16 物理光學(xué).ppt

1、16 晶體表面的反射和折射,報告人：周遠(yuǎn),回顧：各向異性介質(zhì)與各向同性介質(zhì)的差異,各向同性介質(zhì)(如水、玻璃等）,各向異性介質(zhì)(如方解石、石英晶體等）,同樣對待不同偏振方向的光，,區(qū)別對待不同偏振方向的光，,介電常數(shù)、相速度v、折射率n等物理性質(zhì)與光偏振方向無關(guān)。,介電常數(shù)、相速度v、折射率n與光偏振方向有關(guān)。,周期結(jié)構(gòu)，不同方向上原子或分子的排列情況是不同的,雜亂結(jié)構(gòu)，不同方向上原子或分子的排列情況宏觀上相同,E、D不同方向,E、D同方向,折射率橢球?yàn)橐粋€球,折射率橢球?yàn)橐粋€橢球,S、k同方向,S、k不同方向,一個折射率,非光軸方向兩個折射率,一個折射光,非光軸方向兩束折射光，o光和e光。,折

2、射率面為一個球面,折射率面為雙層面，球面和橢球面。,回顧： 折射率橢球,將D方向與該方向折射率值聯(lián)系起來建立空間曲面,曲面上某點(diǎn)的徑向距離表示對應(yīng)的D方向上的折射率值。,用途一：可由D的方向求出對應(yīng)的折射率n。,用途二： 可由D的方向求出對應(yīng)的E方向。,用途三：可由波矢K方向確定D方向。,球，為各向同性介質(zhì),橢球，為雙軸晶體,旋轉(zhuǎn)橢球，為單軸晶體,正單軸晶體：n0ne,回顧：單軸晶體,折射率橢球的對稱軸為z（光軸）的旋轉(zhuǎn)橢球。,負(fù)單軸晶體：n0ne,光沿著光軸傳播時，一個折射率。 與光軸Z角度入射，垂直k的截面-橢圓，兩種線偏振光（o光和e光）,o光：,e光：,不隨k方向變,隨k方向變,9.

3、描述晶體光學(xué)各向異性的其它曲面,1、折射率面：將k方向與該方向折射率值聯(lián)系起來的空間曲面,單軸晶體：平常光（o光）的折射率面是球面，異常光（e光）的折射率面是橢球。在光軸方向，兩曲面相切。 上圖中， n0ne，為正單軸晶體。,曲面上某點(diǎn)對坐標(biāo)原點(diǎn)的距離表示對應(yīng)的k方向上的折射率值。 折射率面為雙層曲面。,描述晶體光學(xué)各向異性的其它曲面,n0ne，為負(fù)單軸晶體。,雙軸晶體：有四個交點(diǎn)，都位于xz面上，方向就是光軸。,回顧：折射率面,折射率面：將k方向與該方向折射率值聯(lián)系起來的空間曲面,曲面上某點(diǎn)的徑向距離表示對應(yīng)的k方向上的折射率值。 折射率面為雙層曲面。,單軸晶體：o光的折射率面是球面， e光

4、的折射率面是橢球。 在光軸方向，兩曲面相切。,n0ne，為正單軸晶體。,n0ne，為正單軸晶體。,9. 晶體中平面波的特點(diǎn),光線方向：指能流密度矢量S方向。也稱射線方向 光波方向： 波矢K的方向。也稱波法線方向,E、H、S構(gòu)成右手螺旋正交系統(tǒng)光線傳輸,D、H、K構(gòu)成右手螺旋正交系統(tǒng)光波傳輸,K，光波方向,S，光線方向,1. 晶體中一般D、E不同向，所以k、S也不同向。D、E、k、S同平面。,光線與光波方向的夾角離散角,k,s,參考課本P310面公式7-19：,折射率面中，矢徑方向?yàn)閗方向，折射率面法線方向?yàn)镾方向,10. 光波在晶體表面的反射和折射,與界面垂直，與法線平行,折射定律,反射定律,

5、晶體界面上也滿足折反射定律。與各向同性媒質(zhì)不同的是： 不同的k方向?qū)?yīng)不同折射率。 可用折射率面作圖法（斯涅爾作圖法）求折射線和反射線的波矢K方向。,3、過A作晶體表面垂線，交“, 面B,C點(diǎn)，則OB,OC就是兩個折射波矢。,o,A,B,C,ki,k1t,k2t,”,光波在晶體表面的反射和折射,斯涅爾作圖法：,1、作光波在入射介質(zhì)的折射率面；,2、作光波在折射介質(zhì)的折射率面,;,光軸方向,4. 在B點(diǎn)和C點(diǎn)做法線，則為兩光線方向。,一.正入射 (1)光軸平行于晶面,正單軸晶體表面的反射和折射,A,B(o光）,C(e),o,光軸,空氣,晶體下表面射出時仍為一束光，但偏振態(tài)可能變。,光波進(jìn)入晶體后

6、方向不變；,分為兩沿同路徑傳播、振動方向互相垂直的光波；,兩光傳播速度不同；但光線方向與光波方向重合,(2)光軸垂直于晶面,A,B(o光）,C(e光),o,光軸,空氣,正單軸晶體表面的反射和折射,晶體內(nèi)只一個折射波，通過晶體后，偏振方向不變，偏振態(tài)不變。,解釋了光沿光軸方向時只有一束折射波的原因。,光波進(jìn)入晶體后，分為o光和e光,光波方向相同，但光線方向不同。一般情況下，當(dāng)晶體足夠厚時，從下表面出射的是兩束光，其振動方向相互垂直，光相對于入射光的位置在主截面內(nèi)有一平移,(3)光軸與晶面斜交,正單軸晶體表面的反射和折射,A,B(o光）,C(e),o,光軸,空氣,二.斜入射 (1)主平面與主截面重

7、合,正單軸晶體表面的反射和折射,A,B(o光）,C(e),o,光軸,空氣,光波進(jìn)入晶體后分為o光和e光，光波方向和光線方向都在主截面內(nèi)。當(dāng)晶體足夠厚時，從晶體下表面射出的是兩束線偏振光，振動方向相互垂宜。,光波進(jìn)入晶體后分為o、e兩束光，但e光的折射率是常數(shù),與入射角大小無關(guān)，其光線方向與光波方向一致。,正單軸晶體表面的反射和折射,（2）主平面與主截面不重合 光軸平行于晶面，入射面垂直于主截面,A,B(o光）,C(e),o,光軸,空氣,例題1,KDP晶體的兩個主折射率為no=1.512，ne=1.470。一束單色光在空氣中以600角入射到晶體表面，若晶體光軸與晶面平行，且垂直入射面，求晶體中雙

8、折射光線的夾角。,A,B(e光）,C(o),o,光軸,空氣,例題2,如圖，平行鈉光正入射到一片方解石（負(fù)單軸晶體）上，光軸在紙面內(nèi)。求： （1）用菲涅耳作圖法得出折射光方向。 （2）o光與e光的夾角(知no=1.6584，ne=1.4864)。 （3）當(dāng)晶片厚度為1mm時，o光和e光射出晶片后的位相差。（鈉光波長589.3nm）,光軸,尼科耳棱鏡； 格蘭棱鏡； 渥拉斯登棱鏡。,晶體光學(xué)器件,o光和e光都是100%的線偏振光，只要將它們分開，就可得到很好的線偏振光。 利用雙折射晶體制成偏振棱鏡可以分開o光和e光。,雙折射棱鏡,雙折射棱鏡比前面講過的幾種偏振器（偏振片和波片堆）性能更優(yōu)越。,典型的

9、雙折射棱鏡,71,0,尼科耳棱鏡的制作過程,1、尼科耳棱鏡,68,0,尼科耳棱鏡的制作過程,68,0,尼科耳棱鏡的制作過程,68,0,尼科耳棱鏡的制作過程,68,0,尼科耳棱鏡的制作過程,68,0,涂上加拿大樹膠,尼科耳棱鏡的制作過程,68,0,尼科耳棱鏡的制作過程,對鈉黃光：,3. 尼科耳棱鏡,680,鈉自然光,利用雙折射將自然光分成o光和e光 利用全反射把o光反射到棱鏡壁上，只讓e光通過棱鏡 孔徑角約為140 不適用于高度會聚或發(fā)散的光束 入射光與出射光不在一條直線上,臨界角690,4. 格蘭棱鏡,吸收層,兩塊方解石：用加拿大樹膠膠合；也可用空氣層代替； 光軸既平行于端面和斜面，與圖面垂直

10、 有膠合層=76030,孔徑角130 無膠合層=38.50 ,孔徑角7.50 有膠合層缺點(diǎn)： （1）樹膠對紫外吸收很厲害 （2）易被大功率激光所破壞,no (1.658)n (1.55)ne(1.52),A,B,C,D,兩直角棱鏡，材料“方解石”（或水晶） 特點(diǎn)：兩光軸互相垂直。 功能：產(chǎn)生兩束分開的、振動方向垂直的線偏光。 原因：進(jìn)入第一晶體和第二晶體的線偏光中o光與e光互換。 當(dāng)棱鏡角度較小時，兩出射光線夾角,5. 渥拉斯頓棱鏡,no (1.6584)ne(1.4864),例題3,構(gòu)成渥拉斯頓棱鏡的方解石頂角為300，當(dāng)一束自然光垂直入射時，從棱鏡出射的o光和e光的夾角。,A,B,C,D,

11、O,e,光軸方向,no (1.6584)ne(1.4864),波片（波晶片，位相延遲片） 單軸晶體表面與晶體的光軸平行的晶片； 為兩正交偏振光引入相位延遲； 傳播方向不變，波片內(nèi)速度不同； o光和e光通過波片光程不同，產(chǎn)生位相差。,波片,光軸,d,出射光是o光和e光疊加，為橢圓偏振光。,波片的快軸和慢軸 對于負(fù)單軸晶體：nonevove 光軸方向?yàn)槁S，垂直光軸方向?yàn)榭燧S。,波片,從波片出射的是兩束方向相同、振動方向垂直、頻率相等、相位差的線偏振光，出射光是兩光疊加。為橢圓偏振光。,1. 1/4波片：,從線偏振光獲得橢圓或圓偏振光（或相反）,波片,2. 1/2波片（半波片）：,波片,線偏振光：

12、原與快軸夾角角將向快軸方向轉(zhuǎn)過2 角。 橢圓偏振光不改變端點(diǎn)軌跡，但改變旋向。,3.全波片 ： 全波片不改變光的偏振態(tài)。 注：所謂1/4波片，半波片，全波片都是針對某一特定的波長而言的，故上述關(guān)系都只對某一特定的波長成立。,波片,波片只能產(chǎn)生固定的位相差，補(bǔ)償器可產(chǎn)生連續(xù)改變的位相差。,補(bǔ)償器,巴比內(nèi)補(bǔ)償器 由兩塊方解石或石英劈組成，光軸垂直；,的累計光程：,的累計光程：,例題3,一束線偏振的鈉黃光（波長598.3nm）垂直通過一塊厚度 為1.61810-2mm的石英波片。 no =1.54424，ne=1.55335，光軸沿X軸，討論入射線偏振光振動方向與X軸分別成450，-450和300的出射光的偏振態(tài)。,y,d,x,Ae,Ao,a,線偏振光,光軸,例題4,一右旋圓偏振光垂直入射到一石英1/4波片，波片光軸沿X軸，求透射光偏振狀態(tài)。,分析：光軸沿X軸，說明Y向?yàn)閛光，X向?yàn)閑光。 右旋圓偏振光，Y分量與X分量相位相差-/2。振幅相同（設(shè)為A） 1/4波片使o光與e光相位相差/2。,透射光為線偏振，振動方向與X軸夾角為-45o,一.錐形折射 當(dāng)光波方向與雙軸晶體兩根光軸之一重合時，有 無數(shù)多個光線方間與