6_2双折射晶体.ppt

1、,1. 一束入射光在各向异性介质中折射为两束光的现象称为双折射现象。,方解石（CaCO3）双折射现象,晶体的双折射double refraction of light in Crystals,双折射现象,晶体的双折射现象,方解石晶体CaCO3,纸面,方解石晶体实物照片,用眼睛观看发光点，会看到两个像点，透过方解石晶体，纸面上的字成了的双字,4,光通过双折射晶体,5,服从折射定律的光线,（一般情况，非常光不在入射面内）,6,实验证明： O 光和 光均为偏振光.,7,寻常光线 在晶体中各方向上传播速度相同.,常量,双折射反映的是晶体内各方向上同种光的传播速度不同。,8,非常光线 晶体中各方向上传播

2、速度不同,随方向改变而改变.,为主折射率,9,方解石晶体,光轴 在方解石这类晶体中存在一个特殊的方向，当光线沿这一方向传播时不发生双折射现象 . 只有一个速度。,10,主截面 当光在一晶体表面入射时，此表面的法线与光轴所成的平面.,当入射面（入射光线与入射点处法线的组成的面）是主截面时， O 光的振动垂直主截面；e光的振动平行于主截面.,END,双折射晶体的作用类似于两个透振方向互相垂直的起偏器。,自然光入射，光强为I，在晶体内部，o光和e光光强相等。,线偏振光垂直入射发生双折射,12,讨论：,当晶体绕入射光方向旋转时，两束光的相对光强不断变化,o光强度最大,e光完全消失,o光完全消失,e光强

3、度最大,扩大入射光束使两束光相互重叠，由于,无论晶体怎样转动，重叠部分光强度不变,晶体光学概论晶体各向异性及介电张量,1.晶体的各向异性:不同的方向上具有不同物理性质。 晶体的双折射现象表示晶体在光学上是各向异性的，即它对不同方向的光振动表现出不同性质,在周期性结构中，不同方向上原子或分子的排列情况是不同的，因而反映出物理性质具有异向性。,2 晶体的介电张量(The dielectric tensor) 张量的基础知识： 零阶张量(标量Scalar): 如果一个物理量在坐标移动时数值不变 则称为标量(T, m, ) 例如：标量衍射理论基尔霍夫衍射积分将电场E看做标量。P153 一阶张量(矢量v

4、ector)： 如果一个物理量由三个数表示，而且在坐标移动时如同坐标一样变换，则此物理量称为矢量,二阶张量(Matrix): 如果一个物理量由九个数表示，而且变换关系为 则称此量为二阶张量 n 阶张量:（Tensor) 如果一个物理量由3n个数表示且满足变换关系： 则称此量为n 阶张量。,3.晶体的光学各向异性及其描述1、物质方程,一、折射率椭球 1、折射率椭球方程 2、折射率椭球的性质 a.任意一条矢径的方向表示光波D矢量的一个方向； r=nd,b.平面与椭球的截面为椭圆。,由原点o作平行于k0的直线op，再过o作一平面与op垂直，该平面与椭球的截面为一椭圆。椭圆的长轴，短轴方向即对应于k0

5、的两个允许存在的光波D矢量方向，其长度分别等于两个光波的折射率。,3、物理意义,表征了对应某一波长的晶体主折射率在椭球空间各个方向上全部取值分布的几何图形。椭球的三个半轴长分别等于三个主介电常数的平方根，其方向分别与介电主轴方向一致。也称为（r,d）曲面。 只要给定晶体，知道晶体的主介电张量，就可以做出相应的折射率椭球，并且确定波法线矢量k0等物理量方向。,4、各种晶体的折射率椭球,单轴晶体 双轴晶体,单轴晶体,折射率方程为：,正单轴晶体,负单轴晶体,双轴晶体,截面方程 三个主轴截面上的截线如右图所示 下图为折射率曲面在三个主轴截面上的截线。,光在晶体中的传播方向,根据o光、e光的特点，利用惠

6、更斯原理可作出o、e光在晶体中的传播方向。,一、单轴晶体内o、e光的传播方向,1、斜入射：,光轴，在入射面内，两主截面重合,注意：,由于光轴在入射面内（此处是纸面），两主截面重合，所以，两光均在入射面内，O光光矢量垂直于入射面，e光光矢量平行于入射面。,若光轴不在入射面内时，两主截面不再重合，E点已不在入射面内， e光也不再不在入射面内。,当入射方向与光轴平行时， e光将与入射线在法线同侧。如右图示。,以平行光束入射到负晶体上为例,D,2、垂直入射时：,光轴垂直于晶体表面且平行于入射面,光轴平行于晶体表面且垂直于入射面,光轴平行于晶体表面且平行于入射面,o、e光速度相同，方向相同，不发生双折射

7、。,o、e光方向相同，但光速不同，直观上不分开，要发生双折射。,o、e光方向相同，但速度不同，直观上不分开，要发生双折射。,o光和e光通过波片时的光程差(Optical path difference)与位相差(Phase difference)：,d是波片厚度。,它的作用是：使两个振动方向相互垂直的光产生位相(phase)延迟。,制作：用单轴透明晶体做成的平行平板，光轴与表面平行。,三、波片（ Wave plate, 位相延迟器 ）,2、原理：,当光垂直入射到波晶片时， o、e光将沿同一方向传播，但其传播速度不同。,在入射点A，分成o、e光，两者初位相相等（取为0），当传播到波片内B点时，由

8、于速度的不同，将产生位相差（光程差）。在B点，两光的振动方程为：,其中o、e为 o、e 光各自的波长，T为周期，r为光传播的几何路程。,则两光的位相差为：,设晶片厚度为d，则 o、e 光从晶片后表面出射时的位相差为：,由此可知，通过选择 d 值，可使 为所需的定值。,对应的光程差为：,则称该波片是1/4波片，1/4波片的最小厚度：,若,当n0ne时，e光超前，波片的快轴为e 矢量方向。,1、/4波片(Quarter-wave plate), 该晶片称为 波片或 移相器。,O光和e光产生的光程差,2、/2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。, 该晶片称为 波片或 移相器。,36,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,37,3、全波片(Full-wave plate),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。,沿光轴方向上，o 光和 e 光的光矢量均在垂直于光轴方向振动，则o 光和 e 光的相速相同，故 o、e 光波面在光