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1、7.1 晶体的双折射现象,主要内容,1. 晶体的结构特征,2. 各向异性晶体的双折射现象,3. 双折射现象的理论解释,7.1.1 晶体的结构特征,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。,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
2、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：,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
3、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：,双折射：同一束入射光同时出现两个偏折方向的现象,7.1.2 双折射现象,透过食盐和方解石晶体的线条,透过方解石晶体及正交偏振片的线条,说明：折射定律一般仅适用于各向同性介质。对于各向异性晶体，一般情况下，由双折射产生的两束折射光波中至少有一束不满足折射定律。入射光的方向不同，晶体结构及空间取向不同，则双折射性质不同。,结论：由于双折射，一束自然光通过某种各向异性晶体制成的平行平板后，将分解成两束相互错开但方向平行的透射光波，导致出现相互错开的双重折射影像。
4、当以入射光线为轴线旋转该介质平板时，至少有一束透射光或一个影像的位置会随之旋转，两束透射光波或两个重叠的折射影像均表现为平面偏振特性，且振动方向正交。,光轴：各向异性晶体中的一些特定方向，沿此方向入射的自然光不发生双折射现象。,单轴晶体：只有一个光轴的晶体。主要为四方晶系、六角晶系、三角晶系等晶体,如方解石（六角）、石英（三角）、铌酸锂（三角）、冰（三角）、红宝石（三角）、金红石（四方）等。,双轴晶体：包含两个光轴的晶体。主要为正交晶系、单斜晶系、三斜晶系等晶体,如云母（单斜）、黄玉（正交）、铌酸钾（正交）等。自然界中的晶体大多是双轴的。,说明：晶体的光轴与光学系统的光轴不同，仅仅表示了晶体中
5、的一个特定方向，并非沿该方向上的某些特殊光线。,(1) 单轴晶体与双轴晶体,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；主平面的方位则取决于光线及晶体光轴的取向；当主平面平行于入射面时，主截面也平行于入射面。,(2) 单轴晶体中的主截面与主平面,o光光线始终位于入射面内，而偏振面垂直于o光主平面；e光光线可能不在入射面内，但其偏振面始终平行于e光主平面。 光轴位于入射面内（主截面与入射面重合）时，o光与e光主平面重合且与主截面重合，因而两折射光线的偏振面严格正交。 光轴不在入射面内（主截面与入射面不重合
6、）时，o光与e光主平面严格讲并不平行，但其夹角一般很小，故可近似认为其偏振面正交。,寻常光（o光）：单轴晶体中始终满足折射定律的光束,非常光（e光）：单轴晶体中一般不满足折射定律的光束（折射角的正弦与入射角的正弦之比不为常数，取决于入射光线和晶体的取向）,(3) 单轴晶体中的寻常光与非常光,说明：,(1) 晶体中波面的形状, 惠更斯假设,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。,7.1.3 双折射现象的理论解释,主折射率 对于
7、o光晶体的折射率no=c/ v0 ,但对e光，因为它不服从普通的折射定律，不能简单地用一个折射率来反映它折射的规律。通常仍把真空光速c与e光沿垂直于光轴传播时的速度ve之比也叫做它的折射率,用ne表示， ne=c/ve,（以负单轴晶体为例：vone）, 光轴平行于入射面，并与界面相交一角度。,结论：无论是垂直入射还是斜入射，o光与e光分开，但因主截面与入射面重合，故o光主平面与e光主平面重合，e光仍位于入射面内。o光光线方向与波面正交，e光则不一定垂直于波面。,(3) 单轴晶体中的光线方向, 光轴平行于入射面，但与界面垂直，平行光入射。,结论：o光和e光波面与入射面的交线分别为圆和椭圆，主平面、主截面与入射面重合，o光与e光振动方向正交。垂直入射时，o光与e光不分开，且速度均为vo。斜入射时，o光与e光分开，e光不满足折射定律。,作业,无,
