9 第九次課、感生雙折射

1、1第九次課、感生雙折射第九次課、感生雙折射 一、應(yīng)力雙折射一、應(yīng)力雙折射光彈性效應(yīng)光彈性效應(yīng)二、電致雙折射二、電致雙折射電光效應(yīng)電光效應(yīng)三、磁光效應(yīng)三、磁光效應(yīng)內(nèi)容內(nèi)容：2一、應(yīng)力雙折射一、應(yīng)力雙折射光彈性效應(yīng)光彈性效應(yīng)dzaFF圖圖1 應(yīng)力雙折射應(yīng)力雙折射 由外加機械力產(chǎn)生雙折射的現(xiàn)象由外加機械力產(chǎn)生雙折射的現(xiàn)象稱為稱為“應(yīng)力雙折射應(yīng)力雙折射”或或“光彈性光彈性效應(yīng)效應(yīng)”。aeoC Fnnab規(guī)定：施加拉力時規(guī)定：施加拉力時F0，施，施加壓力時加壓力時F0，相當(dāng)于，相當(dāng)于正單軸晶體；正單軸晶體；當(dāng)玻璃受壓應(yīng)力時，當(dāng)玻璃受壓應(yīng)力時， neno0，相當(dāng)于，相當(dāng)于負(fù)單軸晶體。負(fù)單軸晶體。3dzaF

2、F圖圖1 應(yīng)力雙折射應(yīng)力雙折射 當(dāng)單色平面波沿當(dāng)單色平面波沿 z 方向通過該玻璃后，方向通過該玻璃后，兩個振動分量之間將被引入位相差：兩個振動分量之間將被引入位相差：002()2aeoC F=d nna寫成寫成CB，稱為媒質(zhì)的，稱為媒質(zhì)的“光彈性系光彈性系數(shù)數(shù)”或或“布儒斯特常數(shù)布儒斯特常數(shù)”，實際，實際上它與波長上它與波長0有明顯的關(guān)系。有明顯的關(guān)系。 4退火不均勻或裝夾不良的光學(xué)玻璃或元件內(nèi)部存在應(yīng)退火不均勻或裝夾不良的光學(xué)玻璃或元件內(nèi)部存在應(yīng)力，呈現(xiàn)不希望的雙折射。其嚴(yán)重程度可以用橢圓偏力，呈現(xiàn)不希望的雙折射。其嚴(yán)重程度可以用橢圓偏振光檢驗或平行偏振光干涉方法測定。振光檢驗或平行偏振光干

3、涉方法測定。對著普通光源觀察夾在兩塊正交偏振片之間的塑料三對著普通光源觀察夾在兩塊正交偏振片之間的塑料三角板，可以看到由應(yīng)力產(chǎn)生的彩色干涉圖形。角板，可以看到由應(yīng)力產(chǎn)生的彩色干涉圖形。應(yīng)力雙折射也有可利用的方面。機械設(shè)備中的一些零應(yīng)力雙折射也有可利用的方面。機械設(shè)備中的一些零部件在承受負(fù)荷時，將產(chǎn)生分布復(fù)雜的內(nèi)應(yīng)力，很難部件在承受負(fù)荷時，將產(chǎn)生分布復(fù)雜的內(nèi)應(yīng)力，很難用一般方法測定。用一般方法測定。“光測彈性學(xué)光測彈性學(xué)”就是研究利用應(yīng)力雙折射測定幾就是研究利用應(yīng)力雙折射測定幾定力的技術(shù)。其基本方法是，選用定力的技術(shù)。其基本方法是，選用CB值比較大值比較大(可以可以比玻璃大十倍左右比玻璃大十倍左

4、右)的可塑性光學(xué)材料制作機械零部的可塑性光學(xué)材料制作機械零部件的模型，并對它施加模擬的負(fù)荷。然后用偏振光干件的模型，并對它施加模擬的負(fù)荷。然后用偏振光干涉等方法則定內(nèi)部的雙折率分布。進而根據(jù)雙折率和涉等方法則定內(nèi)部的雙折率分布。進而根據(jù)雙折率和應(yīng)力的關(guān)系，推算應(yīng)力分布。應(yīng)力的關(guān)系，推算應(yīng)力分布。 5二、電致雙折射二、電致雙折射電光效應(yīng)電光效應(yīng) 1、一次電光效應(yīng)(普克爾斯效應(yīng))2、二次電光效應(yīng)(克爾效應(yīng)) 由電場感生的雙折射稱為由電場感生的雙折射稱為“電致雙折射電致雙折射”或或“電光效應(yīng)電光效應(yīng)”。它們可以分成兩大類。它們可以分成兩大類。 61、普克爾斯效應(yīng)沿某些晶體的光軸方向施加外電場后，可以

5、使沿光軸傳沿某些晶體的光軸方向施加外電場后，可以使沿光軸傳播的光波獲得兩振動分量之間的位相差。這稱作播的光波獲得兩振動分量之間的位相差。這稱作“縱向縱向普克爾斯普克爾斯(Pockels)效應(yīng)效應(yīng)”。由于產(chǎn)生的雙折率與電場強度成正比關(guān)系，故又稱由于產(chǎn)生的雙折率與電場強度成正比關(guān)系，故又稱“一一次電光效應(yīng)次電光效應(yīng)”或或“線性電光效應(yīng)線性電光效應(yīng)”。這個效應(yīng)是外電場使晶體分子極化的結(jié)果。所以，能發(fā)這個效應(yīng)是外電場使晶體分子極化的結(jié)果。所以，能發(fā)生壓電效應(yīng)的晶體都顯示生壓電效應(yīng)的晶體都顯示(縱向縱向)普克爾斯效應(yīng)。普克爾斯效應(yīng)。如，磷酸二氫銨如，磷酸二氫銨(ADP)、磷酸二氫鉀、磷酸二氫鉀(KDP)

6、、磷酸二氘、磷酸二氘鉀鉀(KD*A)、砷酸二氫鉀、砷酸二氫鉀(KDA)、鉭酸鋰、鈮酸鋇等有明、鉭酸鋰、鈮酸鋇等有明顯的顯的(縱向縱向)普克爾斯效應(yīng)。普克爾斯效應(yīng)。 當(dāng)外加電場方向與光束傳播方向垂直時，也能產(chǎn)生一次當(dāng)外加電場方向與光束傳播方向垂直時，也能產(chǎn)生一次電光效應(yīng)，稱為電光效應(yīng)，稱為“橫向普克爾斯效應(yīng)橫向普克爾斯效應(yīng)”。7AQPybazxSPAV觀察縱向普克爾斯效應(yīng)的簡單裝置觀察縱向普克爾斯效應(yīng)的簡單裝置 圖中的晶體圖中的晶體 Q 有三個互相正交的主軸方向有三個互相正交的主軸方向 x、y、z，其中其中 z 是光軸，通過晶體兩端面上的透明電極或環(huán)形電極，加是光軸，通過晶體兩端面上的透明電極或

7、環(huán)形電極，加上縱向的外界電場上縱向的外界電場E。理論和實驗都表明，這時晶體對沿理論和實驗都表明，這時晶體對沿 a 方向和方向和 b 方向振動的方向振動的光波分量呈現(xiàn)不同的折射率。其中光波分量呈現(xiàn)不同的折射率。其中a、b和和x、y共面，并且共面，并且分別與分別與x、y軸成軸成45角角。8AQPybazxSPAV折射率差折射率差(na nb)與電場強度與電場強度 E 的關(guān)系表示為：的關(guān)系表示為：3o 63abnnn r E式中式中no是未加電場時的尋常折射率，是未加電場時的尋常折射率，r63是一個有色散的是一個有色散的物質(zhì)常數(shù)，稱作物質(zhì)常數(shù)，稱作“電光系數(shù)電光系數(shù)”。9AQPybazxSPAV物質(zhì)

8、物質(zhì)r63 (10-12mV-1)noADP8.51.526KDP10.51.51KDA10.91.57KD*P26.41.52在在0=546.1nm的汞綠燈光照射下的汞綠燈光照射下 10AQPybazxSPAV單色平面波通過厚度為單色平面波通過厚度為d的晶體后，兩個振動分量獲得的晶體后，兩個振動分量獲得的位相差為：的位相差為：33o 63o 63000222()ab=d nnn r dE=n r V其中其中 V 是為產(chǎn)生電場是為產(chǎn)生電場E而加在晶體端面的電壓。而加在晶體端面的電壓。11能產(chǎn)生能產(chǎn)生位相差的電壓稱為位相差的電壓稱為“半波電壓半波電壓”，用，用V/2表示。表示。易得：易得：AQP

9、ybazxSPAV0/23o 632Vn r物質(zhì)物質(zhì)V/2 (kv)ADP9.2KDP7.6KDA6.2KD*P3.4V/2值越小，晶體的普值越小，晶體的普克爾斯效應(yīng)越顯著。克爾斯效應(yīng)越顯著。12為了以較小的電壓產(chǎn)生較大的位相差，有時把幾塊晶體為了以較小的電壓產(chǎn)生較大的位相差，有時把幾塊晶體“串聯(lián)串聯(lián)”使用。使用。V圖圖 晶體的晶體的“串聯(lián)串聯(lián)” ” 當(dāng)這些晶體的三個主軸互相平行時，各晶體產(chǎn)生的位相當(dāng)這些晶體的三個主軸互相平行時，各晶體產(chǎn)生的位相差將互相疊加。差將互相疊加。13AQPybazxSPAV應(yīng)用：應(yīng)用：*可制作光開關(guān)，由電信號控制光能否通過開關(guān)?？芍谱鞴忾_關(guān)，由電信號控制光能否通過開

10、關(guān)。在上圖中，起偏器在上圖中，起偏器P和檢偏器和檢偏器A的主方向分別與的主方向分別與x、y軸平軸平行，則當(dāng)行，則當(dāng)V=0時入射光不能通過該系統(tǒng)。但是當(dāng)時入射光不能通過該系統(tǒng)。但是當(dāng)V=V/2時，時，晶體相當(dāng)于一塊主方向沿晶體相當(dāng)于一塊主方向沿a、b軸的軸的/2片，使入射偏振光片，使入射偏振光的振動方向旋轉(zhuǎn)的振動方向旋轉(zhuǎn)90，恰好能無損耗地通過，恰好能無損耗地通過A。KD*P的開的開關(guān)響應(yīng)時間為關(guān)響應(yīng)時間為10-810-9s。普克爾斯效應(yīng)也可以用于電光調(diào)制。普克爾斯效應(yīng)也可以用于電光調(diào)制。142、二次電光效應(yīng)(克爾效應(yīng)) 在一些各向同性媒質(zhì)，特別是某些液體內(nèi)施加電場，可以使它在一些各向同性媒質(zhì)，

11、特別是某些液體內(nèi)施加電場，可以使它們呈現(xiàn)單軸晶體的光學(xué)各向異性。光軸與電場向平行，這稱為們呈現(xiàn)單軸晶體的光學(xué)各向異性。光軸與電場向平行，這稱為“克爾克爾(Kerr)效應(yīng)效應(yīng)”。它是媒質(zhì)分子在外電場作用下極化并定向排列的結(jié)果。它是媒質(zhì)分子在外電場作用下極化并定向排列的結(jié)果。因為這樣產(chǎn)生的雙折率與電場平方成正比，所以又稱為因為這樣產(chǎn)生的雙折率與電場平方成正比，所以又稱為“二次二次電光效應(yīng)電光效應(yīng)”。 APSKPAd+15APSKPAd+2eoKnnC E媒質(zhì)雙折率與所加電場的關(guān)系是：媒質(zhì)雙折率與所加電場的關(guān)系是：當(dāng)光波在媒質(zhì)內(nèi)經(jīng)過長度為當(dāng)光波在媒質(zhì)內(nèi)經(jīng)過長度為d的均勻電場區(qū)域后，兩個振的均勻電場區(qū)

12、域后，兩個振動分量的位相差是：動分量的位相差是：202()2eoK=d nnC dE0KKCC稱為稱為“克爾常數(shù)克爾常數(shù)”16表表 幾種物質(zhì)的克爾常數(shù)幾種物質(zhì)的克爾常數(shù)(0=589.3nm) 物質(zhì)物質(zhì)硝基硝基苯苯硝基甲硝基甲苯苯水水CS2氦氦CK(10-12mV-2)2.441.375.110-23.5610-24.410-4與普克爾斯效應(yīng)類似，也可以把產(chǎn)生與普克爾斯效應(yīng)類似，也可以把產(chǎn)生位相差的電壓稱為位相差的電壓稱為半波電壓，它不僅與物質(zhì)性質(zhì)、光波波長有關(guān)，而且還與半波電壓，它不僅與物質(zhì)性質(zhì)、光波波長有關(guān)，而且還與兩個電極板的間距和長度有關(guān)。如果硝基苯克爾盒的電極兩個電極板的間距和長度有關(guān)

13、。如果硝基苯克爾盒的電極間距為間距為1cm，長度為，長度為5cm，則對鈉黃光的半波電壓為，則對鈉黃光的半波電壓為21014V。在克爾盒前后加上起偏器和檢偏器后，也可以用作電光開在克爾盒前后加上起偏器和檢偏器后，也可以用作電光開關(guān)和實現(xiàn)電光調(diào)制。優(yōu)點是響應(yīng)時間短關(guān)和實現(xiàn)電光調(diào)制。優(yōu)點是響應(yīng)時間短 ( 10-810-10s)，缺，缺點是半波電壓較高，而且硝基苯有毒、易爆?，F(xiàn)已找到一點是半波電壓較高，而且硝基苯有毒、易爆。現(xiàn)已找到一些固體的克爾媒質(zhì)，如鈮酸鉭鉀些固體的克爾媒質(zhì)，如鈮酸鉭鉀(KTN)和鈦酸鋇等。和鈦酸鋇等。 17三、磁光效應(yīng)三、磁光效應(yīng)1、磁致雙折射、磁致雙折射(柯頓柯頓莫頓效應(yīng)莫頓效

14、應(yīng))當(dāng)硝基苯、二硫化碳等液體處在強磁場內(nèi)時，也會呈現(xiàn)當(dāng)硝基苯、二硫化碳等液體處在強磁場內(nèi)時，也會呈現(xiàn)光學(xué)各向異性。這現(xiàn)象稱為光學(xué)各向異性。這現(xiàn)象稱為“磁致雙折射效應(yīng)磁致雙折射效應(yīng)”，是，是“磁光效應(yīng)磁光效應(yīng)”的一種。的一種。雙折率與磁場強度雙折率與磁場強度H的關(guān)系是：的關(guān)系是：2eoCnnC H位相差是：位相差是：202()2eoC=d nnC dH0CCCC式中式中d是光波經(jīng)過加有磁場的媒質(zhì)長度。是光波經(jīng)過加有磁場的媒質(zhì)長度。稱為柯頓稱為柯頓-莫頓莫頓(Cotton-Mouton)系數(shù)。系數(shù)。對于鈉黃光，二硫化碳的對于鈉黃光，二硫化碳的CC值為值為510-9mA-2。182、磁致旋光、磁致旋

15、光(法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng))磁場可以使某些非旋光物質(zhì)具有旋光性。該現(xiàn)象稱為磁場可以使某些非旋光物質(zhì)具有旋光性。該現(xiàn)象稱為“法法拉第拉第(Faraday)效應(yīng)效應(yīng)”或或“磁致旋光磁致旋光”，是磁光效應(yīng)的又，是磁光效應(yīng)的又一種形式。一種形式。當(dāng)線偏振光在媒質(zhì)中沿磁場方向傳播距離當(dāng)線偏振光在媒質(zhì)中沿磁場方向傳播距離d后，振動方向后，振動方向旋轉(zhuǎn)的角度旋轉(zhuǎn)的角度等于：等于：=VedB 式中式中B是磁感應(yīng)強度，是磁感應(yīng)強度，Ve 是物質(zhì)常數(shù)，稱為費爾德是物質(zhì)常數(shù)，稱為費爾德(Verdet)常數(shù)。常數(shù)。二硫化碳的二硫化碳的Ve 值約等于值約等于750/(Tm)，輕火石玻璃和水的，輕火石玻璃和水的Ve 值分別

16、為值分別為528和和218/(Tm)。法拉第效應(yīng)產(chǎn)生的旋光與自然旋光物質(zhì)產(chǎn)生的旋光有一個法拉第效應(yīng)產(chǎn)生的旋光與自然旋光物質(zhì)產(chǎn)生的旋光有一個重大區(qū)別。重大區(qū)別。19自然旋光物質(zhì)有確定的右旋或左旋性質(zhì)，當(dāng)光波沿某一傳自然旋光物質(zhì)有確定的右旋或左旋性質(zhì)，當(dāng)光波沿某一傳播方向通過物質(zhì)時，若振動方向由播方向通過物質(zhì)時，若振動方向由方向變?yōu)榉较蜃優(yōu)榉较?，則當(dāng)方向，則當(dāng)光波反向通過同一物質(zhì)時，原來光波反向通過同一物質(zhì)時，原來方向的振動將回復(fù)到方向的振動將回復(fù)到方方向。向。磁致旋光的情況則不同。產(chǎn)生法拉第效應(yīng)的原因是，外磁磁致旋光的情況則不同。產(chǎn)生法拉第效應(yīng)的原因是，外磁場使物質(zhì)分子的磁矩定向排列，出現(xiàn)了定向

17、旋轉(zhuǎn)的磁矩電場使物質(zhì)分子的磁矩定向排列，出現(xiàn)了定向旋轉(zhuǎn)的磁矩電流，可以設(shè)想，順著磁矩電流方向旋轉(zhuǎn)的光波電場和逆向流，可以設(shè)想，順著磁矩電流方向旋轉(zhuǎn)的光波電場和逆向旋轉(zhuǎn)的光波電場與物質(zhì)的作用情況不同，從而左、右旋圓旋轉(zhuǎn)的光波電場與物質(zhì)的作用情況不同，從而左、右旋圓偏振光對應(yīng)的折轉(zhuǎn)射率不同，出現(xiàn)了旋光。偏振光對應(yīng)的折轉(zhuǎn)射率不同，出現(xiàn)了旋光。磁致作用情況僅僅取決于圓偏振光的電場旋轉(zhuǎn)方向是否與磁致作用情況僅僅取決于圓偏振光的電場旋轉(zhuǎn)方向是否與磁矩電流一致，而不取決于它是右旋的或左旋的，因為后磁矩電流一致，而不取決于它是右旋的或左旋的，因為后者與光波的傳播方向有關(guān)。因此，不論光波的傳播方向如者與光波的傳

18、播方向有關(guān)。因此，不論光波的傳播方向如何，通過磁致旋光媒質(zhì)時，偏振方向的旋轉(zhuǎn)方向是確定的，何，通過磁致旋光媒質(zhì)時，偏振方向的旋轉(zhuǎn)方向是確定的，它只和磁場方向有關(guān)。如果振動方向為它只和磁場方向有關(guān)。如果振動方向為的光通過媒質(zhì)后的光通過媒質(zhì)后振動方向為振動方向為，則振動方向為，則振動方向為的光逆向通過該媒質(zhì)后，振的光逆向通過該媒質(zhì)后，振動方向?qū)⒗^續(xù)旋轉(zhuǎn)一個角度動方向?qū)⒗^續(xù)旋轉(zhuǎn)一個角度(-)，并不回到，并不回到方向。方向。20P1P2P1P2P1MAP2VL45光隔離器光隔離器 光學(xué)中的二極管光學(xué)中的二極管當(dāng)光波沿某一方向傳播時可以通過隔離器，但反向傳播當(dāng)光波沿某一方向傳播時可以通過隔離器，但反向傳播的光波將被隔離器阻擋。的光波將被隔離器阻擋。改變加在線圈改變加在線圈L上的電壓極性，使磁場方向翻轉(zhuǎn)，即可改上的電壓極性，使磁場方向翻轉(zhuǎn)，即可改變通光的方向性，即自左向右傳播的光不能通過隔離器，變通光的方向性，