光在各向異性介質(zhì)中的傳播

光在各向異性介質(zhì)中的傳播第一頁，共五十四頁，2022年，8月28日1.應力（機械）雙折射效應（光彈性效應）應力：在固體形變時，作用在固體中單位面積上的力稱為應力。例如：張力、壓力、切變力…熔融玻璃或塑料冷卻時不均勻，就會出現(xiàn)內(nèi)應力，造成材料各向項異性，出現(xiàn)雙折射。第二頁，共五十四頁，2022年，8月28日壓縮時：表現(xiàn)為負單軸晶體拉伸時：表現(xiàn)為正單軸晶體等效光軸：在應力的方向透明的各向同性介質(zhì)，在外界機械應力作用下，表現(xiàn)出光學各向異性性質(zhì)，稱為應力雙折射效應（1）應力雙折射效應L

ΣFF第三頁，共五十四頁，2022年，8月28日復色平行光偏振片P1P2⊥P1L

ΣFF（2）實驗規(guī)律——感生雙折射的大小正比于應力大小應力越集中的地方，各向異性越強，干涉條紋越細密。第四頁，共五十四頁，2022年，8月28日利用偏振光的干涉花樣來測量應力分布的方法稱為光測彈性方法。應用：檢測光學玻璃、光學元件的質(zhì)量、橋梁、水壩的模擬設(shè)計、地震預測等模擬透明機械：用透明材料模擬不透明機械：在其上涂上光彈性材料應力敏材料：環(huán)氧樹脂、變性聚酯樹脂等第五頁，共五十四頁，2022年，8月28日6．2電光效應強電場作用下各向同性介質(zhì)→雙折射→克爾效應。單軸晶體→雙軸晶體→泡克耳斯效應。第六頁，共五十四頁，2022年，8月28日1.泡克耳斯效應（1）裝置和現(xiàn)象現(xiàn)象：不加電場，線偏振光沿光軸方向傳播P2后無光。加電場，單軸晶體轉(zhuǎn)化為雙軸晶體，生成兩束光矢相互垂直且與傳播方向垂直的光。(1893法國物理學家)縱向光電效應裝置P2P1KDPxyX、y為主振動方向V兩端透明加電極P1⊥P2第七頁，共五十四頁，2022年，8月28日（2）實驗規(guī)律感生折射率差可見Δn與Ｅ成正比，故稱為一次電光效應。從晶體出射兩光的位相差從檢偏器后出射的光強（P1⊥P2，θ=45°）第八頁，共五十四頁，2022年，8月28日透過率曲線δVπVλ/2π/2Vλ/400I/I0第九頁，共五十四頁，2022年，8月28日(3)應用電光調(diào)制凡使光波的振幅、頻率、位相、偏振態(tài)、傳播方向…隨外加訊號變化的均稱為光調(diào)制。調(diào)制器是激光通訊、激光電視中重要的裝置例：在激光通訊里，以要傳遞的電訊號控制電光晶體，改變光的偏振態(tài)，利用偏振片把偏振調(diào)制變?yōu)楣鈴娬{(diào)制，控制激光光源的發(fā)光。優(yōu)點：無毒、電壓低僅為克爾盒的1/5~1/10第十頁，共五十四頁，2022年，8月28日2.克爾效應（1）實驗裝置與現(xiàn)象現(xiàn)象：不加電壓克爾盒內(nèi)液體呈各向同性P2后無光加高電壓克爾盒內(nèi)液體呈各向異性P2后有光似單軸晶體。（1875蘇格蘭科學家克爾發(fā)現(xiàn)）光軸方向與電場方向一致電介質(zhì)為液體P2P1P1⊥P2電極、外加電壓dl硝基苯光軸方向第十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日（2）實驗規(guī)律感生折射率差可見Δn與Ｅ2成正比，故稱為二次電光效應。第十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日P2后有最大光強通過當外加電壓為零時無光通過P2使δ=π的電壓，稱為半波電壓V

λ/2，其值越小越好第十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日（3）應用可作為高速開關(guān)、光調(diào)制器優(yōu)點：無時間延遲，相應快（10-10s）第十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日§7旋光現(xiàn)象及其應用7．1旋光現(xiàn)象及實驗規(guī)律1．現(xiàn)象p2⊥p1時，p2后有光通過。P2轉(zhuǎn)動一個角度后可以消光。偏振片p2⊥p1石英晶體偏振片p1單色平行光線偏消光有光出射第十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日實驗發(fā)現(xiàn)：迎著光線看有的石英使入射光振動面右旋，有的石英使入射光振動面左旋。實驗表明：石英晶體使入射光的振動面旋轉(zhuǎn)了一個角度。第十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日旋光現(xiàn)象：能使線偏振光振動面連續(xù)旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。旋光物質(zhì)：具有旋光性的物質(zhì)（左、右旋）

旋光現(xiàn)象是不同于晶體雙折射的另一種光學現(xiàn)象。2．實驗規(guī)律1）單色光入射，振動面旋轉(zhuǎn)的角度Ψ與旋光物質(zhì)的厚度d成正比。第十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日對旋光晶體：振動面旋轉(zhuǎn)的角度：

α—旋光率，與物質(zhì)的性質(zhì)、溫度、入射波長有關(guān)。單位：[度/毫米]Ψ=αd對旋光溶液：Ψ=[α]cdc—溶液濃度。[α]—比旋光率，[度/分米(克/厘米3)]*液體旋光本領(lǐng)比晶體小得多。第十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日對各向異性晶體，旋光率α是光傳播方向與晶體光軸夾角的函數(shù)。2）同一旋光物質(zhì)，對不同波長，光振動面旋轉(zhuǎn)的角度不同—旋光色散。對晶體一般指光沿光軸方向的旋光率偏振片p2石英晶體偏振片p1白光入射出射光λ↑→α↓→ψ↓。第十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日3）振動面的旋轉(zhuǎn)具有方向性迎著光線看順時針旋轉(zhuǎn)的為右旋，如葡萄糖、石英.逆時針旋轉(zhuǎn)的為左旋，如果糖、石英。當光傳播方向改變時，物質(zhì)的左(右)旋性質(zhì)不變第二十頁，共五十四頁，2022年，8月28日7．2菲涅耳對旋光現(xiàn)象的解釋根據(jù)運動學中的一個原理——任何一個直線簡諧運動都可以分解為兩個頻率相同，初位相相同，而反向旋轉(zhuǎn)的勻速圓周運動。菲涅耳的唯象解釋：ωω

EDEELνD=νL

δoD=δoL

VD=VLEDO第二十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日1．菲涅耳假設(shè)入射線偏振光右旋圓偏振光（速度VD）左旋圓偏振光（速度VL）ωωEDO

EDEELν

D=ν

L

δoD=δoLVD≠VL對右旋物質(zhì)（D）VD>VL,

(nD<nL)對左旋物質(zhì)（L）VL>VD,(nL<nD)第二十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日2．解釋旋光現(xiàn)象ωω經(jīng)過厚度為l的旋光物質(zhì)，兩光所需時間ERO設(shè)：在入射面上，線偏振光E

E=EL+ED，δLD=0EL=E/2，ED=E/2，在旋光物質(zhì)內(nèi)，VD≠VL第二十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日若：VD>VL，(nD<nL)則：φL=2π/λnLdφR=2π/λnRdEDO左旋光到達出射面時，右旋光已多轉(zhuǎn)了一個角度Δφ

第二十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日過旋光物質(zhì)后VD=VL，合成矢量E’線偏振光振動面旋轉(zhuǎn)的角度ψOα—旋光率與波長λ、物質(zhì)性質(zhì)、溫度（n~T）有關(guān)第二十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日對右旋物質(zhì)：VD>VL,

(nD<nL),ψ>0對左旋物質(zhì)：VD<VL,

(nD<nL),ψ<0角度ψ的符號規(guī)定：偏振面順時針旋轉(zhuǎn)：以O(shè)E為參考線偏振面逆時針旋轉(zhuǎn)：O第二十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日3．菲涅耳的實驗驗證右旋石英nD=左旋石英nL’右旋石英nL=左旋石英nD’DD第二十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日vL小,nL大→vL’大,nL小’→vL小,nL大

vD大,nD小→vD’小,nD’大→vD大,nD小

棱鏡I(右)→棱鏡Ⅱ(左)→棱鏡Ⅲ(右)

光疏介質(zhì)→光密(靠近法線)→光疏(向上)光密介質(zhì)→光疏(遠離法線)→光密(向下)左旋圓右旋圓第二十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日7．3圓二色性圓二色性：旋光物質(zhì)對左旋、右旋圓偏振光有不同的吸收系數(shù)。對不同的波長，旋光物質(zhì)有不同的圓二色性旋光性的應用：旋光片，加工和使用都方便。第二十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日如果分解成的兩個圓偏振光傳播速度不同，出射光的振動面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)?？傊寒斁€偏振光通過旋光物質(zhì)時，如果，對兩個圓偏振光的吸收率也不同，出射光一般為橢圓偏振光。第三十頁，共五十四頁，2022年，8月28日7.4法拉第磁致旋轉(zhuǎn)效應磁致旋光效應1．實驗裝置與現(xiàn)象輕火石玻璃偏振片p2⊥p1偏振片p1單色平行光線偏消光有光出射磁場①不加磁場，P后消光②加磁場,P2后有光出射,P2轉(zhuǎn)Ψ角后可消光第三十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日2．應用偏振片p2與p1成450偏振片p1單色平行光線偏法拉第盒磁場雜散光調(diào)整B，使從法拉第盒出射的光相對于P1右旋450，光矢平行P2，從P2射出。而從P2入射的光，經(jīng)法拉第盒后仍按原方向旋轉(zhuǎn)450，使光矢方向與P1方向垂直。光隔離器第三十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日7.5液晶的旋光顯示第八章光在各向異性介質(zhì)中的傳播§7旋光現(xiàn)象及其應用第三十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日一、液晶簡介1888年奧地利的植物學家F·Reinitzer發(fā)現(xiàn)：這種混濁態(tài)粘稠的液體是什么呢？膽甾醇的苯甲酸脂加熱到一定溫度開始溶解溶化后不是透明液體呈混濁態(tài)的粘稠液體發(fā)出多彩而美麗的珍珠光澤再進一步升溫后變成透明液體結(jié)晶的固體145℃175℃

第三十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日粘稠而混濁的液體在偏光顯微鏡下觀察，具有雙折射性。德國物理學家D·Leimann將其命名為“液晶”，簡稱為“LC”第三十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日

液晶材料主要是脂肪族、芳香族、硬脂酸等有機物。液晶大量存在于生物結(jié)構(gòu)中。日常生活中，適當濃度的肥皂水溶液就是一種液晶。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)或人工合成的液晶材料已達一萬多種，常用的上千種。

液晶（LiquidCrystal）是“液態(tài)晶體”之意。有人稱它為固液氣三態(tài)之外物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)，介于固態(tài)和液態(tài)之間。液晶奇異的特性，使它在本世紀得到了迅猛發(fā)展，成為當今研究的熱點問題之一。第三十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日

液晶的基本特性液晶實際上是物質(zhì)的一種形態(tài)，它是一種處于“完全有序的周期性結(jié)構(gòu)”和“完全無規(guī)則結(jié)構(gòu)”之間的介晶態(tài)。流動性、不能承受切變力、可形成液滴等。具有長程有序和各向異性的特征液晶具有液體的一些特征液晶又具有晶體的某些特征分子的取向有序性；光折射率、介電常數(shù)、電阻率、磁化率、粘滯系數(shù)、彈性系數(shù)均為各向異性。第三十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日液晶按形成條件不同分為兩大類溶致液晶：溶解在水或有機溶劑中才顯示出液晶態(tài)。

熱致液晶：在一定的溫度范圍內(nèi)才呈現(xiàn)出液晶狀態(tài)。本實驗采用的是熱致液晶。溶致液晶大量存在于生物體內(nèi)，在生命活動中起著重要的作用。研究液晶和活細胞的關(guān)系，是當今生物物理研究的內(nèi)容之一。在研究應用領(lǐng)域，人們更加關(guān)心的是熱致液晶。第三十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日熱致液晶按分子排列狀態(tài)分二、熱致液晶的結(jié)構(gòu)和分類近晶相向列相膽甾相第三十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日向列相液晶（Nematic）又稱絲狀液晶

向列型液晶由長徑比很大的棒狀分子組成，保持與軸向平行的排列狀態(tài)。因為分子的重心雜亂無序，并容易順著長軸方向自由移動，所以像液體一樣富于流動性。第四十頁，共五十四頁，2022年，8月28日

正由于向列型液晶分子的這種一致排列，使得它的光學特性很像單軸晶體，呈正的雙折射性。對外界的電、磁、溫度、應力都比較敏感，是顯示器件上廣泛使用的材料。向列液晶在偏光顯微鏡下的圖象第四十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日近晶相液晶按層狀排列，由棒狀或條狀分子呈二維有序排列組成。層內(nèi)分子長軸相互平行，其方向可以垂直于層面或與層面成傾斜排列。近晶相液晶（Smectic）又稱層狀液晶

第四十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日層與層之間的作用較弱，容易滑動，因此具有二維的流動特性。近晶相液晶的粘度與表面張力都較大，用手摸有似肥皂的滑澀感，對外界的電、磁、溫度變化都不敏感。這種液晶光學上顯示正的雙折射性。隧道顯微鏡下的近晶相層狀液晶第四十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日膽甾相液晶（Cholestevic）也稱螺旋狀液晶

膽甾型液晶和近晶型一樣具有層狀結(jié)構(gòu)，但層內(nèi)分子排列則與向列型液晶類似，分子長軸在層內(nèi)是相互平行的，而在垂直這個平面上，每層分子都會旋轉(zhuǎn)一個角度。液晶整體呈螺旋結(jié)構(gòu)。螺距的長度是可見光波長的數(shù)量級第四十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日由于膽甾型液晶的分子排列旋轉(zhuǎn)方向可以是左旋，也可以是右旋，當螺距與某一波長接近時，會引起這個波長光的布拉格散射，呈某一種色彩。膽甾型液晶具有負的雙折射性質(zhì)。一定強度的電場、磁場也可使膽甾相液晶轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛄邢嘁壕?。膽甾相液晶易受外力的影響，特別對溫度敏感，由于溫度主要引起螺距的改變，因此膽甾相液晶隨溫度改變顏色。第四十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日三、熱致液晶相變1.互變相變（可逆相變）2.單變相變液晶各向同性液體晶體T1T2T1T2晶體液晶各向同性液體第四十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日T1T2晶體液晶各向同性液體第四十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日