16 物理光学.ppt

1、16 晶体表面的反射和折射,报告人：周远,回顾：各向异性介质与各向同性介质的差异,各向同性介质(如水、玻璃等）,各向异性介质(如方解石、石英晶体等）,同样对待不同偏振方向的光，,区别对待不同偏振方向的光，,介电常数、相速度v、折射率n等物理性质与光偏振方向无关。,介电常数、相速度v、折射率n与光偏振方向有关。,周期结构，不同方向上原子或分子的排列情况是不同的,杂乱结构，不同方向上原子或分子的排列情况宏观上相同,E、D不同方向,E、D同方向,折射率椭球为一个球,折射率椭球为一个椭球,S、k同方向,S、k不同方向,一个折射率,非光轴方向两个折射率,一个折射光,非光轴方向两束折射光，o光和e光。,折

2、射率面为一个球面,折射率面为双层面，球面和椭球面。,回顾： 折射率椭球,将D方向与该方向折射率值联系起来建立空间曲面,曲面上某点的径向距离表示对应的D方向上的折射率值。,用途一：可由D的方向求出对应的折射率n。,用途二： 可由D的方向求出对应的E方向。,用途三：可由波矢K方向确定D方向。,球，为各向同性介质,椭球，为双轴晶体,旋转椭球，为单轴晶体,正单轴晶体：n0ne,回顾：单轴晶体,折射率椭球的对称轴为z（光轴）的旋转椭球。,负单轴晶体：n0ne,光沿着光轴传播时，一个折射率。 与光轴Z角度入射，垂直k的截面-椭圆，两种线偏振光（o光和e光）,o光：,e光：,不随k方向变,随k方向变,9.

3、描述晶体光学各向异性的其它曲面,1、折射率面：将k方向与该方向折射率值联系起来的空间曲面,单轴晶体：平常光（o光）的折射率面是球面，异常光（e光）的折射率面是椭球。在光轴方向，两曲面相切。 上图中， n0ne，为正单轴晶体。,曲面上某点对坐标原点的距离表示对应的k方向上的折射率值。 折射率面为双层曲面。,描述晶体光学各向异性的其它曲面,n0ne，为负单轴晶体。,双轴晶体：有四个交点，都位于xz面上，方向就是光轴。,回顾：折射率面,折射率面：将k方向与该方向折射率值联系起来的空间曲面,曲面上某点的径向距离表示对应的k方向上的折射率值。 折射率面为双层曲面。,单轴晶体：o光的折射率面是球面， e光

4、的折射率面是椭球。 在光轴方向，两曲面相切。,n0ne，为正单轴晶体。,n0ne，为正单轴晶体。,9. 晶体中平面波的特点,光线方向：指能流密度矢量S方向。也称射线方向 光波方向： 波矢K的方向。也称波法线方向,E、H、S构成右手螺旋正交系统光线传输,D、H、K构成右手螺旋正交系统光波传输,K，光波方向,S，光线方向,1. 晶体中一般D、E不同向，所以k、S也不同向。D、E、k、S同平面。,光线与光波方向的夹角离散角,k,s,参考课本P310面公式7-19：,折射率面中，矢径方向为k方向，折射率面法线方向为S方向,10. 光波在晶体表面的反射和折射,与界面垂直，与法线平行,折射定律,反射定律,

5、晶体界面上也满足折反射定律。与各向同性媒质不同的是： 不同的k方向对应不同折射率。 可用折射率面作图法（斯涅尔作图法）求折射线和反射线的波矢K方向。,3、过A作晶体表面垂线，交“, 面B,C点，则OB,OC就是两个折射波矢。,o,A,B,C,ki,k1t,k2t,”,光波在晶体表面的反射和折射,斯涅尔作图法：,1、作光波在入射介质的折射率面；,2、作光波在折射介质的折射率面,;,光轴方向,4. 在B点和C点做法线，则为两光线方向。,一.正入射 (1)光轴平行于晶面,正单轴晶体表面的反射和折射,A,B(o光）,C(e),o,光轴,空气,晶体下表面射出时仍为一束光，但偏振态可能变。,光波进入晶体后

6、方向不变；,分为两沿同路径传播、振动方向互相垂直的光波；,两光传播速度不同；但光线方向与光波方向重合,(2)光轴垂直于晶面,A,B(o光）,C(e光),o,光轴,空气,正单轴晶体表面的反射和折射,晶体内只一个折射波，通过晶体后，偏振方向不变，偏振态不变。,解释了光沿光轴方向时只有一束折射波的原因。,光波进入晶体后，分为o光和e光,光波方向相同，但光线方向不同。一般情况下，当晶体足够厚时，从下表面出射的是两束光，其振动方向相互垂直，光相对于入射光的位置在主截面内有一平移,(3)光轴与晶面斜交,正单轴晶体表面的反射和折射,A,B(o光）,C(e),o,光轴,空气,二.斜入射 (1)主平面与主截面重

7、合,正单轴晶体表面的反射和折射,A,B(o光）,C(e),o,光轴,空气,光波进入晶体后分为o光和e光，光波方向和光线方向都在主截面内。当晶体足够厚时，从晶体下表面射出的是两束线偏振光，振动方向相互垂宜。,光波进入晶体后分为o、e两束光，但e光的折射率是常数,与入射角大小无关，其光线方向与光波方向一致。,正单轴晶体表面的反射和折射,（2）主平面与主截面不重合 光轴平行于晶面，入射面垂直于主截面,A,B(o光）,C(e),o,光轴,空气,例题1,KDP晶体的两个主折射率为no=1.512，ne=1.470。一束单色光在空气中以600角入射到晶体表面，若晶体光轴与晶面平行，且垂直入射面，求晶体中双

8、折射光线的夹角。,A,B(e光）,C(o),o,光轴,空气,例题2,如图，平行钠光正入射到一片方解石（负单轴晶体）上，光轴在纸面内。求： （1）用菲涅耳作图法得出折射光方向。 （2）o光与e光的夹角(知no=1.6584，ne=1.4864)。 （3）当晶片厚度为1mm时，o光和e光射出晶片后的位相差。（钠光波长589.3nm）,光轴,尼科耳棱镜； 格兰棱镜； 渥拉斯登棱镜。,晶体光学器件,o光和e光都是100%的线偏振光，只要将它们分开，就可得到很好的线偏振光。 利用双折射晶体制成偏振棱镜可以分开o光和e光。,双折射棱镜,双折射棱镜比前面讲过的几种偏振器（偏振片和波片堆）性能更优越。,典型的

9、双折射棱镜,71,0,尼科耳棱镜的制作过程,1、尼科耳棱镜,68,0,尼科耳棱镜的制作过程,68,0,尼科耳棱镜的制作过程,68,0,尼科耳棱镜的制作过程,68,0,尼科耳棱镜的制作过程,68,0,涂上加拿大树胶,尼科耳棱镜的制作过程,68,0,尼科耳棱镜的制作过程,对钠黄光：,3. 尼科耳棱镜,680,钠自然光,利用双折射将自然光分成o光和e光 利用全反射把o光反射到棱镜壁上，只让e光通过棱镜 孔径角约为140 不适用于高度会聚或发散的光束 入射光与出射光不在一条直线上,临界角690,4. 格兰棱镜,吸收层,两块方解石：用加拿大树胶胶合；也可用空气层代替； 光轴既平行于端面和斜面，与图面垂直

10、 有胶合层=76030,孔径角130 无胶合层=38.50 ,孔径角7.50 有胶合层缺点： （1）树胶对紫外吸收很厉害 （2）易被大功率激光所破坏,no (1.658)n (1.55)ne(1.52),A,B,C,D,两直角棱镜，材料“方解石”（或水晶） 特点：两光轴互相垂直。 功能：产生两束分开的、振动方向垂直的线偏光。 原因：进入第一晶体和第二晶体的线偏光中o光与e光互换。 当棱镜角度较小时，两出射光线夹角,5. 渥拉斯顿棱镜,no (1.6584)ne(1.4864),例题3,构成渥拉斯顿棱镜的方解石顶角为300，当一束自然光垂直入射时，从棱镜出射的o光和e光的夹角。,A,B,C,D,

11、O,e,光轴方向,no (1.6584)ne(1.4864),波片（波晶片，位相延迟片） 单轴晶体表面与晶体的光轴平行的晶片； 为两正交偏振光引入相位延迟； 传播方向不变，波片内速度不同； o光和e光通过波片光程不同，产生位相差。,波片,光轴,d,出射光是o光和e光叠加，为椭圆偏振光。,波片的快轴和慢轴 对于负单轴晶体：nonevove 光轴方向为慢轴，垂直光轴方向为快轴。,波片,从波片出射的是两束方向相同、振动方向垂直、频率相等、相位差的线偏振光，出射光是两光叠加。为椭圆偏振光。,1. 1/4波片：,从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）,波片,2. 1/2波片（半波片）：,波片,线偏振光：

12、原与快轴夹角角将向快轴方向转过2 角。 椭圆偏振光不改变端点轨迹，但改变旋向。,3.全波片 ： 全波片不改变光的偏振态。 注：所谓1/4波片，半波片，全波片都是针对某一特定的波长而言的，故上述关系都只对某一特定的波长成立。,波片,波片只能产生固定的位相差，补偿器可产生连续改变的位相差。,补偿器,巴比内补偿器 由两块方解石或石英劈组成，光轴垂直；,的累计光程：,的累计光程：,例题3,一束线偏振的钠黄光（波长598.3nm）垂直通过一块厚度 为1.61810-2mm的石英波片。 no =1.54424，ne=1.55335，光轴沿X轴，讨论入射线偏振光振动方向与X轴分别成450，-450和300的出射光的偏振态。,y,d,x,Ae,Ao,a,线偏振光,光轴,例题4,一右旋圆偏振光垂直入射到一石英1/4波片，波片光轴沿X轴，求透射光偏振状态。,分析：光轴沿X轴，说明Y向为o光，X向为e光。 右旋圆偏振光，Y分量与X分量相位相差-/2。振幅相同（设为A） 1/4波片使o光与e光相位相差/2。,透射光为线偏振，振动方向与X轴夹角为-45o,一.锥形折射 当光波方向与双轴晶体两根光轴之一重合时，有 无数多个光线方间与