偏振晶體中的光傳播

偏振晶體中的光傳播第一頁，共六十頁，2022年，8月28日第二頁，共六十頁，2022年，8月28日§1雙折射一.

雙折射現(xiàn)象和基本規(guī)律re自然光iron1(各向異性媒質(zhì))o光e光1.尋常光和非尋常光o光:遵從折射定律e光:不遵從折射定律eo···e

方解石o···e光折射線甚至可以不在入射面內(nèi)。1第三頁，共六十頁，2022年，8月28日2.晶體的光軸當(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)AB光軸102°光軸是一特殊方向（凡平行于此方向的直線均為光軸）。單軸晶體：只有一個(gè)光軸的晶體雙軸晶體：有兩個(gè)光軸的晶體解理面。鈍隅。若切去，磨出垂直于光軸的平表面，正入射時(shí)就無雙折射。各種晶體分屬七個(gè)晶系：立方晶系（例如NaCl晶體）-------光學(xué)各向同性！三角晶系、四方晶系、六角晶系------單軸晶體正交晶系、單斜晶系、三斜晶系------雙軸晶體（為什么沒有“三軸晶體”？）2第四頁，共六十頁，2022年，8月28日3.主平面和主截面主平面：晶體中光的傳播方向（光線）與晶體光軸構(gòu)成的平面。e光光軸e光的主平面o光光軸o光的主平面····主截面：晶體表面的法線與晶體光軸構(gòu)成的平面。（表面不一定是解理面）二.單軸晶體中的波面光矢量振動(dòng)方向與晶體光軸的夾角不同的光，傳播速度也不同。若入射光線在主截面內(nèi)，即入射面與主截面重合，則進(jìn)入晶體后o、e光線都在此主截面內(nèi)，主平面就與主截面重合。3第五頁，共六十頁，2022年，8月28日························vot光軸光軸vetvoto光

:e光

:

no

，ne

稱為晶體的主折射率

正晶體:

ne>no負(fù)晶體:

ne<no子波源votvet光軸votvet光軸

正晶體

(vo>ve)

負(fù)晶體(vo<ve)子波源(e<o)(e>o)4o與方向無關(guān)，是常數(shù)沿垂直于光軸的方向傳播時(shí)，有最大(或最小)的速度，將它記為(圖夸大了ne和no的差別)(如方解石)第六頁，共六十頁，2022年，8月28日三.單軸晶體中光傳播的惠更斯作圖法1.光軸平行于晶體表面，自然光垂直入射····

eoeo光軸晶體····(o,e光在方向上雖沒分開，但速度不同。)2.光軸平行于晶體表面，且垂直于入射面，自然光斜入射····晶體光軸ir0reo

········oΔteΔteo

ecΔt以下設(shè)為負(fù)晶體(e>o)5第七頁，共六十頁，2022年，8月28日3.光軸與晶體表面斜交，自然光垂直入射······o

e晶體光軸····

e方解石光軸······o

eo(此時(shí)e光的波面不再與其波射線垂直了)4.一般的斜入射，但入射線在主截面內(nèi)

(怎么作圖？)6§2晶體光學(xué)器件(前已討論過，二向色性晶體可用來產(chǎn)生線偏振光，但性能不好，還不如人造偏振片，實(shí)際上不用。)第八頁，共六十頁，2022年，8月28日1.一種偏振棱鏡：格蘭棱鏡7一.晶體偏振器方解石，磨制，兩塊，合起來，如圖。這樣安排光軸的取向使e光對應(yīng)的恰好是

ne

。no(1.6584)＞n(1.55)＞

ne(1.4864)o光在粘合處發(fā)生全反射，透射的是極純的線偏振光。格蘭-傅科(Glan-Foucault)棱鏡:空氣間隔，較短。(Glan-air)Glan-Thompson

:············光軸光軸方解石方解石加拿大樹膠

(n=1.55)oei吸收涂層(76°(39°)(優(yōu)、缺點(diǎn)，…)(鈉黃光)第九頁，共六十頁，2022年，8月28日3.偏振分束鏡:·12方解石方解石·······oe光軸光軸·方解石ne<no2.尼科耳棱鏡

(Nicol

)，

p.183，圖2-3，歷史意義。洛匈(Rochon)棱鏡塞那蒙(Senarmont)棱鏡8(有時(shí)，一些考試題目中還用Nicol代表線偏振器。)沃拉斯頓(Wollaston)棱鏡(p.183，圖2-2)(p.182，圖2-1)第十頁，共六十頁，2022年，8月28日二.晶體相移器件1.波晶片─相位延遲片波晶片是光軸平行于表面的晶體薄片。ydxAAoAe線偏振光光軸λ

通過厚為d的晶片，o、e光產(chǎn)生相位差：AAoAe光軸P

振幅關(guān)系：9[p.185，(2.1)改]設(shè)線偏振光入射，第十一頁，共六十頁，2022年，8月28日從晶片出射的是兩束傳播方相同、振動(dòng)方向相互垂直、頻率相等、相位差的線偏振光，它們合成為一束橢圓偏振光。

四分之一波片，線偏振光→圓偏振光，線偏振光→線偏振光從線偏振光獲得橢圓或圓偏振光（或相反）(4片)，線偏振光→橢圓偏振光10時(shí)為圓偏振光。且通過4片：第十二頁，共六十頁，2022年，8月28日

二分之一波片使線偏振光振動(dòng)面轉(zhuǎn)過2角度A0入A0出A入A出Ae入=Ae出入光軸

全波片三.橢圓偏振光和圓偏振光的檢偏用

4片和偏振片P配合，可以區(qū)分自然光和圓偏振光，也可區(qū)分部分偏振光和橢圓偏振光。2.通過波晶片后光束偏振態(tài)的變化（p.197，表Ⅶ-2）

偏振片和4片按45方式貼合成為一個(gè)整體，構(gòu)成圓偏振鏡（有正反面之分，有左右旋之分）。11

左旋圓偏振光不能反向通過右旋圓偏振鏡。(光隔離器)第十三頁，共六十頁，2022年，8月28日四分之一波片圓偏振光自然光自然光線偏振光偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）線偏振光

I不變線偏振光I變,有消光以入射光方向?yàn)檩S四分之一波片橢圓偏振光部分偏振光線偏振光偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）線偏振光I變,有消光部分偏振光光軸平行于最大光強(qiáng)或最小光強(qiáng)方向放置，或光軸平行于橢圓偏振光的長軸或短軸放置線偏振光I變,無消光12第十四頁，共六十頁，2022年，8月28日§3偏振光的干涉人為雙折射一.偏振光干涉裝置：兩偏振器之間放波晶片晶片C光軸單色自然光偏振片P1偏振化方向偏振片P2偏振化方向二.偏振光干涉的分析1.振幅關(guān)系P2P1CA1AeAoA2oA2e(兩偏振器正交，即通振方向互相垂直，是典型的最常見的安排。)

關(guān)于偏振度P：式中應(yīng)理解為用4

片和線檢偏器配合所能得到的最大、最小光強(qiáng)。13第十五頁，共六十頁，2022年，8月28日

通過晶片C后(此兩束光合成為一束橢圓偏振光，但可以不討論它，而繼續(xù)往下看，…)再通過P2

后(若P1、P2夾角小于，則無附加相差

)2.相位關(guān)系14經(jīng)P2

后，兩束光振動(dòng)方向平行，振幅為：第十六頁，共六十頁，2022年，8月28日干涉相消若單色光入射，且d不均勻，則屏上出現(xiàn)等厚干涉條紋。(p.206，楔形晶片的等厚條紋)三.色偏振設(shè)晶片厚度d均勻。若某種顏色干涉相消，則屏上將(大體上)呈現(xiàn)它的互補(bǔ)色，這叫(顯)色偏振。若d不均勻，則屏上出現(xiàn)彩色圖樣。例如紅色相消→呈綠色；藍(lán)色相消→呈黃色，與波長有關(guān)，用白光入射時(shí)，…15干涉相長第十七頁，共六十頁，2022年，8月28日可以人為地造成材料各向異性，而產(chǎn)生雙折射。這稱為人為雙折射，如下的…四.光彈性效應(yīng)(應(yīng)力雙折射效應(yīng))P1P2··dFSF干涉有機(jī)玻璃C應(yīng)力→各向異性→各向不同→→相當(dāng)于n各向不同。在一定應(yīng)力范圍內(nèi)：16第十八頁，共六十頁，2022年，8月28日各處

不同→各處不同→出現(xiàn)干涉條紋。

變→變→干涉情況變。五.電光效應(yīng)

(電致雙折射效應(yīng))1.克爾(Kerr)效應(yīng)(1875)l+-4545P1P2克爾盒d（“光測彈性”學(xué)）17第十九頁，共六十頁，2022年，8月28日

不加電場液體各向同性

P2后無光

加電場液體呈單軸晶體性質(zhì)，——二次電光效應(yīng)

E—電場強(qiáng)度，B—克爾常數(shù)克爾效應(yīng)引起的相位差為：克爾盒相當(dāng)于半波片，P2透光最強(qiáng)。時(shí)，光軸平行于P2透光18(d是兩極板間距，V是電壓)第二十頁，共六十頁，2022年，8月28日2.泡克爾斯(Pockels)效應(yīng)(1893)電光晶體+。。-P1P2KK泡克爾斯盒··例如，硝基苯

m2/V2，若l=3cm，d=0.8cm,λ=600nm的黃光，則產(chǎn)生k=的電壓

V

。克爾盒的應(yīng)用:

高速光開關(guān)，電光調(diào)制器，…克爾盒的缺點(diǎn):…無對稱中心的晶體，20個(gè)晶類（都是壓電晶體）（縱向的，橫向的）19第二十一頁，共六十頁，2022年，8月28日

不加電場→P2

不透光。

加電場→晶體變雙軸晶體→原光軸方向附加了泡克爾斯效應(yīng)引起的相位差——線性電光效應(yīng)no—o光在晶體中的折射率；V

—電壓；r

—電光常數(shù)。應(yīng)用:…

六.磁致雙折射科頓—穆頓(Cotton-Mouton)效應(yīng)，是平方磁光效應(yīng)。Kerr效應(yīng)的磁學(xué)類比。雙折射效應(yīng)→P2

透光。20第二十二頁，共六十頁，2022年，8月28日§4旋光一.一些物質(zhì)的旋光現(xiàn)象使線偏振光的振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)(左旋，右旋)

—旋光率二.菲涅耳的解釋(圓雙折射)線偏振光可分解為：同頻率、等振幅、有確定相位差的一左(L

)旋、一右(R)旋的兩個(gè)圓偏振光。旋轉(zhuǎn)的角度：

＝d

旋光物質(zhì)

d例如：石英，對鈉光，＝21.7o/mm松節(jié)油，－3.7/cm膽zan相液晶，很大的旋光率，~/mm

LousPasteur的發(fā)現(xiàn)：消旋酸，左右旋各一半。地球上的DNA都是右旋的。（？）21第二十三頁，共六十頁，2022年，8月28日EELER·o光通過旋光物質(zhì)后，R圓光和L圓光的相位滯后不同。ELERE(a)(b)ELERERL同一時(shí)刻(a)(b)

d設(shè)入射時(shí)L、R初相為0，旋光物質(zhì)長d22第二十四頁，共六十頁，2022年，8月28日在出射面上:由圖示，有：令

——旋光率則

＝d23第二十五頁，共六十頁，2022年，8月28日三.量糖術(shù)對溶液有──溶液的旋光率c──溶液的濃度──溶液的比旋光率“量糖計(jì)”四.磁致旋光

l磁致旋光物質(zhì)B旋轉(zhuǎn)的角度

V─費(fèi)德爾常量，24(法拉第效應(yīng))(V>0的，順B傳時(shí)左旋)第二十六頁，共六十頁，2022年，8月28日對天然旋光物質(zhì)，振動(dòng)面的左旋或右旋是由旋光物質(zhì)本身決定的，與光的傳播方向無關(guān)。反射鏡入射光左旋反射鏡反射光左旋25第二十七頁，共六十頁，2022年，8月28日

對磁致旋光物質(zhì)，光沿與逆方向傳播，振動(dòng)面旋向相反。反射鏡反射光右旋B反射鏡入射光左旋B26第二十八頁，共六十頁，2022年，8月28日一種光隔離器····BPM磁致旋光物質(zhì)27使得＝45°，則2＝90°，可消除反射光的干擾。第二十九頁，共六十頁，2022年，8月28日§3偏振光的干涉一.偏振光干涉裝置偏振化方向偏振片P2單色自然光偏振片P1偏振化方向d晶片C光軸方向二.偏振光干涉的分析1.振幅關(guān)系A(chǔ)oA2oP2P1CA1AeA2e在P2

后：相干在P1

后：屏第三十頁，共六十頁，2022年，8月28日通過晶體C后：此兩束光合成為一束橢圓偏振光。再通過P2

后：2.相位關(guān)系—相長干涉—相消干涉若單色光入射，則屏上為等厚條紋。且d不均勻，（若P1、P2夾角小于，則無附加相位差）第三十一頁，共六十頁，2022年，8月28日石英劈尖的偏振光干涉（等厚條紋）第三十二頁，共六十頁，2022年，8月28日于某種顏色干涉相消，而呈現(xiàn)它的互補(bǔ)色，三.色偏振（chromaticpolarization）若白光入射，且晶片d均勻，若d不均勻，則屏上出現(xiàn)彩色條紋。紅色（656.2nm）相消如：藍(lán)色（485.4nm）相消色偏振是檢驗(yàn)材料有無雙折射效應(yīng)的靈敏方用顯微鏡觀察各種材料在白光下的色偏振，法，可以分析物質(zhì)內(nèi)部的某些結(jié)構(gòu)—偏光顯微術(shù)。則：屏上由這叫（顯）色偏振?！G色（492.1nm）；→黃色（585.3nm）。第三十三頁，共六十頁，2022年，8月28日硫代硫酸鈉晶片的色偏振圖片第三十四頁，共六十頁，2022年，8月28日★色偏振圖片第三十五頁，共六十頁，2022年，8月28日第三十六頁，共六十頁，2022年，8月28日§4人工雙折射人為地造成各向異性，而產(chǎn)生雙折射。一.光彈效應(yīng)（photoelasticeffect）應(yīng)力→各向異性在一定應(yīng)力范圍內(nèi)：光彈效應(yīng)也叫應(yīng)力雙折射效應(yīng)?！鷙各向不同→n各向不同P1P2··dFSF干涉有機(jī)玻璃C第三十七頁，共六十頁，2022年，8月28日各處不同→各處不同→出現(xiàn)干涉條紋，變→變→干涉情況變。模型的光彈圖象釣鉤的光彈圖象第三十八頁，共六十頁，2022年，8月28日★應(yīng)力雙折射圖片第三十九頁，共六十頁，2022年，8月28日第四十頁，共六十頁，2022年，8月28日第四十一頁，共六十頁，2022年，8月28日第四十二頁，共六十頁，2022年，8月28日二.電光效應(yīng)（photoelasticeffect）電光效應(yīng)也叫電致雙折射效應(yīng)。1.克爾效應(yīng)（kerreffect）

（1875年）45P2盒內(nèi)充某種液體，如硝基苯（C6H5NO2）l+-克爾盒dP145

▲不加電場→液體各向同性→P2不透光；

▲加電場→液體呈單軸晶體性質(zhì)，光軸平行電場強(qiáng)度P2透光。第四十三頁，共六十頁，2022年，8月28日

——二次電光效應(yīng)k

—克爾常數(shù)，U—電壓克爾效應(yīng)引起的相位差為：克爾盒相當(dāng)于半波片，P2透光最強(qiáng)。時(shí)，則產(chǎn)生k=硝基苯，若l

=

3cm，d=0.8cm，對=600nm的黃光，。時(shí)的電壓第四十四頁，共六十頁，2022年，8月28日可作為光開關(guān)（響應(yīng)時(shí)間10-9s），克爾盒的應(yīng)用：克爾盒的缺點(diǎn)：和加數(shù)萬伏的高電壓，用于高速攝影、激光通訊、光速測距、脈沖激光系統(tǒng)（作為Q開關(guān)）硝基苯有毒，需要極高的純度故現(xiàn)在很少用。易爆炸，第四十五頁，共六十頁，2022年，8月28日2.泡克爾斯效應(yīng)（pockelseffect）

（1893年）。電光晶體+。-P1P2KK泡克爾斯盒··光傳播方向與電場平行，電極K和K′透明，晶體是單軸晶體，

▲不加電場→P2

不透光。

▲加電場→晶體變雙軸晶體了雙折射效應(yīng)→原光軸方向附加→

P2

透光。光軸沿光傳播方向。第四十六頁，共六十頁，2022年，8月28日no—o光在晶體中的折射率；泡克爾斯效應(yīng)引起的相位差：

——線性電光效應(yīng)r

—電光常數(shù)；時(shí)，P2

透光最強(qiáng)。

KH2PO4（KDP）、NH4H2PO4（ADP）等單晶都具有線性電光效應(yīng)。對=546nm的綠光，如KDP

no=1.51，U

—電壓。激光調(diào)Q，超高速開關(guān)（響應(yīng)時(shí)間小于10-9s），數(shù)據(jù)處理…顯示技術(shù)，應(yīng)用：第四十七頁，共六十頁，2022年，8月28日三.磁致雙折射科頓—穆頓（Cotton-Mouton）效應(yīng)：某些透明液體在磁場H作用下變?yōu)楦飨虍愋裕琀C——

二次效應(yīng)需要很強(qiáng)的磁場才能觀察到。性質(zhì)類似于單軸晶體，光軸平行磁場。第四十八頁，共六十頁，2022年，8月28日§5旋光現(xiàn)象一.物質(zhì)的旋光性（opticalactivity）除石英外，氯酸鈉、乳酸、松節(jié)油、糖的水溶液等也都具有旋光性。

旋光物質(zhì)

a—旋光率旋轉(zhuǎn)的角度：

l1811年，法國物理學(xué)家阿喇果（Arago）其振動(dòng)面能發(fā)生旋轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)，線偏振光沿光軸方向通過石英晶體時(shí)，這稱為旋光現(xiàn)象。光軸第四十九頁，共六十頁，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)表明，旋光率a與旋光物質(zhì)和入射波長有關(guān)，對于溶液，還和旋光物質(zhì)的濃度有關(guān)。石英對=589nm的黃光，a=21.75/mm；而對=408nm的紫光，a=48.9/mm。物質(zhì)的旋光性是和物質(zhì)原子排列結(jié)構(gòu)有關(guān)的。

分子式相同的旋光材料因有不同的結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)不同的旋光性，稱為同分異構(gòu)體。面對光的傳播方向觀察，能使振動(dòng)面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的稱為右旋物質(zhì)，反之是左旋物質(zhì)。液體或溶液中分子不是規(guī)則排列的，旋光性不再像石英晶體那樣與分子的空間排列有關(guān)，而是由一個(gè)個(gè)分子本身具有類似螺旋狀結(jié)構(gòu)引起的。第五十頁，共六十頁，2022年，8月28日

人工合成的有機(jī)物總是有數(shù)目相等的左旋和右旋的同分異構(gòu)體，這樣的混合物無旋光性。但是，天然的有機(jī)化合物卻不是這樣。例如天然的蔗糖，不論是從甘蔗還是從甜菜榨出來的，統(tǒng)統(tǒng)是右旋的。生物對左、右旋的兩種旋光異構(gòu)體能夠識(shí)別并作出選擇。某些抗菌素，從培養(yǎng)液中提取的天然品是左旋的，而制藥工業(yè)所生產(chǎn)的人工合成品是左右旋各半，其中左旋的一半才有療效。第五十一頁，共六十頁，2022年，8月28日二.菲涅耳對旋光性的解釋線偏振光可看作是同頻率、等振幅、有確定相位差的左(L)、右(R)旋圓偏振光的合成。CCOOHCH3HOH

CCOOHCH3HOH

左旋乳酸右旋乳酸第五十二頁，共六十頁，2022年，8月28日光通過旋光物質(zhì)后，初相位要滯后。EELER·O在出射面上：設(shè)入射時(shí)L、R初相為0，ELERE入射面(a)旋光物質(zhì)長為l，出射面(b)ELERERL同一時(shí)刻光通過左旋物質(zhì)顯然此物質(zhì)為左旋體。初相初相第五十三頁，共六十頁，2022年，8月28日由圖示：令—旋光率則(a)