光学55-晶体双折射和双反射教学课件

第七章光在晶体中的传播propagationoflightincrystalschapter7晶体的双折射和双反射doublerefractionandreflectionoflightincrystals产生线偏振光的元件instruments

forproductingpolarizedlight相位延迟器Phasedelayer偏振光的检验和干涉testandinterferenceofpolarizedlight

光调制器opticalmodulator本章内容Contentschapter7旋光及圆二色性Rotationphenomenonandcirculardichromism第七章光在晶体中的传播§7.1晶体的双折射和双反射§7.2产生线偏振光的元件§7.3相位延迟器§7.4偏振光通过波晶片后偏振态的变化§7.5偏振光的干涉§7.6旋光及圆二色性§7.7光调制器§7.8偏振态及其变换的矩阵描述CH7-1

晶体的双折射和双反射

doublerefractionandreflectionoflightincrystals§7.1晶体的双折射和双反射晶体是物质的一种特殊的凝聚态，内部原子（离子、分子）排列呈现空间周期性。微观结构上的周期性→物性上的各向异性分类：单晶体：在整体结构上保持空间有序结构的晶体多晶体：由大量单晶体或晶粒无规则排列组成的晶体1982年发现的无平移周期性但有位置序的晶体称为准晶体，其独特结构性状，以致对晶体的定义建议修正为为衍射图谱呈现明确图案的固体（anysolidhavinganessentiallydiscretediffractiondiagram）一.晶体

分类102。102。102。102。78。78。方解石的解理形式石英的解理形式二.光的双折射现象光射入各向同性介质发生折射满足折射定律单束S′为点物S的象例如：食盐NaCl晶体SS′

各向同性介质中的折射方解石晶体的双折射实验一实验二AB光射入方解石、石英等各向异性介质发生双折射两束折射光线现象：1)两束折射光服从折射定律寻常光线O光不服从折射定律异常光线e光注意：所谓o光和e光只有在晶体中才有意义晶体的光轴光轴:晶体中的一个特殊方向，沿此方向传播的光不发生双折射注意：在晶体中平行于这个方向的任何直线都是晶体的光轴方解石CaCO3晶体的光轴(方向)光轴具有一个光轴的晶体，称为单轴晶体例如：石英、冰、金红石、方解石、红宝石等具有两个光轴的晶体，称为双轴晶体例如：蓝宝石、云母、硫磺、石膏等102o102o晶体的主截面入射点、入射线rNszr入射表面法向Ns晶体光轴方向Z晶体的主截面光轴在入射面内

入射面与主截面重合光线入射面入射线r与入射面法向光线的主平面光线与光轴组成的平面称该光线的主平面光轴在入射面内

o光e光主平面重合此时两个光线的主平面可用入射面代替eoe光的主平面O光的主平面一般情况下两个光线主平面不重合ioe光轴晶体表面法线

O.A.oo光的振动垂直o光的主平面e光的振动在e光的主平面内e三、o光e光的振动方向光o光e光轴71。方解石

•••若光轴在入射面内，实验发现：o光、e光均在入射面内传播，且振动方向相互垂直。••••若沿光轴方向入射，O光和e光具有相同的折射率和相同的波速，因而无双折射现象。

e

oeo

马吕斯定律

AeAoA

入射光振动面与晶体主截面的夹角晶体主截面内振动的e光Ae垂直于晶体主截面振动的o光Ao马吕斯定律e光Ae和o光Ao来源于光振动矢量A的分解均与相关MNPQ45

光轴

oe双反射现象入射到晶体中在NP面上的双反射：o光—满足反射定律

振动垂直于晶体主截面e光—不满足反射定律

振动在晶体主截面内方解石晶体四、惠更斯原理确定晶体中光线传播方向

作图法确定单轴晶体中o光和e光的传播方向o光e光的子波面注意:双折射的本质是传播速度的各向异性

o光传播的速度在各方向相等(各向同性)e光传播速度与方向有关(各向异性)

结论:o光的子波面一定是球面

e光的子波面肯定不是球面是什么样呢?e光波面o光波面光轴方向负晶如方解石CaCO3e光波面o光波面光轴方向正晶如石英SiO2

以光轴为旋转轴的旋转椭球面单轴晶体中的复合波面晶体的主折射率：对o光:为一常值对e光:

e为e光在垂直于光轴方向的传播速度e光在在其它方向的折射率介于no和ne和之间单轴晶体分类：双折射的本质是传播速度的各向异性o光传播的速度在各方向相等(各向同性)e光传播速度与方向有关(各向异性)平面波在单轴晶体中的传播—惠更斯作图法

作图法确定单轴晶体中o光和e光传播方向的步骤：作A点在晶体内形成的o光次波面（υot为半径的半球面）及e光次波面（旋转椭球面，与球面在光轴方向相切,垂直光轴的半轴长为υet

）(2)过B

作球面和椭球面的切面B

Ao

及B

Ae,即为界面AB上各点所发出的次波面的包络面，也分别为晶体中o光和e光的折射波面

(3)从A点到切点作连线AAo

及AAe

分别表示晶体中的o光和e光的传播方向讨论平面波通过方解石晶片传播的几种特殊情况：(a)平面波斜入射，光轴平行于界面并垂直于纸面o光和e光都遵从折射定律，no

ne

从晶片出射为两束传播方向相同，振动方向互相垂直的线偏振光(b)平面波正入射，光轴平行于界面并垂直于纸面

在晶体内o光和e光的传播方向相同，振动方向垂直，但在同一点处二者的相位延迟不相同(c)平面波正入射，光轴平行于界面且在纸面内

在A、B之间各点发出的o光和e光的次波面均在界面上相切。从晶片出射的两种垂直振动的传播方向相同，但传播速度不同(d)平面波正入射，光轴垂直于界面而且在纸面内因为o光和e光在传播方向速度相同，此时不产生双折射五.单轴晶体中的射线速度法线速度射线面法线面1.射线速度υr

和法线速度υN

在各向同性介质中，点源的波面为球面(2)在各向异性介质中,o光的波面为球面,e光波面则为绕光轴旋转而得的旋转椭球面射线速度(或光线速度)