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(jī)械力產(chǎn)生雙折射的現(xiàn)象由外加機(jī)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(shí)規(guī)定：施加拉力時(shí)F0，施，施加壓力時(shí)加壓力時(shí)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(shí)，當(dāng)玻璃受壓應(yīng)力時(shí)， 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(guò)該玻璃后，方向通過(guò)該玻璃后，兩個(gè)振動(dòng)分量之間將被引入位相差：兩個(gè)振動(dòng)分量之間將被引入位相差：002()2aeoC F=d nna寫(xiě)成寫(xiě)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(shí)際，實(shí)際上它與波長(zhǎng)上它與波長(zhǎng)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(yàn)或平行偏振光干涉方法測(cè)定。振光檢驗(yàn)或平行偏振光干

3、涉方法測(cè)定。對(duì)著普通光源觀察夾在兩塊正交偏振片之間的塑料三對(duì)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(jī)械設(shè)備中的一些零應(yīng)力雙折射也有可利用的方面。機(jī)械設(shè)備中的一些零部件在承受負(fù)荷時(shí)，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(shí)，將產(chǎn)生分布復(fù)雜的內(nèi)應(yīng)力，很難用一般方法測(cè)定。用一般方法測(cè)定?！肮鉁y(cè)彈性學(xué)光測(cè)彈性學(xué)”就是研究利用應(yīng)力雙折射測(cè)定幾就是研究利用應(yīng)力雙折射測(cè)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(jī)械零部的可塑性光學(xué)材料制作機(jī)械零部件的模型，并對(duì)它施加模擬的負(fù)荷。然后用偏振光干件的模型，并對(duì)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(jìn)而根據(jù)雙折率和涉等方法則定內(nèi)部的雙折率分布。進(jìn)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(chǎng)感生的雙折射稱為由電場(chǎng)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(chǎng)后，可以

5、使沿光軸傳沿某些晶體的光軸方向施加外電場(chǎng)后，可以使沿光軸傳播的光波獲得兩振動(dòng)分量之間的位相差。這稱作播的光波獲得兩振動(dòng)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(chǎng)強(qiáng)度成正比關(guān)系，故又稱由于產(chǎn)生的雙折率與電場(chǎng)強(qiáng)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(gè)效應(yīng)是外電場(chǎng)使晶體分子極化的結(jié)果。所以，能發(fā)這個(gè)效應(yīng)是外電場(chǎng)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(chǎng)方向與光束傳播方向垂直時(shí)，也能產(chǎn)生一次當(dāng)外加電場(chǎng)方向與光束傳播方向垂直時(shí)，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(jiǎn)單裝置觀察縱向普克爾斯效應(yīng)的簡(jiǎn)單裝置 圖中的晶體圖中的晶體 Q 有三個(gè)互相正交的主軸方向有三個(gè)互相正交的主軸方向 x、y、z，其中其中 z 是光軸，通過(guò)晶體兩端面上的透明電極或環(huán)形電極，加是光軸，通過(guò)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(chǎng)上縱向的外界電場(chǎng)E。理論和實(shí)驗(yàn)都表明，這時(shí)晶體對(duì)沿理論和實(shí)驗(yàn)都表明，這時(shí)晶體對(duì)沿 a 方向和方向和 b 方向振動(dòng)的方向振動(dòng)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(chǎng)強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)時(shí)的尋常折射率，是未加電場(chǎng)時(shí)的尋常折射率，r63是一個(gè)有色散的是一個(gè)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(guò)厚度為單色平面波通過(guò)厚度為d的晶體后，兩個(gè)振動(dòng)分量獲得的晶體后，兩個(gè)振動(dòng)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(chǎng)是為產(chǎn)生電場(chǎng)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?？藸査剐?yīng)越顯著。12為了以較小的電壓產(chǎn)生較大的位相差，有時(shí)把幾塊晶體為了以較小的電壓產(chǎn)生較大的位相差，有時(shí)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(gè)主軸互相平行時(shí)，各晶體產(chǎn)生的位相當(dāng)這些晶體的三個(gè)主軸互相平行時(shí)，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(kāi)關(guān)，由電信號(hào)控制光能否通過(guò)開(kāi)關(guān)?？芍谱鞴忾_(kāi)關(guān)，由電信號(hào)控制光能否通過(guò)開(kāi)

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(shí)入射光不能通過(guò)該系統(tǒng)。但是當(dāng)時(shí)入射光不能通過(guò)該系統(tǒng)。但是當(dāng)V=V/2時(shí)，時(shí)，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(dòng)方向旋轉(zhuǎn)的振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)90，恰好能無(wú)損耗地通過(guò)，恰好能無(wú)損耗地通過(guò)A。KD*P的開(kāi)的開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間為關(guān)響應(yīng)時(shí)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(chǎng)，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(chǎng)，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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)作用下極化并定向排列的結(jié)果。因?yàn)檫@樣產(chǎn)生的雙折率與電場(chǎng)平方成正比，所以又稱為因?yàn)檫@樣產(chǎn)生的雙折率與電場(chǎng)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(chǎng)的關(guān)系是：媒質(zhì)雙折率與所加電場(chǎng)的關(guān)系是：當(dāng)光波在媒質(zhì)內(nèi)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為當(dāng)光波在媒質(zhì)內(nèi)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為d的均勻電場(chǎng)區(qū)域后，兩個(gè)振的均勻電場(chǎng)區(qū)

12、域后，兩個(gè)振動(dòng)分量的位相差是：動(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)有關(guān)，而且還與兩個(gè)電極板的間距和長(zhǎng)度有關(guān)。如果硝基苯克爾盒的電極兩個(gè)電極板的間距和長(zhǎng)度有關(guān)

13、。如果硝基苯克爾盒的電極間距為間距為1cm，長(zhǎng)度為，長(zhǎng)度為5cm，則對(duì)鈉黃光的半波電壓為，則對(duì)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(kāi)在克爾盒前后加上起偏器和檢偏器后，也可以用作電光開(kāi)關(guān)和實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間短關(guān)和實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間短 ( 10-810-10s)，缺，缺點(diǎn)是半波電壓較高，而且硝基苯有毒、易爆?，F(xiàn)已找到一點(diǎn)是半波電壓較高，而且硝基苯有毒、易爆?，F(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(qiáng)磁場(chǎng)內(nèi)時(shí)，也會(huì)呈現(xiàn)當(dāng)硝基苯、二硫化碳等液體處在強(qiáng)磁場(chǎng)內(nèi)時(shí)，也會(huì)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(chǎng)強(qiáng)度雙折率與磁場(chǎng)強(qiáng)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(guò)加有磁場(chǎng)的媒質(zhì)長(zhǎng)度。是光波經(jīng)過(guò)加有磁場(chǎng)的媒質(zhì)長(zhǎng)度。稱為柯頓稱為柯頓-莫頓莫頓(Cotton-Mouton)系數(shù)。系數(shù)。對(duì)于鈉黃光，二硫化碳的對(duì)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(chǎng)可以使某些非旋光物質(zhì)具有旋光性。該現(xiàn)象稱為磁場(chǎng)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(chǎng)方向傳播距離當(dāng)線偏振光在媒質(zhì)中沿磁場(chǎng)方向傳播距離d后，振動(dòng)方向后，振動(dòng)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(qiáng)度，是磁感應(yīng)強(qiáng)度，Ve 是物質(zhì)常數(shù)，稱為費(fèi)爾德是物質(zhì)常數(shù)，稱為費(fèi)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(gè)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(gè)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(guò)物質(zhì)時(shí)，若振動(dòng)方向由播方向通過(guò)物質(zhì)時(shí)，若振動(dòng)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(guò)同一物質(zhì)時(shí)，原來(lái)光波反向通過(guò)同一物質(zhì)時(shí)，原來(lái)方向的振動(dòng)將回復(fù)到方向的振動(dòng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)和逆向旋轉(zhuǎn)的光波電場(chǎng)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(chǎng)與物質(zhì)的作用情況不同，從而左、右旋圓偏振光對(duì)應(yīng)的折轉(zhuǎn)射率不同，出現(xiàn)了旋光。偏振光對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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?yàn)楹蟠啪仉娏饕恢?，而不取決于它是右旋的或左旋的，因?yàn)楹笳吲c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(guò)磁致旋光媒質(zhì)時(shí)，偏振方向的旋轉(zhuǎn)方向是確定的，何，通過(guò)磁致旋光媒質(zhì)時(shí)，偏振方向的旋轉(zhuǎn)方向是確定的，它只和磁場(chǎng)方向有關(guān)。如果振動(dòng)方向?yàn)樗缓痛艌?chǎng)方向有關(guān)。如果振動(dòng)方向?yàn)榈墓馔ㄟ^(guò)媒質(zhì)后的光通過(guò)媒質(zhì)后振動(dòng)方向?yàn)檎駝?dòng)方向?yàn)?，則振動(dòng)方向?yàn)?，則振動(dòng)方向?yàn)榈墓饽嫦蛲ㄟ^(guò)該媒質(zhì)后，振的光逆向通過(guò)該媒質(zhì)后，振動(dòng)方向?qū)⒗^續(xù)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度動(dòng)方向?qū)⒗^續(xù)旋轉(zhuǎn)一個(gè)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(shí)可以通過(guò)隔離器，但反向傳播當(dāng)光波沿某一方向傳播時(shí)可以通過(guò)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(chǎng)方向翻轉(zhuǎn)，即可改上的電壓極性，使磁場(chǎng)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(guò)隔離器，變通光的方向性，