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1、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（按晶体的空间对间对 称性分类类）： 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。 说说明： 非晶态态：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 其原子或分子的热热运动动以及在空间间排列上的随机性，其光学性质质 一般在宏观观上呈现现出各向同性。 v 除立方晶系
2、的单晶体具有空间各向同性的光学性质外，一般单单晶体的光 学性质质均具有空间上的各向异性。 v 在一定的外界物理场场（如机械或热应热应 力、电场电场 、磁场场等）作用下，某 些非晶态态介质质（甚至立方晶晶体）会在宏观观上由各向同性转变为转变为 各向 异性。这这种场场致各向异性与晶体的自然各向异性具有类类似的特点。 石英： 光轴 (b) 石英晶体 102o 102o 78o78o 光轴 102o 102o (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（CaCO3），结构上 易解理成菱体（斜六面体），菱面的锐 角为78o08，钝
3、角为101o52。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（SiO2），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 纸面纸面 光 玻璃 纸面纸面 光 玻璃 纸面纸面 光 玻璃 纸面纸面 光 玻璃 纸面纸面 光 玻璃 纸面纸面 光 玻璃 纸面纸面 光 玻璃 纸面纸面 光 玻璃 纸面纸面 光 光 纸面纸面 方解石 晶体 光 光 纸面纸面 方解石 晶体 纸面纸面 方解石 晶体 光 光 纸面纸面 方解石 晶体 光 光 纸面
4、纸面 方解石 晶体 光光 纸面纸面 方解石 晶体 光光 纸面纸面 方解石 晶体 光 光 纸面纸面 方解石 晶体 光 光 纸面纸面 方解石 晶体 光 光 纸面纸面 方解石 晶体 光 光 纸面纸面 方解石 晶体 光 光 纸面纸面 方解石 晶体 光 光 纸面纸面 方解石 晶体 光 光 纸面纸面 方解石 晶体 光 光 纸面纸面 方解石 晶体 光 光 纸面纸面 方解石 晶体 光 光 纸面纸面 方解石 晶体 光 光 纸面纸面 方解石 晶体 光 光 纸面纸面 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
5、、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 n1 n2 i ro re (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.
6、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
7、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。 p 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 vo ve (b) 负晶体 光轴 vevo 正晶体 : ne no 负晶体 : ne ve) 负晶体 (vo 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
8、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neno，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？ p 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
9、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： N1N2 起偏器 波晶片 椭圆（圆）偏振器 p 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
10、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。 p 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
11、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
12、。 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d1厚度，可以用宽光束。 p偏振光的干涉 p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_
