光学教程第六双折射.ppt
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1、2019年3月28日,0,光学教程,第二篇 波动光学,2019年3月28日,1,专题: 光在晶体中的传播双折射,研究的主要问题: 晶体与晶格的概念; 折射率椭球、o光与e光; 偏振棱镜、偏振光的干涉。,要点: 1. 各向异性与折射率椭球; 2. o光与e光的性质与应用。,2019年3月28日,2,双折射晶体产生偏振光,O (ordinary)光 : 遵从折射定律,e (extraordinary)光 :一般不遵从折射定律,e光折射线也不一定在入射面内。,o,e,1)寻常光和非寻常光,说明:,* o光 、 e光 在双折射晶体内部才有意义。,* 双折射原因: 是各向异性晶体对两光束有不同的 折射率
2、,不同的传播速度.,o 光和 e 光都是线偏振光, 一定条件下其偏振方向相互垂直.,2019年3月28日,3,2) 晶体的光轴,晶体的光轴:光沿着该方向在晶体内传播时不发生双折射。,例如,方解石晶体(CaCO3),光轴,注:光轴是一特殊的方向,凡平行于此方向的直线均为光轴。,单轴晶体:只有一个光轴的晶体,双轴晶体:两个光轴,如云母和硫磺。,主平面:晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。o光偏振方向垂直主平面, e光偏振方向平行主平面.,主截面:晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。,2019年3月28日,4,注意:,重点研究:,* o光、e 光的主平面不一定重合,o光的振动方向 o光的主平面,
3、e光的振动方向 / e 光的主平面,(1)入射光在主截面内 (2)主平面、主截面重合为同一平面 (3) o光振动方向 e光振动方向,* 主平面,主截面不一定重合,图 示,2019年3月28日,5,晶体折射率椭球,2019年3月28日,6,一、基本原理,用惠更斯原理解释双折射现象,o光:各方向速度相同:,其波阵面为球面。,e光:各方向速度不相同:,其波阵面为旋转椭球球面。,no ,ne (垂直方向) 称为晶体的主折射率。,2019年3月28日,7,ne no,ne no,正晶体 如石英,负晶体 如方解石,uot,uet,光轴,子波源,ue uo,ueuo,两种相切法:,外切正晶体 :,内切负晶体
4、 :,惠更斯作图法(ueuo),例: 光轴平行晶体表面和入射面,自然光入射,速度上是分开的,光轴,e,e,o,o,方解石晶体,光轴,o,e,2019年3月28日,8,二、课件展示,图1 晶体o光和e光折射率椭球,课件主要展示三维描述单轴双折射晶体的折射率椭球,以帮助进一步学习和认识,如图1。,2019年3月28日,9,图2 负晶体的内切折射率椭球,图3 转动观察方向的情况,通过调节右方参数栏,可以改变晶体o光e光的主折射率,如图2是负晶体的内切折射率椭球;转动观察方向可以看到更细致的情况。 通过本课件可以考虑光束沿不同方向行进时的波面形状问题。,2019年3月28日,10,晶体的惠更斯作图法,
5、2019年3月28日,11,1. 光轴平行于折射表面并平行于入射面,2019年3月28日,12,2. 光轴平行于折射表面并垂直于入射面,2019年3月28日,13,3. 光轴垂直于折射表面并平行于入射面,2019年3月28日,14,二、课件展示,图1 光束均到达晶体表面,图2 根据波面确定公切点,课件通过对o光和e光折射率椭球的切割,获得三个特殊方向在光束传播方向的波速和波面,然后按惠更斯原理对晶体内沿三个特殊方向的光束进行作图,其步骤分别如图1,2,3。,2019年3月28日,15,图3 根据公切点确定方向,图4 入射角改变的情况,通过调节右方参数栏,可以改变晶体o光e光的主折射率,从而改变
6、晶体内光束传播的方向。必须注意,改变入射角后需要重新按左下方的启动按钮,重新进行传播才能获得此时正确的光束传播,否则将导致错误,如图4。,2019年3月28日,16,4) 利用双折射获得线偏振光,*晶体的二向色性、晶体偏振器,某些晶体对o光和e光的吸收不同,光轴,e光,晶体的二向色性,*偏振棱镜,2019年3月28日,17,格兰 - 汤普森棱镜,2019年3月28日,18,*偏振棱镜,例:格兰汤普森棱镜,光轴的取向使o光、e光对应分别为no、 ne,no (1.655),ne(1.486) n (1.655),e 光从波密波疏,全反射临界角:,2019年3月28日,19,二、课件展示,图1 格
7、兰 - 汤普森棱镜,图2 不同视角观察,课件主要展示自然光经格兰 - 汤普森棱镜期间,其在交界面处的透射和反射光的偏振方向的状态,如图1。转换视角可以进行三维观察,如图2。,2019年3月28日,20,尼科耳棱镜,2019年3月28日,21,一、基本原理,尼科耳棱镜是使用最广泛的双折射偏振器件。它将冰洲石晶体沿垂直主截面ACCA且过对角线C“A“的平面C“EA“F剖开磨平,然后再用加拿大树胶黏合。,加拿大树胶折射率介于冰洲石no和ne之间,如对于钠黄光,n=1.55, no=1.65836, ne=1.48541。由于以上因此平行于AA的入射光进入晶体后,o光将以大于临界角的入射角透射到剖面上
8、,因全反射而偏折;e光则从尼科耳棱镜中射出称为单一的线偏振光。,2019年3月28日,22,二、课件展示,图1 尼科耳棱镜,图2 不同视角观察,课件主要展示自然光经尼科耳棱镜期间,其在交界面处的透射和反射光的偏振方向的状态,如图1。转换视角可以进行三维观察,如图2。,2019年3月28日,23,渥拉斯顿棱镜,2019年3月28日,24,一、基本原理,渥拉斯顿棱镜是由两块冰洲石的直角三棱镜黏合而成的,其光轴方向如图所示,彼此垂直。当自然光正入射到第一块棱镜时,仍然保持垂直入射形式,但已经在内部发生双折射。到了第二块棱镜,光线发生折射,使o光和e光彼此分离。,2019年3月28日,25,二、课件展
9、示,图1 渥拉斯顿棱镜,图2 不同视角观察,课件主要展示自然光经渥拉斯顿棱镜期间,其在交界面处的透射和反射光的偏振方向的状态,如图1。转换视角可以进行三维观察,如图2。,2019年3月28日,26,一、基本原理,* 波晶片相位延迟片,波晶片是光轴平行表面的晶体薄片。,通过厚为d的晶片,o、e光不可分开, 但产生光程差:,光轴,出射时位相改变:,四分之一波片,二分之一波片,全波片,可见:一定,选择d 可使两分振动产生任意位相差。,几种常用 的波晶片,2019年3月28日,27,偏振光经四分之一波片后的偏振态,2019年3月28日,28,振动方向相互垂直、频率相等的两个简谐振动的合成,设两振动为:
10、,2019年3月28日,29,二、课件展示,图1 一般情况,图2 线偏振光透视,课件着重展示了偏振光通过/4玻片后,由于产生/2相位差而形成的振动方向的变化,共有三个场景。基本形貌如图1,水平旋转视角至光束行进方向,则可明显观察到光束振动方向的转移,如图2为线偏振光转为圆偏振光情况。,2019年3月28日,30,图3 圆偏振光透视,图4 椭圆偏振光透视,第二个场景为圆偏振光,转动视角,如图3,清晰可见圆偏振光经过/4玻片已转变为线偏振光;而第三个场景为椭圆偏振光,仍然转动视角,如图4,可见椭圆偏振光已转变为长轴方向变化的另一个椭圆偏振光。,2019年3月28日,31,平行偏振光干涉,2019年
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