光在晶体中的传播

1、横波特性：电矢量和磁矢量的方向均垂直波的传播方向。2、E、B(H)、k互成右手螺旋系。3、E和B同相2.3平面电磁波的性质)()(100EkEkBvvBE1KHE光的偏振？不同形状的偏振光，如何判别？？思考题：为什么只有横波才可能是偏振的？本节学习内容一、晶体的双折射现象二、晶体的各向异性和介电张量三、单色平面波在晶体中的传播第十五章光的偏振和晶体光学基础之前，学习光波在空间传播特性，光波之间的相互作用。这章学习光波与传播介质的作用，突出主因是介质的特性作用。一、晶体的双折射现象二、晶体的特性1.寻常光o光和非寻常光e光2.双折射晶体：方解石3.晶体中特殊的轴、面4．单轴晶体中波的传播，p.4775．正、负晶体，p.4816.晶体中o光与e光的偏振态三、用惠更斯原理解释双折射现象，§15-第二节光在晶体中的传播光束射入某些晶体中时，由于晶体对两个相互垂直振动矢量的光的折射率不同而产生两束折射光，这种现象称为双折射(DoubleRefraction)。一、晶体(Crystal)的双折射现象第二节光在晶体中的传播一束单色的自然光入射到各向异性晶体界面上折射时，出现两束折射光，看到两个像。1寻常光（Ordinarylight,o光）和非寻常光Extraordinarylight,e光）两束折射光中，有一束光遵守折射定律，称为寻常光（o光）；另外一束一般不遵守折射定律，称为非寻常光（e光）。均是线偏振光。折射定律有两个含义：A.入射角与折射角的关系，B.入射光线和折射光线与法线同在一个平面。说明：1〕o光和e光与晶体密不可分2〕折射定律的含义一、晶体(Crystal)的双折射现象2.双折射晶体：方解石方解石也称冰洲石，化学成分CaCO3。天然晶体结构外形是平行六面体。顿隅每个面都是锐角7808’、钝角101052’的平行四边形。六面体有8个顶角，其中2个由三面钝角组成，称为钝隅。其余6个顶角度是由1个锐角和1个钝角组成。光轴：存在一个特殊方向，当光在晶体中沿这个方向传播时，不发生双折射。这个特殊的方向称为晶体的光轴。即从一钝隅所做的等分角线方向，即与钝隅的三条棱成相等角度的那个方向。如果各棱等长，即相对钝隅的连线为光轴。光轴：存在一个特殊方向，当光在晶体中沿这个方向传播时，不发生双折射。这个特殊的方向称为晶体的光轴。即从一钝隅所做的等分角线方向，即与钝隅的三条棱成相等角度的那个方向。如果各棱等长，即相对钝隅的连线为光轴。光轴(Opticalaxis)在双折射晶体中存在一个特殊的方向，当光束在这个方向传播时不发生双折射，此方向称为晶体的光轴。在光轴方向上，o光和e光都遵守折射定律。而且：no=ne3、晶体中特殊的轴、面重点指出：光轴并不是晶体中的某一条特定的直线，而是一个方向。在晶体中的每一个点，都可以做出一条光轴来。一族平行线。若方解石晶体各棱等长时的光轴。主平面：光线和光轴所组成的平面。主截面(Principalsection)：光轴和晶体表面法线(Normalline)组成。o光主平面：o光和晶体光轴组成的面为o主平面。e光主平面：e光和晶体光轴组成的面为e主平面。光线在一般情况下入射晶体，o光和e光是不同面的。当入射光线在主截面内时，两面重合，o光e光主平面均为主截面。3、晶体中特殊的轴、面晶体的切割O光和e光都是线偏振光。6.晶体中o光与e光的偏振态O光振动方向与O光主平面垂直，因而总与光轴垂直。e光振动方向在e光主平面内，其传播速度随传播方向而改变。当光线在主截面入射时，主平面与主截面重合，则O光振动方向垂直于主截面，e光振动方向在主截面内。3、晶体中特殊的轴、面当光线在主截面入射时，主平面与主截面重合，则O光振动方向垂直于主截面，e光振动方向在主截面内。主截面：光轴和晶体表面法线组成。3．晶体的分类（Typesofcrystal）各向同性晶体（Isotropiccrystal）：不产生双折射现象。如：NaCl双折射晶体（Anisotropiccrystal）：单轴晶体（Uniaxial）：只有一个光轴方向的晶体。如：方解石(Calcite)、石英(Quartz)。双轴晶体（Biaxial）：有两个光轴方向的晶体。如：云母(Mica)等。二、晶体特性4．单轴晶体中波的传播，p.477xyz(光轴)晶体中的波面晶体内除了光轴外的一个给定方向，允许两束电矢量相互垂直的线偏光以不同的速度传播。对于单轴晶体其中一束光的速度（大小）不随传播方向改变，就是O光。它的波面是一个圆面。另一束光的速度（大小）随传播方向改变，就是e光，它的波面是一个以光轴为对称的回转椭圆面。传播速度随传播方向而改变。O光波面e光波面看o,e波面的包含关系正晶体和负晶体5．正、负晶体：正晶体：none，e光波面（椭球面）在o光波面（球面）之内。负晶体：none，e光波面（椭球面）在o光波面（球面）在之外e光光轴Opticalaxise光o光o光VoVe时为正晶体(Positivecrystal)，e光椭球波面在内。VoVe时为负晶体(Negativecrystal)，e光椭球波面在外。指光线速度，即能量传播速度。方解石是负晶体！！光线垂直入射时的双折射现象a)晶体表面垂直于光轴b)晶体表面平行于光轴光线在晶体主截面内倾斜入射时的双折射现象a)光轴在入射面内b)光轴垂直于入射面三、用惠更斯作图法求取光线方向p.485-486注意：o光和e光的振动方向是相对主平面（主截面）而言，因而，垂直与平行也是相对主平面而言。图1-a)光线垂直入射时的双折射现象(晶体表面垂直于光轴)eeAoAAoAO’EOE’入射光(Incidentray)光轴opticalaxis（负）晶体表面（入射界面）三、用惠更斯作图法求取光线方向p.485-486图1-b-1)光线垂直入射时的双折射现象(晶体表面平行于光轴)eeAoAAoAO’EOE’入射光(Incidentray)光轴opticalaxis图1-b)三、用惠更斯作图法求取光线方向p.485-486主面平行于纸面O光垂直于纸面e光平行于纸面折射光方向只有一个，但o光和e光速度不同，通过晶体后，产生一个相位差。应用。图1-b-2）光线垂直入射时的双折射现象(晶体表面平行于光轴)eeAoAAoAO’EO入射光(Incidentray)光轴opticalaxis三、用惠更斯作图法求取光线方向p.485-486主面垂直于纸面O光平行于纸面e光垂直于纸面折射光方向只有一个，但o光和e光速度不同，通过晶体后，产生一个相位差。应用。图1光线垂直入射时的双折射现象光轴opticalaxiseeAoAAoA入射光(Incidentray)E’O’EO（负）晶体表面（入射界面）三、用惠更斯作图法求取光线方向p.485-486主面=光线+光轴主截面=光轴+晶体表面法线O光垂直主面e光在主面内none图2-a）光线在晶体主截面内倾斜入射时的双折射现象（光轴在入射面内）三、用惠更斯作图法求取光线方向p.485-486主面平行于纸面主面与主截面重合e光在图面内振动图2-b）光线在晶体主截面内倾斜入射时的双折射现象（光轴垂直于入射面）三、用惠更斯作图法求取光线方向p.485-486e光垂直图面振动平面光波的电磁结构(补充)—相速度和光线速度EXH=KEXH=SAA’BB’kVrSVpK:波矢量，波法线方向，相速度方向，等相位面的传播速度。S：能流密度（坡印亭矢量），能流方向，光线速度，是单色光波能量传播速度。AB波阵面相速度和光线速度关系图cosrp平面光波的电磁结构(补充)—相速度和光线速度晶体光学的一个基本特性：在一般情况下，光在晶体中（各向异性介质）的相速度和光线速度是分离的，其大小和方向均不相同。而在各向同性介质中，单色平面波的相速度也即是其能量传播速度（光线速度）。单轴晶体中的O光和e光对于O光：E矢量和D矢量总是平行，并且垂直于波法向K；光线方向与波法线方向重合；对于e光：E矢量和D矢量一般不平行，并且在波法线K与光轴决定的平面内；光线方向与波法线方向不重合；其折射率随波法线方向而改变。eooeMnnnn2arctan22最大离散角DeX1X2EeSeKSoD0E0单轴晶体中的O光和e光X3光轴P.485图15-22