第八章光在晶体中的传播

第八章光在晶体中的传播第八章光在晶体中的传播1、双折射现象2、惠更斯作图3、波片和补偿器4、偏振光的干涉5、人为双折射6、旋光性,测糖术第一节：双折射现象RasmusBartholinisrememberedespeciallyforhisdiscovery(1669)ofthebirefringenceofalightraybyIcelandcrystal(calcite).Hepublishedanaccuratedescriptionofthephenomenon,butsincethephysicalnatureoflightwaspoorlyunderstoodatthetime,hewasunabletoexplainit.ItwasonlyafterThomasYoungproposedthewavetheoryoflight,c.1801thatanexplanationbecamepossible.RasmusBartholin(1625,–1698）Icelandcrystalisatransparentvarietyofcalcite,orcrystallizedcalciumcarbonate.o光（OrdinaryLight,寻常光）遵守折射定律e光（Extra-ordinarylight非常光）不遵守折射定律用检偏器来考察从晶体射出的两光束时，就会发现它们都是线偏振光。双折射光的偏振特点oe光轴：光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双折射现象，这一方向称为晶体的光轴.78o102o光轴天然方解石晶体是一六面棱体,每一面都是菱形,大角约为102o,小角约为78o.六面体中有两个相对的分别由三个钝角围成的顶角,连接这两个顶角,与连线平行的方向既是方解石光轴的方向.单轴晶体：只有一个光轴(如方解石、石英)的晶体双轴晶体：有两个光轴(如云母、硫磺)的晶体各向异性的“机械模型”解释。光轴法线入射光主截面：光轴和晶体表面光入射点的法线组成的平面。主截面光轴法线eo入射光主平面：晶体中光（o光或e光）的传播方向与晶体光轴构成的平面。o光的振动方向垂直于o光的主平面；e光的振动方向平行于e光的主平面。当o光和e光的主平面相互平行时,两光的振动互相垂直.o光和e光的传播方向o光传播方向符合折射定律和反射定律;o光在入射面内。e光一般不符合折射定律（在垂直于光轴的方向传播时符合折射定律）。一般e光不在入射面内。所以o光和e光的偏振方向一般不垂直。说明：当入射面和主截面重合一致时，e光的偏折依然在入射面内；当入射面和主截面不一致时，则e光射线就可能不在入射面内。o光的偏折总在入射面内。o光和e光的传播速度o光沿各个方向折射率相同(no),传播速度相同。e光沿不同的方向折射率不同,传播速度不同.沿光轴的方向折射率为no与o光相同.沿垂直于光轴的方向的折射率称为ne.no和ne成为晶体的主折射率。晶体可分为正晶和负晶neno的晶体,叫做负晶体.如方解石.neno的晶体,叫做正晶体.如石英.光在晶体中波前面yz光轴eotvotvexyeotvetvo⊙光轴t=0时刻自原点发出的光振动,在t=t时刻,o光传播到以v0t为半径的球面上.e光沿垂直光轴为传播距离vet,沿光轴为vot，e光波前面为椭球面。在光轴方向上o光球面和e光椭球面相切。负晶体(neno)正晶体(neno)eyz光轴xyeotvetvotve⊙光轴tvo(1)作图法确定光在各向同性介质界面上的反射和折射光方向.第二节：惠更斯作图n1n2用惠更斯原理确定反射光的传播方向.n1n2用惠更斯原理确定折射光的传播方向.空气晶体用惠更斯作图法确定光在晶体中的传播方向例题1：负晶体方解石,486.1en658.1on光轴ooee以入射点为中心，以1/no为半径作圆。以1/no为短轴,1/ne为长轴作椭圆空气晶体例题2：方解石486.1en658.1on光轴ABCee以AC/no为半径作圆以AC/no为短轴,AC/ne长轴,作椭圆oo例题3：石英(正晶体),55.1en,54.1on光轴垂直于入射面空气晶体光轴ABCooee以AC/no为半径作圆以AC/ne为半径作圆exyotve⊙光轴tvo空气方解石光轴oo晶体例题4空气石英石英光轴ooee例题555.1n尼科尔棱镜o68方解石晶体偏光棱镜o68o68022048光轴oe加拿大树胶,对钠黄光的折射率为1.55,介于方解石的ne=1.486和no=1.658之间.涂黑进入晶体发生双折射格兰—汤普森o格兰—汤普森棱镜线偏振光单色自然光光轴方解石涂黑加拿大树胶方解石制成的罗匈棱镜钠光自然光e•••o玻璃和方解石制成的偏振器钠光自然光e••o方解石光轴oo第三节：波片和补偿器将单轴晶体切成的有一定厚度的晶体片，使其光轴平行于表面，叫做波片．当光垂直通过波片时，在波片内分解为o光e光，因在晶体内垂直于光轴传播，所以o光e光的传播速度不同，这样，传播到波片的后表面o光e光就有了附加的相位差．波片产生的相位差与波片的d,no和ne有关．.)(dnneo光程差：o光e光的相位差为：.)(2dnneo若＞０表示o光落后.若０表示o光超前.tEEtEEeeoocoscos00tEEtEEeeoocoscos00光轴E0E0eE0o经过波片光在波片内被分解为o光和e光,经过波片后可以认为强度没有变化,但相位差发生变化,因此光过波片后可能要引起偏振态的变化.(1)波长片(或片)当即时,称为波长片.入射偏振光通过波长片后不改变其偏振态。经过波片)2cos(cos00ktEEtEEeeookdnneo22eonnkd当(2)二分之一波片(或/2片)即时,称为二分之一波片.oAeA)12(coscos00ktEEtEEeeoo经过波片,)12()(2kdnneo)()21(eonnkd(3)四分之一波片(或/4片),22)(2kdnneoeonnkd)41(时,称为四分之一波长片.当线偏振光入射到/4片时，出射光为正椭圆偏振或圆偏振光。相应地，当椭圆偏振或圆片真光入射到适当的/4片后，出射光可以转变为线偏振光。)212(coscos00ktEEtEEeeoo经过波片线偏振光通过l/4波片后将变为椭圆(圆)偏振光圆或主轴与波片光轴平行的正椭圆偏振光通过l/4波片后可变为线偏振光用四分之一波片和偏振片P可区分出自然光和圆偏振光。/4片偏振片自然光和圆偏振光的鉴别圆偏振光经四分之一波片变成线偏振光，而自然光在晶体（波片）内产生的o光和e光之间无固定的位相差，这样经过四分之一波片的出射光仍然是自然光。用四分之一波片和偏振片P可区分出部分偏振光和椭偏振光。偏振片部分偏振光和椭偏振光的鉴别而部分偏振光在晶体（波片）内产生的o光和e光之间无固定的位相差，这样经过四分之一波片的出射光仍然是部分偏振光。/4片光轴光轴平行最大光强或最小光强方向放置或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置，椭偏振光经四分之一波片变成线偏振光。⊙d2d1补偿器：o光e光o光e光从1到2经过补偿器后两偏振光之间的相位差：2120122ddnndnndnneoeeo第四节：偏振光的干涉P1eAeA2oA2ooAA1P1P21、P1P2sincos11AAAAoe它们之间的相位差：dnneo2晶体双折射投影sincos22cos12sin21cos2)(221222222AAAAAPIoeoe，干涉相消，暗条纹。即，当：，干涉相长，亮条纹。即，当：kdnnkkdnnkeoeo22)12(1222P1A1AoAeA2oA2eP22、P1P2212212sinsincoscosAAAAAAooee它们之间的相位差：dnneo2晶体双折射sincos11AAAAoecos2sin212sin211coscossin2sincoscos2)(22212221221221222222AAAAAAAAPIoeoe，干涉相消，暗条纹。即，当：，干涉相长，亮条纹。即，当：122)12(222kdnnkkdnnkeoeo当P1P2满足亮条纹条件时，P1P2为暗条纹当P1P2满足暗条纹条件时，P1P2为亮条纹两种情况互补，旋转第二个偏振片，从P1P2到P1P2观察的明暗互补P1P2,出射光强度分布为：cos12sincos2)(221222222AAAAAPIoeoe劈尖晶片的等厚干涉花样晶片P1偏振片P2偏振片I0自然光例题1：等厚干涉xnndnneoeo22当偏振光的干涉装置中的晶片厚度不均匀时，具有相同厚度的地方，将产生同样的干涉光强，形成等厚干涉花样．，干涉相消，暗条纹。即，当：，干涉相长，亮条纹。即，当：kxnnkkxnnkeoeo22)12(1222eonnx等厚条纹，条纹间距：光弹测量：构件做成模型，置于光场中，测定模型应力值。在构件上施加一定拉力和压力，介质内部形成一定的应力分布，介质变成各向异性，产生双折射。),(),(2),(),(yxIyxndyxnnyxneo在一定的应力范围里，双折射率n和应力成正比，n的空间分布反映在偏振光的干涉条纹花样，由相似原理换算出实际应力。第五节：人工双折射光源准光镜检偏器起偏器模型成像透镜反光镜屏幕+-•克尔效应:某些各向同性的透明介质（如非晶体和液体），在外电场的作用下，显示出双折射现象，称为克尔效应。外加电场破坏溶液的各向同性，产生各向异性，产生双折射，光轴方向平行于电场方向；22bEnEnnneo即：P1P2Eeo经过长度为l的电场区，克尔效应产生的附加相位差为：22222VmKKlElbEbK为克尔常数，单位为其中，令22212212cos12sincos12sin)(KlEAAPI透过P2的光强：KldEdUKlEPIKlEPIE221)(2:;0)(02半，对应的外加电压：为：极大，此时的外加电场时，当时，当：当电压在半波电压与零值间变换时，克尔盒可使光路通、断，故可用作电光开关。若克尔盒的电极与调制信号电压相接，则通过P2的光强将随信号电压的变化而改变，这时的克尔盒就是一个光调制器。由于克尔效应几乎没有延迟时间，随外电场变化的响应时间极短,可达10-9s，因此可制成高速光闸和光调制器等，用于高速摄影、电影电视以及激光通讯等领域。Kerr'smostimportantexperimentalworkwasthediscoveryofdoublerefractioninsolidandliquiddielectricsinanelectrostaticfield(1875)andoftheso-calledKerreffect.JohnKerr(1824–1907)图为泡克耳斯效应装置(光传播方向与电场平行)，P1⊥P2；透明电极；晶体是单轴晶体，光轴沿光传播方向(不加电场时，无双折射)。加电场→晶体变双轴晶体→原光轴方向附加了双折射效应。泡克耳斯效应产生的