既不垂直主轴。也不垂直光轴的切面）①半任意切面：（垂直主轴面NgNp、NmNp、NgNm的切面）：这类切面的椭圆半径中有一个为主轴Nm、Ng或Np，另一半径为Ng′或Np′。②任意斜交切面：其椭圆长短半径分别为Ng′和Np′。5.5光率体

5.5.3二轴晶光率体第37页,共44页，2024年2月25日，星期天第38页,共44页，2024年2月25