晶体的双折射现象.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,晶体的双折射现象,光学器件最常用的透明固体介质材料：晶体和非晶体,晶体：,内在结构长程有序的固体，其,原子（离子或分子）在空间排列上具有一定的规则性,，生长良好的单晶体具有规则的几何外形,。,天然晶体矿,(b)石英晶体,(a)方解石晶体,自然界中存在的七大晶系（按晶体的空间对称性分类）：,立方晶系；正方（四方，四角）晶系；六角（六方）晶系；三角（三方）晶系；正交（斜方）晶系；单斜晶系；三斜晶系。,说明：,非晶态：,如玻璃、熔融石英等，一般,不具有长程有序的内在结构,，并且由于其原子或分子的热运动以及在空间排列上的随机性，其光学性质一般在宏观上呈现出,各向同性,。,除,立方晶系的单晶体具有空间各向同性的光学性质,外，一般单晶体的光学性质均具有,空间上的,各向异性,。,在一定的外界物理场（如机械或热应力、电场、磁场等）作用下，某些非晶态介质（甚至立方晶晶体）会在宏观上由各向同性转变为各向异性。这种场致各向异性与晶体的自然各向异性具有类似的特点。,石英：,光轴,(b)石英晶体,102,o,102,o,78,o,78,o,光轴,102,o,102,o,(a)方解石晶体,图 晶体的解理面形式,最常用的两种各向异性晶体,又称冰洲石，属六角晶系晶体，其化学成分为,碳酸钙,（CaCO,3,），结构上易解理成菱体（斜六面体），,菱面的锐角为78,o,08，钝角为101,o,52,。纯质的方解石晶体呈无色透明状，且在天然状态下可以形成较大尺寸，是制造偏振光学器件的重要材料之一。,又称水晶，属三角晶系晶体，其化学成分为,二氧化硅,（SiO,2,）,，结构上易解理成角锥状。纯质的石英晶体呈无色透明状，因而也是制造偏振光学器件的重要材料之一。,方解石：,光,玻璃,纸面,光,玻璃,纸面,光,玻璃,纸面,光,玻璃,纸面,光,玻璃,纸面,光,玻璃,纸面,光,玻璃,纸面,光,光,纸面,方解石,晶体,光,光,纸面,方解石,晶体,纸面,方解石,晶体,光,光,纸面,方解石,晶体,光,光,纸面,方解石,晶体,光,光,纸面,方解石,晶体,光,光,纸面,方解石,晶体,光,光,纸面,方解石,晶体,光,光,纸面,方解石,晶体,光,光,纸面,方解石,晶体,光,光,纸面,方解石,晶体,光,光,纸面,方解石,晶体,光,光,纸面,方解石,晶体,光,光,纸面,方解石,晶体,光,光,纸面,方解石,晶体,光,光,纸面,方解石,晶体,光,光,纸面,方解石,晶体,光,光,纸面,方解石,晶体,光,光,纸面,方解石,晶体,1、放玻璃板时看到一个字。,玻璃是各向同性介质。,光射到各向同性介质的表面时它将按折射定律向某一方向折射，这是一般常见的折射现象。,2、放方解石晶体时看到两个字？,方解石是各向异性晶体，一束光射到各向异性介质中时，折射光将分为两束。,一.双折射的概念,1,.,双折射现象,一束光线进入某种晶体，产生两束折射光叫双折射.,方解石,o,e,e,o,n,1,n,2,i,r,o,r,e,(各向异,性媒质),自然光,o,光,e,光,2,.寻常光(,o,光)和非寻常光(,e,光),o,光:遵从折射定律,e,光:一般不遵从折射定律,e,光折射线也不一定在入射面内.,o,光与,e,光均为线偏振光,3,.晶体的光轴,当光在晶体内沿某个特殊方向传播时,不发生双折射,，该方向称为晶体的,光轴。,例如，方解石晶体(冰洲石),光轴是一特殊的方向,凡平行于此方向的直线均为光轴.,A,B,光轴,102,单轴晶体：,只有一个光轴的晶体。如方解石、石英、,红宝石等。,双轴晶体：,包含两个光轴的晶体。如云母、蓝宝石、,结晶硫磺等。,主截面：包含晶体光轴与界面法线的平面,主平面：包含光轴及所考察光线的平面,说明：,主截面的方位由晶体自身特性决定，且始终垂直于晶体的表面；,一般情况下,o,主平面与,e,主平面是不重合的。,4 单轴晶体中的主截面与主平面,法线,主平面,主平面,光轴,主截面,自然光,晶体,主截面与主平面,光轴,光轴,e,光是光矢量与,e,主平面平行的线偏振光.,当光轴在入射面内时，主截面、,o,主平面、,e,主平面都重合。,o,光,法线,e,光,法线,o,光,e,光,实验表明:,o,光是光矢量与,o,主平面垂直的线偏振光.,在单轴晶体中，,o,光子波的波面为球面,，,因而沿各个方向的传播速度相等,；,e,光子波的波面为旋转椭球面，因而沿各个方向的传播速度不相等,；两个波面在晶体的光轴方向相切，因而,任何子波沿光轴方向的传播速度相同，不发生双折射现象,。,双折射现象的理论解释,单轴晶体中的波面,惠更斯假设,(a)正晶体,光轴,v,o,v,e,(b)负晶体,光轴,v,e,v,o,正晶体,:,n,e,n,o,负晶体,:,n,e,v,e,),负晶体,(,v,o,v,e,),子波源,(,v,e,v,o,),e,光:,n,0,，,n,e,称为晶体的主折射率,正晶体,负晶体,几点说明：,1、以上讨论的是自然光入射情形，双折射总是存在的；,2、若入射的光是线偏振光，当偏振方向垂直入射面，则在晶体中只能引起,o,光的次波波面，折射光只有,o,光；,3、若入射的光是线偏振光，当偏振方向在入射面内，则在晶体中只能引起,e,光的次波波面，折射光只有,e,光；,4、当入射线偏振光的振动方向为斜向时，才有双折射；双折射的两束光的强度按振幅分解来计算；,5、可利用晶体的双折射现象获得线偏振光。,一.尼科耳棱镜,A,B,C,D,102,A,(,D,),B,(,C,),由方解石切割再用树胶粘合而成.,尼科耳棱镜工作原理,:自然光在,AB,面折射为,o,光和,e,光，o光以约76,入射到,AC,的加拿大树胶层上.被,AC,面全反射，只有,e,光出射，产生偏振光.,获得线偏振光的器件,偏振棱镜,o光:,而,i,=76,69，,全反射.,二、渥拉斯顿棱镜：,将两个直角的方解石棱镜沿斜边胶合起来。,A,B,光在第一棱镜中不分开，但光线垂直于光轴，因而两束光传播,速度不同。第二棱镜的光轴垂直于第一棱镜，所以第一棱镜中,的E光为第二棱镜中的O光，由于n,e,n,o,，相当于光由光疏介质入射光密介质，折射线近法线；,而第一棱镜的O光为第二棱镜,中的e光，相当于光由光密介,质入射光疏介质，折射线远,离法线，如图所示。,三、格兰汤普森棱镜：,将两个直角的方解石棱镜沿斜边胶合起来。其中第一棱镜内的o光在胶合面处发生全反射。,思考,：如何检测各类偏振光？检偏器可以检测出所有偏振态吗？,如何将椭圆偏振光和圆偏光分别从部分偏振光和自然光中分离出来？,波片,波片，是由晶体制成的有准确厚度的薄片，也叫做相位补偿器，其光轴与薄片表面平行。,波片的作用是使波片内传播的o光与e光通过波片后产生一确定的光程差和相位差。,波片的厚度,当两束光射出晶体面，,1、四分之一波片,(1)定义：能使o光和e光的光程差等于 的晶片称四分之一波片,(2)四分之一波片的厚度,正晶体,(3)作用：产生附加位相差，,平面偏振光经,1/4波片后，出射光是正椭圆偏振光,两个振动方向互相垂直的简谐振动的合振动,由自然光得到椭圆（园）偏振光：,N,1,N,2,起偏器,波晶片,椭圆（圆）偏振器,圆偏振光与自然光的检定：,判断：,旋转一周过程中，若有消光现象出现为圆偏振光；否则为自然光。,方法：,在偏振片的前面加入一块四分之一波片，仍以入射光为轴旋转偏振片。,检偏器,P,1/4,为什么？,两个振动方向互相垂直的简谐振动的合振动,原理：,已知圆偏振光中o、e 光的位相差为,=/2，通过四分之一波片后，又产生了/2 的相差，则 o、e 光的总相差为0或 ，这样，通过四分之一波片后圆偏振光将变为线偏振光，因此在旋转棱镜或偏振片时会有消光现象出现；,而自然光通过四分之一波片后不会变为平面偏振光，故没有消光现象出现。,椭圆偏振光与部分偏振光的检定：,让椭圆偏振光和部分偏振光通过一个偏振片时，旋转中均会出现光强大小变化但无消光的相同现象，无法区分。,方法：,在偏振片前放入一块四分之一波片，并设法使椭圆的一个轴与四分之一波片的光轴平行；以入射光为轴旋转偏振片。,旋转一周过程中，若有消光现象出现者是椭圆偏振光；否则为部分偏振光。,检偏器,P,1/4,原理：,当椭圆偏振光任一主轴与四分之一波片光轴平行时，o、e 光相差为,/2或 3/2；经四分之一波片后又产生了/2 相差，则最后的总相差为0或，成为一束线偏振光，因而会有消光现象出现，而部分偏振光经四分之一波片后无法变为平面偏振光，故无消光现象。,2、半波片,能使o光和e光的光程差等于 奇数倍的晶片，称半波片，其厚度,线偏振光垂直入射到半波片而透射后，仍为线偏振光。,如果入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为，则透射光仍为线偏振光，振动面从原来的方位转动2角，振动方向从一三象限转到二四象限。,半波片常用于改变或调整线偏振光的振动方向。,3、补偿器,（1、为什么要使用补偿器？,上述检验椭圆偏振光的实验中，若不用补偿器，必须事先知道 片的光轴方向，而且在实验过程中，必须使 的光轴精确地平行于椭圆的主轴（），这是很难办到的。为了克服这些困难，比较好的方法是采用补偿器。因为任何位置的椭圆可认为是由两个互相垂直的振动在位相差 的情况下合成的。要使这种椭圆偏振光变成平面偏振光，则应另行设法引进可以任意变更的位相差 作为补偿，目的是使 与 ，的总和等于o或 。,（2、巴俾涅补偿器,由两块光轴互相垂直的楔形石英组成，上楔中o光进入下楔，变为e光；,分别是光在上楔和下楔通过厚度,缺点：必须用极窄的光束。对于宽光束，互补偿器不同位置，位相差不同。,（3、索列尔补偿器,上楔可以左、右移动，从而改变d,1,厚度，可以用宽光束。,偏振光的干涉,人为双折射在应力无损检测中的应用,END,祝同学们顺利通过考试_,