晶体的双折射现象讲解课件.ppt

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。,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：,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,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,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.,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.,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,主截面与主平面,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。,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,正晶体:ne no,负晶体:ne no,(ve vo),(ve vo),e光:,n0，ne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,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。,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？,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：,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。,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。,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d1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_,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,