晶體光學(xué)基礎(chǔ)

1、關(guān)于晶體光學(xué)基礎(chǔ)第一張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 5.1 自然光與偏振光 光是具有一定波長的電磁波；具有波動性和微粒性。 光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，證明了光是一物質(zhì)（即光是由具有極小能量的?！肮庾印苯M成的），而波動是質(zhì)的運(yùn)動形式。光的波動形式以正弦曲線運(yùn)動，其傳播方向與振動方向相互垂直。光在真空中速度是：第二張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 5.1 自然光與偏振光第三張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月自然光一切普通光源所發(fā)出的光。特點(diǎn)：在垂直于光波傳播方向的平面內(nèi)，各方向上都有等幅的光振動，其振動面是瞬息萬變的，有無數(shù)個。自然光等效為兩振幅相等、互相垂直的、無相位關(guān)系的線

2、偏振光 5.1 自然光與偏振光振 動 面AB A 自然光 B 偏光圖5-2 自然光與偏振光的振動特點(diǎn)第四張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月偏振光振動方向固定不變特點(diǎn)：在垂直于光波傳播方向的平面內(nèi)，只有一個固定方向上有等幅的光振動，振動面只有一個。又稱為平面偏光。 5.1 自然光與偏振光第五張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月nnCBA反射光線D折射光線5.2 光的折射與全反射1、光的折射（折射定律)入射線，折射線和折射面法線恒處于同一平面內(nèi)，且入射角的正弦與折射角的正弦之比等于光波在入射介質(zhì)與折射介質(zhì)中的波速之比。N2,1=vi/vr =sini/sinr N2,1折射介質(zhì)對入射

3、介質(zhì)的折射率。若入射介質(zhì)為真空，則N稱為折射介質(zhì)的絕對折射率，簡稱折射率。N = sini/sinr = V0/Vr 折射率值是宏觀地反映介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)的光學(xué)常數(shù)，是鑒定透明礦物的最可靠常數(shù)之一。第六張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月白光 介質(zhì)折射律不僅與介質(zhì)種類有關(guān)，而且與光的波長有關(guān)。光在折射時，不同波長的光將分散開來，這種現(xiàn)象叫作色散。5.2 光的折射與全反射第七張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)入射光由疏介質(zhì)射入密介質(zhì)時，ir，即折射線靠近法線；當(dāng)入射光由密介質(zhì)射入疏介質(zhì)時，ir，即折射線離開法線方向折射。增大入射角i，折射角r也隨之增大，當(dāng)r=90時，光線不再進(jìn)入折

4、射介質(zhì)中，此時的入射角稱為全反射角（或臨界角，用表示），當(dāng)入射角大于臨界角時，即產(chǎn)生全反射。2.光的全反射點(diǎn)光源.全內(nèi)反射5.2 光的折射與全反射第八張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)入射角大于等于 ic 時，全部光能量都反回原介質(zhì)這種反射叫作光的全反射,或叫作光的全內(nèi)反射.光進(jìn)入光學(xué)纖維后,多次在內(nèi)壁上發(fā)生全內(nèi)反射,光從纖維的一端傳向另一端.光學(xué)纖維:中央折射率大,表層折射率小的透明細(xì)玻璃絲.應(yīng)用5.2 光的折射與全反射第九張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月設(shè)：疏介質(zhì)折射率n； 密介質(zhì)折射率N；由折射定律： sin /sin 90=n/N n = Nsin當(dāng)N已知時，由全反

5、射原理可求出另一介質(zhì)的折射率n。阿貝折光儀應(yīng)用5.2 光的折射與全反射第十張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月rcr90i2112圖5-5 阿貝折射儀工作原理圖第十一張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月5.3 光的色散單色光：是只有一種頻率或波長的光。復(fù)色光：是包括多種頻率的光。光的色散：是復(fù)色光分解為單色光而形成光譜的 現(xiàn)象。760 630 600 570 500 450 430 400(nm) 紅 橙 黃 綠 青 藍(lán) 紫 第十二張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月5.4光在晶體中的傳播根據(jù)物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)，將透明固體物質(zhì)分為二類：均質(zhì)體與非均質(zhì)體。1、光在均質(zhì)體中的傳播 其

6、傳播速度不因光波振動方向的改變而發(fā)生變化。即光在均質(zhì)體中傳播時，只發(fā)生單折射，其折射率值只有一個，并且入射光波的振動特點(diǎn)和振動方向基本不改變。常見的均質(zhì)體有二類：非晶體（如玻璃、樹膠等）和等軸晶系的晶體（如螢石、方鎂石、石鹽等）。均空圖5-7 光波垂直均質(zhì)體薄片入射示意圖第十三張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2、光在非均質(zhì)體中的傳播 其傳播速度隨光波振動方向的改變而發(fā)生變化，因而折射率值也因振動方向的不同而變化，即非均質(zhì)體的折射率值不只一個。 光波射入非均質(zhì)體，除特殊方向外，都要分解成振動方向相互垂直且傳播速度不等的兩種偏光即發(fā)生雙折射現(xiàn)象（如圖）。兩條偏光的折射率值之差稱為雙折射率

7、。實(shí)驗(yàn)證明，光波射入非均質(zhì)體的特殊方向不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，該方向稱為光軸（OA表示）。根據(jù)這一性質(zhì)，可將非均質(zhì)體分為二類：一軸晶和二軸晶。5.4光在晶體中的傳播Ne/C軸No圖5-8 冰洲石的雙折射現(xiàn)象第十四張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月e光晶體的截面O光單色自然光7801020光軸5.4光在晶體中的傳播第十五張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月一軸晶晶體中只有一個方向不產(chǎn)生雙折射，即只有一根光軸（中級晶族晶體）。二軸晶晶體中有二個方向不產(chǎn)生雙折射，即有二根光軸（低級晶族晶體）。另一偏光振動方向平行于光軸和光波傳播方向構(gòu)成的平面非常光，以“e”表示；其折射率值隨光波振動方向不同

8、而變化，以“Ne”表示。對于一軸晶，除光軸方向外，入射光均有二個折射率，一偏光振動方向永遠(yuǎn)與光軸垂直常光，以“o”表示；其折射率值保持不變，以“No”表示。5.4光在晶體中的傳播Ne/C軸No圖5-8 冰洲石的雙折射現(xiàn)象第十六張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月5.5 光率體1、定義:表示光波在晶體中傳播時，其振動方向與相應(yīng)折射率之間關(guān)系的光性指示體（立體幾何圖形）。作圖方法簡介:P832 、光率體的分類根據(jù)晶體的對稱特征，分為三類：均質(zhì)體光率體、一軸晶光率體、二軸晶光率體。問題：如果一個晶體被分成多塊，其光率體有何變化？第十七張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月形態(tài)球體；對光性的

9、指示過光率體的中心垂直入射光作切面，在任何方向上得到的都是圓切面，圓切面的半徑代表其折射率值。均質(zhì)體的光率體是一個圓球體，可用球面方程表示：X2+Y2+Z2=N2，其中N為均質(zhì)體的折射率。 NNON5.5 光率體5.5.1 均質(zhì)體光率體第十八張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月(1)形態(tài)旋轉(zhuǎn)橢球體，旋轉(zhuǎn)軸為光軸（晶體的c軸），并且有正負(fù)之分。5.5 光率體5.5.2 一軸晶光率體特點(diǎn)：旋轉(zhuǎn)軸為長軸， NeNo，一軸晶正光性光率體，相應(yīng)礦物為一軸晶正光性礦物。NoNeONo第十九張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 （2）舉例： a、石英: 光沿c軸方向入射，不發(fā)生雙折射，c軸切片的

10、折射率：No= 1.544，為圓切面； 光波垂直c 軸入射，發(fā)生雙折射，產(chǎn)生二條振動方向相互垂直的偏光，c軸切片上，測得折射率No=1.544，Ne=1.553。為橢圓切面。 垂直c軸的入射光可有無數(shù)條，均可得到相同的橢圓切面，將它們聯(lián)系起來，可得到石英的光率體。quartzc-axis1.5441.553O5.5 光率體5.5.2 一軸晶光率體第二十張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 b、方解石 No=1.658， Ne=1.486calcitec-axisNoNeONo特點(diǎn)：旋轉(zhuǎn)軸為短軸， NeNo，一軸晶正光性光率體，相應(yīng)礦物為一軸晶負(fù)光性礦物。5.5 光率體5.5.2 一軸晶光

11、率體第二十一張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月(3) 光性指示過光率體中心垂直入射光作切面（OA除外），為一橢圓切面。橢圓的長短半徑方向?yàn)楣獠ㄕ駝臃较?；半徑的長度為相應(yīng)折射率的大??；二半徑之差為相應(yīng)雙折射率值。5.5 光率體5.5.2 一軸晶光率體第二十二張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月(4)一軸晶光率體的主要切面 1）垂直光軸的切面 以No為半徑的圓切面； 2）平行光軸的切面 以Ne、 No 或No、Ne為長短半徑的橢圓切面；NoNoNeNo5.5 光率體5.5.2 一軸晶光率體第二十三張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 3）斜交光軸的切面 以Ne、No（或No、N

12、e）為長短半徑的橢圓切面。也稱為任意切面。NeNo5.5 光率體5.5.2 一軸晶光率體第二十四張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月NpNgONm(1)形態(tài)三軸橢球體，有大、中、小三個主折射率，用Ng、Nm、Np表示。并且有正負(fù)之分。低級晶族的斜方、單斜和三斜晶系晶體都屬于二軸晶光性體。5.5 光率體5.5.3 二軸晶光率體第二十五張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月(2)舉例（鎂橄欖石）： 當(dāng)光波沿c軸方向入射，發(fā)生雙折射，產(chǎn)生二束偏光，其一振動方向平行a軸，折射率為 Ng=1.715，另一偏光振動方向平行b軸，折射率為Np=1.651,由此可得c軸的橢圓切面；5.5 光率體5.

13、5.3 二軸晶光率體abc 1.6511.715c第二十六張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 當(dāng)光波沿a軸方向入射，發(fā)生雙折射，其一偏光振動方向平行c軸，折射率為Nm=1.680，另一偏光振動方向平行b軸，折射率為Np=1.651,由此可得a軸的橢圓切面;5.5 光率體5.5.3 二軸晶光率體abc1.6511.680a第二十七張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 當(dāng)光波沿b軸方向入射，發(fā)生雙折射，其一偏光振動方向平行c軸，折射率為Nm=1.680，另一偏光振動方向平行a軸，折射率為Ng=1.715,由此可得b軸的橢圓切面.5.5 光率體5.5.3 二軸晶光率體abc1.6801

14、.715b第二十八張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 將三個橢圓切面按它們在空間的不同方位聯(lián)系起來，即得到鎂橄欖石的光率體三軸橢球體。5.5 光率體5.5.3 二軸晶光率體Ng(a)Np(b)Nm(c)第二十九張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月a.二根光軸的位置：在NgNp主軸面上,通過Nm在光率體的一側(cè)可作一系列橢圓切面,一半徑是Nm,另一半徑連續(xù)變化于Ng與Np之間,當(dāng)該半徑等于Nm時,即為一圓切面;同理,另一側(cè)也存在一個圓切面。圓切面的法線即為光軸方向。(3) 二軸晶光率體分析5.5 光率體5.5.3 二軸晶光率體NpNmNpNpNgNmNgOAA2vNmOANgOAB圖

15、5-14 二軸晶光率體的圓切面及光軸第三十張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月NpNgONm 二軸晶光率體光軸光軸2V圓切面圓切面第三十一張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月b.光軸面和光軸角光軸面包含二根光軸的平面（與NgNp主軸面一致，以AP 表示）。AP方向稱為光學(xué)法線（即Nm方向）。光軸角二根光軸之間的夾角（銳角以2V表示，鈍角以2E表示）。銳角的平分線稱為銳角等分線，以Bxa表示；鈍角的平分線稱為鈍角等分線，以Bxo表示。5.5 光率體5.5.3 二軸晶光率體第三十二張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月c.光性正負(fù)與光軸角計(jì)算光性正負(fù)確定：當(dāng)Ng-NmNm-Np ,

16、即Bxa=Ng，Bxo=Np,為正光性；當(dāng)Ng-NmNm-Np, 即Bxa=Np，Bxo=Ng,為負(fù)光性。5.5 光率體5.5.3 二軸晶光率體OA2vNp=BxaNmNgBOA2vNg=BxaOAOANmNpA圖5-15 二軸晶光率體（A正光性、B負(fù)光性）第三十三張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月d.光軸角計(jì)算： (+) tgV=(Nm-Np)/(Ng-Nm)1/2(-) tgV=(Ng-Nm)/(Nm-Np)1/2e.對光性指示：過光率體中心垂直入射光作切面，在得到的橢圓切面上，可反映出光波振動方向，折射率值和雙折射率值。5.5 光率體5.5.3 二軸晶光率體OA2vNp=BxaN

17、mNgBOA2vNg=BxaOAOANmNpA圖5-15 二軸晶光率體（A正光性、B負(fù)光性）第三十四張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月a.OA的切面：為一圓切面，無雙折射現(xiàn)象，只有一個折射率值，即Nm；b.AP的切面：為一橢圓切面，長短半徑分別為Ng和Np。有雙折射現(xiàn)象，折射率分別為Ng和Np ，雙折射率為Ng-Np，是二軸晶的最大雙折射率值 ；c.Bxa的切面：為一橢圓，有雙折射現(xiàn)象，折射率分別為Nm和Np (正光性），雙折射率為Nm-Np;(4)二軸晶光率體的主要切面5.5 光率體5.5.3 二軸晶光率體第三十五張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十六張，PPT共四十四頁

18、，創(chuàng)作于2022年6月d.Bxo的切面：為一橢圓，有雙折射現(xiàn)象，折射率分別為Ng和Nm (正光性），雙折射率為Ng-Nm;e.斜交切面：（既不垂直主軸。也不垂直光軸的切面）半任意切面：（垂直主軸面NgNp、NmNp、NgNm的切面）：這類切面的橢圓半徑中有一個為主軸Nm、Ng或Np，另一半徑為Ng或Np。任意斜交切面：其橢圓長短半徑分別為Ng和Np。5.5 光率體5.5.3 二軸晶光率體第三十七張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十八張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月5.6 光性方位光性方位光率體的主軸與晶體結(jié)晶軸之間的關(guān)系稱為。1 、一軸晶光率體的光性方位一軸晶（三方、四方、六方）光率體為旋轉(zhuǎn)橢球體，其旋轉(zhuǎn)軸（光軸）與晶體的 c軸（高次對稱軸）一致，光率體中心與晶體中心重合。NoNoNeNeNoNo光軸c軸光軸c軸AB圖5-17 中級晶族晶體的光性方位第三十九張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 二軸晶光率體的光性方位(1)斜方晶系晶體的光性方位光率體的三個主軸與晶體的三個結(jié)晶軸重合，三個主軸面與晶體的三個對稱面重合（如黃玉和堇青石的光性方位）。具體位置關(guān)系依實(shí)際晶體而確定，共有六種情況。堇青石的光性方位5.6 光性方位黃玉的光性方位第四十張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月(2)單斜晶系晶體的光性方位光率體的一