南方醫(yī)科大學(xué)《大學(xué)物理》李貞姬-ch12-14-lzj

1、12-14 光的雙折射 光在各向異性介質(zhì)中的傳播,方解石,一. 尋常光和非常光,1.雙折射（double refraction,雙折射現(xiàn)象 一束光入射到各向異性的介質(zhì)后出現(xiàn)兩束折射光線的現(xiàn)象,食鹽晶體,2. 尋常光和非尋常光,o 光,e 光,兩折射光線中有一條始終在入射面內(nèi)，并遵從折射定律，稱為尋常光， 簡稱 o 光 （ordinary light,另一條光一般不在入射面內(nèi)， 不遵從折射定律，稱非常光， 簡稱 e 光 （extraordinary light,兩束光的特點(diǎn),兩束光是光矢量振動(dòng)方向 不同的線偏振光,垂直入射時(shí)，以入射光為軸 旋轉(zhuǎn)晶體，o 光不動(dòng)，e 光旋轉(zhuǎn),1. 晶體的光軸（op

2、tical axis of crystal,當(dāng)光在晶體內(nèi)沿某個(gè)特殊方向傳播時(shí)不發(fā)生雙折射，該方向稱為晶體的光軸,例如 方解石晶體(冰洲石) 平行6面體,光軸是一特殊的方向, 凡平行于此方向的直線 均為光軸,二. 光軸 主平面,光軸,頂點(diǎn)A、B是由3個(gè)鈍角面會(huì)合而成的。通過這樣的頂點(diǎn)并與三個(gè)界面成等角的直線方向就是光軸方向,單軸晶體：只有一個(gè)光軸的晶體 冰洲石、石英、紅寶石、冰,雙軸晶體: 有兩個(gè)光軸的晶體 云母、藍(lán)寶石、橄欖石、硫磺,A,B,方解石晶體(冰洲石) 平行6面體,2. 主平面（principal plane,主平面 晶體中光的傳播方向與晶體光軸構(gòu)成的平面,o 光振動(dòng)垂直主平面,e

3、光振動(dòng)在主平面內(nèi),雙折射光的偏振,o 光和 e 光都是偏振光. 并且偏振方向互相垂直,e光,光軸,e 光的 主平面,o光,光軸,o 光的 主平面,光軸在入射面時(shí),o 光主平面和e 光 主平面重合,此時(shí)o 光振動(dòng)和e 光振 動(dòng)相互垂直。一般情況下，兩個(gè)主 平面夾角很小，故可認(rèn)為o 光振動(dòng) 和e 光振動(dòng)仍然相互垂直,o光振動(dòng)垂直o 光主平面,e 光振動(dòng)在e 光主平面內(nèi),光軸,o 光,e 光,光軸,o 光主折射率,e 光主折射率) （principal refractive index,各個(gè)方向 光速相同 波面為 球面,各個(gè)方向 光速不同 波面為 橢球面,三. 單軸晶體的子波波陣面,正晶體(posi

4、tive crystal,光軸,光軸,負(fù)晶體(negative crystal,垂直光軸截面,垂直光軸截面,平行光軸截面,平行光軸截面,石英、冰等,方解石、紅寶石等,四. 偏振光的干涉,1. 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,偏振片1,偏振片2,單色光入射，波片厚度均勻，屏上光強(qiáng)均勻分布,波片厚度不均勻時(shí)，出現(xiàn)干涉條紋,白光入射，屏上出現(xiàn)彩色，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片或波片，色彩變化,雙折射晶片,d,o 光和e 光傳播方向相同， 但速度不同,o 光和e 光通過波片后產(chǎn) 生的相位差為,no o 光主折射率,ne e 光主折射率,偏振片1,偏振片2,光軸平行晶體表面，垂直入射,經(jīng)過波片后的兩束光（o,e）能產(chǎn)生干涉么,2. 偏振光干涉

5、的分析,o光和e光振動(dòng)方向垂直，不能產(chǎn)生干涉！ 利用偏振片2將光振動(dòng)引到一個(gè)方向上來,2. 光強(qiáng)分析,o 光和e 光經(jīng)過偏振片2 后，振動(dòng)方向平行，振動(dòng)頻率相同，相位差恒定，滿足干涉條件,式中為投影引入的附加相位,P1P2,干涉相長,干涉相消,討論,1) 波片厚度相同時(shí)，各處相位差相同，單色光 照射時(shí)屏上光強(qiáng)均勻分布,合振動(dòng)強(qiáng)度為,2) 波片厚度不均勻時(shí)，各處相位差不同，單色光入射出現(xiàn)等厚干涉條紋,3) 白光照射時(shí)，屏上由于某種顏色干涉相消, 而呈現(xiàn)它的互補(bǔ)色，這叫( 顯) 色偏振。 （complementary colors） （chromatic polarization,白光,4) 旋轉(zhuǎn)

6、偏振片，使兩偏振片偏振化方向平行， 相位差產(chǎn)生 的變化，屏上顏色發(fā)生變化,偏光顯微鏡廣泛用于地質(zhì)、冶金工業(yè)中礦石鑒別、晶體結(jié)構(gòu)分析,2001_1,兩偏振片的偏振化方向正交，方解石晶體光軸與兩偏振片偏振化方向各成 45度，已知方解石晶片厚度0.025mm。折射率no=1.658, ne=1.486。若入 射到第一個(gè)偏振片的光是波長為0.4um0.76um 的可見光，則透過第2個(gè) 偏振片的光中，因干涉而缺少的波長為 um？ A 0.7329 0.6326 0.5428 0.4882 B 0.7229 0.6615 0.5733 0.5059 C 0.7568 0.6055 0.5046 0.432

7、5 D 0.7167 0.6143 0.5375 0.4778,例,兩偏振片的偏振化方向正交，方解石晶體光軸與兩偏振片偏振化方向各成 45度，已知方解石晶片厚度0.025mm。折射率no=1.658, ne=1.486。若入 射到第一個(gè)偏振片的光是波長為0.4um0.76um 的可見光，則透過第2個(gè) 偏振片的光中，因干涉而缺少的波長為 um？ A 0.7329 0.6326 0.5428 0.4882 B 0.7229 0.6615 0.5733 0.5059 C 0.7568 0.6055 0.5046 0.4325 D 0.7167 0.6143 0.5375 0.4778,o光,四. 單

8、軸晶體中的波面 ( 惠更斯作圖法(vevo),方解石,光軸,1. 光軸平行入射面，自然光斜入射負(fù)晶體中,光軸,e光,1。畫平行的入射光束 2。做AB垂直于入射線，即入射線的波面 3。求出B到B的時(shí)間 t=|BB|/c 4。以A為中心，vot為半徑做半圓（球）面。即，B 時(shí)刻A發(fā)出的次波面 5。過B做半圓的切線（面），即包絡(luò)面，折射光的波面 6。連接A和切點(diǎn)，得到折射線方向,做與半球面在光軸方向上相切的半橢球面，另一半主軸長為vet,方解石,光軸,2. 光軸平行入射面，自然光垂直入射負(fù)晶體中,o光,e光,e光,o光,光軸,注意: 此時(shí)在晶體中 e 光的波面不再與其波線垂直,3. 光軸平行晶體表面

9、，自然光垂直入射,此時(shí)，o, e 光傳播方向相同，但傳播速度不同。從晶體出射后，二者產(chǎn)生相位差,4. 光軸垂直晶體表面，自然光垂直入射,5. 光軸垂直入射面，自然光斜入射,五. 晶體偏振器,尼科耳棱鏡 W.Nicol,1828 應(yīng)用最為廣泛的 雙折射偏振器件 將方解石晶體沿特定方向切成兩半，再用 加拿大樹膠粘合，即制成尼科耳棱鏡,o光,加拿大樹膠,光軸,缺點(diǎn)：加拿大樹膠吸收紫外線， 所以，對(duì)短波段不適用。 這時(shí)，可以使用渥拉斯頓棱鏡,140,要求: 入射角小于140, 否則O 光不能發(fā)生全反射,使o光發(fā)生全反射,2. 渥拉斯頓棱鏡 （Wollaston prism） 由兩塊直角方解石棱鏡拼成。兩塊棱鏡的光軸互相垂直,上述兩種棱鏡得到的偏振光質(zhì)量非常好，但棱鏡本身價(jià)格很高，因而使用較少,負(fù)晶體,o光,e光,折射角入射角 折射角入射角,出射 o 光 e 光的相差為,3. 波晶片,自然光垂直入射波晶片后，o 光, e 光傳播速度不同，產(chǎn)生的相位不同,波晶片,光軸平行于表面且厚度均勻的晶體,波晶片分類,波片(quarter-wave plate,半波片