晶體光學(xué)性質(zhì)的觀測分析林錦添

1、晶體光學(xué)性質(zhì)的觀測分析理工學(xué)院 物理學(xué)系 05級(jí) 光信4班 林錦添 04318036 2007年11月23日一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 熟悉單軸晶體光學(xué)性質(zhì)，晶體的消光現(xiàn)象，干涉色級(jí)序；2 了解偏光顯微鏡原理及掌握其使用方法；3 觀測晶體的類別，軸向和光性正負(fù)等過程，估計(jì)晶片光程差。二、實(shí)驗(yàn)儀器XP-201型透射顯微鏡：光源，起偏鏡，聚光鏡，旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)，物鏡，補(bǔ)償器插口，檢偏鏡，勃氏鏡，目鏡。三、實(shí)驗(yàn)原理（一）晶體雙折射、光率體。折射率與光的傳播方向及光矢振動(dòng)方向有關(guān)的晶體稱為各向異性晶體。光通過各向異性晶體時(shí)會(huì)出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，并表現(xiàn)出偏振性質(zhì)。在各向異性晶體中總是存在一個(gè)或兩個(gè)方向不會(huì)不會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象

2、，稱為晶體的光軸。據(jù)此又可將晶體分為單軸晶跟雙軸晶。其中，折射率不隨入射方向而改的成為o光或?qū)こ９?，折射率隨入射方向而改的成為e光或非尋常光。o、e光都是偏振光?？梢杂脦缀螆D形直觀地表示晶體中光波各矢量間的方向關(guān)系，及各傳播方向相對(duì)應(yīng)的光速或折射率在空間的取值分布，這類圖形稱為晶體光學(xué)示性曲面。光率體就是最常見的晶體光學(xué)示性曲面，它是以主折射率為主值的橢球。單晶體中的稱為正光性單軸晶，反之稱為負(fù)光性單軸晶。 圖1 單軸晶光率體的三種中心截面圖1給出了單軸晶光率體的三種中心截面。圓截面：垂直光軸的圓，半徑為；主截面：包含光軸的橢圓截面，它的一個(gè)半徑為，與光軸垂直，另一個(gè)半徑為，與光軸平行。O光振

3、動(dòng)方向必垂直于主截面，e光的振動(dòng)方向則平行主截面；任意截面：是一個(gè)橢圓，截面法向N與光軸成角。（二）正交偏光干涉： 在偏光顯微鏡中，當(dāng)上下偏光鏡的振動(dòng)面互相垂直時(shí)，稱為正交偏光鏡。如在正交偏光鏡間不放入任何介質(zhì)或放入各相同性晶體時(shí)，光線無法通過正交偏光鏡，所以視域是黑暗的；當(dāng)放入各相異性晶體時(shí)，由于晶體雙折射效應(yīng)和晶片厚度、晶軸取向的不同而產(chǎn)生不同的干涉現(xiàn)象。 圖2 正交偏光鏡間的干涉現(xiàn)象 由光學(xué)知識(shí)：如圖2所示：當(dāng)在正交偏光鏡之間加入一各相異性晶體時(shí)，一束波長為的光波經(jīng)正交偏光鏡和晶片后，會(huì)變成大小相等而振動(dòng)方向相反，頻率相同，位相差恒定的兩束光（o光和e光），它們滿足干涉條件，由平面波疊加

4、原理，其合成光波振幅為： （1）其合成光強(qiáng)： （2）由上式可以看出：正交偏光鏡干涉光強(qiáng)分布狀況與晶體軸向與起偏器夾角，厚度，雙折射率及入射波長有關(guān)，為透過起偏器后的偏振光振幅。1、單色光干涉 對(duì)于單色光，當(dāng)時(shí)，即當(dāng)晶體的軸向與正交偏光鏡其中之一的偏振方向一致時(shí)，合成光強(qiáng)為0,視野全暗，此現(xiàn)象稱為消光現(xiàn)象，此時(shí)，晶片的位置稱為消光位置。當(dāng)時(shí)，即當(dāng)晶片的軸向處于兩個(gè)偏光鏡的偏振方向中間時(shí)，合成光強(qiáng)最大，視野最亮。顯然，轉(zhuǎn)動(dòng)晶片360°，會(huì)出現(xiàn)四暗、四明現(xiàn)象。 當(dāng)晶體的雙折射率不變時(shí)，厚道變化，這相當(dāng)于石英楔子的情況，不同厚度的光程差也不相同，所以當(dāng)石英楔子由薄至厚插入時(shí)，就會(huì)觀察到有規(guī)律

5、的明暗相間的干涉條紋。2、白光干涉用白光照明時(shí)，由于各色光波長范圍不同，所以對(duì)于某一個(gè)值，不同色的光不可能同時(shí)達(dá)到相消或相長，干涉條紋是由光強(qiáng)不為零的各種單色光混合組合而成，稱為干涉色。干涉色隨著晶片厚度增加而出現(xiàn)有規(guī)律的變化，就是干涉色級(jí)序，大約每560nm光程差劃分一個(gè)干涉色級(jí)序，通常可分為四個(gè)級(jí)序，光程差越大則干涉色級(jí)序越高。每個(gè)干涉色級(jí)序中，顏色的一次明顯改變稱為一個(gè)色序，各色序之間顏色是連續(xù)變化的。對(duì)于同一石英楔子，波長越短，其明暗條紋間距亦越短。3光程差補(bǔ)償原理如果在正交偏光鏡間放兩塊晶片，設(shè)光線通過晶片1和晶片2的光程差分別為和，當(dāng)兩晶片同名軸（快慢軸）平行時(shí)，則通過兩晶片的總光

6、程差，其干涉色比原來兩晶片單獨(dú)放入時(shí)的干涉色都高；當(dāng)兩晶片異名軸平行時(shí)，則通過兩晶片的總光程差，其干涉色比其中之一晶片單獨(dú)放入時(shí)的干涉色低。若兩晶片的光程差相等，則0，此時(shí)兩晶片的光程差互相補(bǔ)償，視域全暗。上述光程差疊加和補(bǔ)償?shù)囊?guī)律稱為補(bǔ)色法則。若將晶片2換成石英楔子，且慢慢推入石英楔子，使逐漸增加。此時(shí)，如果晶片1與石英楔子同名軸平行，總光程差是遞增的，導(dǎo)致干涉色逐漸升高；如果晶片1與石英楔子異名軸平行，總光程差是遞減的，導(dǎo)致干涉色逐漸降低。所以如果知道一個(gè)晶片快慢軸方向知道，可以通過干涉色升降情況可以確定另一個(gè)晶片的快慢軸方向。還可以通過查表估算另一個(gè)晶片的光程差。（二）錐光干涉：在正交偏

7、光鏡的條件下，在光路中加入聚光鏡和勃氏鏡便構(gòu)成了錐光裝置。通過錐光裝置在視域中出現(xiàn)的干涉圖像稱為錐光干涉圖，它不是晶體本身的像，而是錐形偏光通過晶片后到達(dá)上偏光鏡所產(chǎn)生的干涉效應(yīng)的總和。圖3 單軸晶垂直光軸切片錐光干涉圖當(dāng)晶片為垂直光軸切片時(shí)，如圖3所示，光錐中有一系列光通過晶片，每一條光在晶片中有兩個(gè)互相垂直的振動(dòng)方向，它們的折射率分別為和；包含在PP（或者AA）面與光軸組成的面（主截面），非常光是在PP（或者AA）面內(nèi)振動(dòng)的，尋常光則是在垂直主截面的面內(nèi)振動(dòng)。因此通過晶片后光的偏振方向不會(huì)改變，都平行與下偏振片的偏振方向，與上偏光鏡偏振方向垂直，不能通過上偏光鏡，因此在視域中平行PP和AA

8、方向就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)黑十字消光影。單色光的錐光干涉除了有黑十字消光影之外，還有互相交替的亮圓環(huán)跟暗圓環(huán)。這是因?yàn)椴黄叫信cPP、AA方向的光在晶片中分解成兩互相垂直的偏振光。從光錐的軸愈向外，光程差愈大。如果這個(gè)光程差為波長整數(shù)倍，就會(huì)產(chǎn)生相消干涉，視域中出現(xiàn)暗環(huán)；如果是半波長的奇數(shù)倍，則產(chǎn)生相長干涉，視域中觀察到一個(gè)亮環(huán)。如果光源是白光，仍然可以觀察到黑十字消光影。不同的是原來的黑亮相間圓環(huán)變成交替出現(xiàn)的彩環(huán)可以利用垂直光軸晶片的錐光干涉來判斷和檢驗(yàn)晶體光性正負(fù)。在垂直光軸切片的錐光干涉圖上，o光跟e光的振動(dòng)方向如下圖4所示。此時(shí)插入試板，觀察干涉圖中四個(gè)象限干涉色序的升降，根據(jù)消光原理判斷是快軸

9、還是慢軸，從而確定待測樣品光性正負(fù)。圖4單軸晶體光性正負(fù)的測定（三）晶體旋光性、埃利旋： 當(dāng)一束線偏振光通過某些物質(zhì)后，光的振動(dòng)方向會(huì)隨著在物質(zhì)中的傳播距離增加而逐漸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象。具有旋光性的物質(zhì)，稱為旋光物質(zhì)。旋光有左右旋之分，因此旋光物質(zhì)也有左旋物質(zhì)和右旋物質(zhì)之分。對(duì)于旋光物質(zhì)而言，振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度與通過旋光物質(zhì)厚度d成正比，即其中，比例系數(shù)稱為該旋光物質(zhì)的旋光率，它是一個(gè)與入射光波長有關(guān)的量。如在正交偏光鏡中加入左旋或者右旋石英片，當(dāng)石英片厚度很薄時(shí)，干涉圖仍是黑的，一般不易觀察到偏光面的轉(zhuǎn)動(dòng)。如果石英片厚度較大，干涉圖就不再是黑的了。對(duì)于單色光，將分析鏡轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，

10、即可使干涉圖重新變黑。對(duì)于白色光，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)分析鏡時(shí)會(huì)所發(fā)生顏色上變化，對(duì)于左旋（或右旋）石英，當(dāng)分析鏡逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（或順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)）時(shí)，晶體的顏色會(huì)由綠色變藍(lán)色在變?yōu)樽仙?。在聚斂光中，光軸干涉圖的中央部分會(huì)出現(xiàn)與正交偏光鏡相同的現(xiàn)象。如果將相當(dāng)厚度的右旋與左旋石英片疊置在一起，在聚斂光中可以看到特殊旋轉(zhuǎn)干涉圖，稱為埃利旋，其四臂或是右旋或是左旋，主要決定于是哪一晶片放在下面。右旋石英置于左旋石英之下，會(huì)觀察到右旋。左旋置于右旋石英之下，會(huì)觀察到左旋。所以可以利用埃利旋在晶片中識(shí)別由左旋和右旋兩種石英單體所構(gòu)成的雙晶。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及現(xiàn)象記錄1 仔細(xì)閱讀說明書，了解偏光顯微鏡的結(jié)構(gòu)及使用方法2 校正儀器

11、中心，即調(diào)節(jié)物鏡光軸與物臺(tái)中心重合。選用低倍物鏡，載玻璃片上選一小黑點(diǎn)，并將小黑點(diǎn)轉(zhuǎn)制十字絲中心，轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，如物鏡光軸與載物臺(tái)中心不重合，小黑點(diǎn)會(huì)繞一圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，此圓心即為載物臺(tái)中心，調(diào)節(jié)物鏡中心調(diào)節(jié)螺絲，氏物鏡中心移至載物臺(tái)中心，反復(fù)重復(fù)調(diào)節(jié)直至小黑點(diǎn)不再轉(zhuǎn)動(dòng)為止。3 調(diào)整上下偏光鏡正交，并使目鏡十字絲與上下偏光鏡偏振方向平行；在正交偏光鏡條件下，將不同的晶體放在載物臺(tái)中心，緩緩移動(dòng)載物臺(tái)一周，在目鏡中仔細(xì)觀察，準(zhǔn)確，完整，簡練地描述和記錄你所觀察到地原始實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。深刻理解什么是全消光，什么是四次消光；并判斷給出地幾種未知樣品是各向同性質(zhì)還是各向異性。4 對(duì)已檢出地各向異性晶片，用一級(jí)紅插片判別其慢光方向，并估計(jì)其光程差，說明判別依據(jù)。正交偏光鏡成45度得位置，然后在試片孔中緩緩插入石英楔子，記錄視域中出現(xiàn)得干涉色，查閱表，根據(jù)其色序升降確定樣品得慢光振動(dòng)方向。同理可對(duì)斜切和平切片進(jìn)行上述操作，有余力得同學(xué)還可以對(duì)垂直切片進(jìn)行觀測，看看能得出什么結(jié)果。 5 錐光干涉光測：光路中加