第6章 光的雙折射與光調(diào)制

1、第第6章章光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制 主要內(nèi)容主要內(nèi)容6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象 6.4 偏振光的干涉偏振光的干涉 6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件 6.3 橢圓偏振光的獲得與檢驗(yàn)橢圓偏振光的獲得與檢驗(yàn) 6.5 場(chǎng)致雙折射現(xiàn)象及其應(yīng)用場(chǎng)致雙折射現(xiàn)象及其應(yīng)用 6.6 旋光效應(yīng)與圓雙折射旋光效應(yīng)與圓雙折射 6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制主要內(nèi)容主要內(nèi)容1. 晶體的結(jié)構(gòu)特征晶體的結(jié)構(gòu)特征 2. 各向異性晶體的

2、雙折射現(xiàn)象各向異性晶體的雙折射現(xiàn)象 3. 雙折射現(xiàn)象的理論解釋雙折射現(xiàn)象的理論解釋 6.1.1 晶體的結(jié)構(gòu)特征晶體的結(jié)構(gòu)特征 光學(xué)器件最常用的透明固體介質(zhì)材料：光學(xué)器件最常用的透明固體介質(zhì)材料：晶體和非晶體晶體和非晶體 晶體：晶體：內(nèi)在結(jié)構(gòu)長(zhǎng)程有序的固體，其內(nèi)在結(jié)構(gòu)長(zhǎng)程有序的固體，其原子（離子或分子）在空間排列上原子（離子或分子）在空間排列上具有一定的規(guī)則性具有一定的規(guī)則性，生長(zhǎng)良好的單晶體具有規(guī)則的幾何外形，生長(zhǎng)良好的單晶體具有規(guī)則的幾何外形。 圖圖6.1-1 天然晶體礦天然晶體礦(b) 石英晶體石英晶體(a) 方解石晶體方解石晶體6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)

3、制光的雙折射與光調(diào)制自然界中存在的七大晶系（按晶體的空間對(duì)稱性分類）：自然界中存在的七大晶系（按晶體的空間對(duì)稱性分類）： 立方晶系；正方（四方，四角）晶系；六角（六方）晶系；三角（三立方晶系；正方（四方，四角）晶系；六角（六方）晶系；三角（三方）晶系；正交（斜方）晶系；單斜晶系；三斜晶系。方）晶系；正交（斜方）晶系；單斜晶系；三斜晶系。 說明：說明：非晶態(tài)：非晶態(tài)：如玻璃、熔融石英等，一般如玻璃、熔融石英等，一般不具有長(zhǎng)程有序的內(nèi)在結(jié)構(gòu)不具有長(zhǎng)程有序的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，并且由于，并且由于其原子或分子的熱運(yùn)動(dòng)以及在空間排列上的隨機(jī)性，其光學(xué)性質(zhì)一其原子或分子的熱運(yùn)動(dòng)以及在空間排列上的隨機(jī)性，其光學(xué)性質(zhì)一

4、般在宏觀上呈現(xiàn)出般在宏觀上呈現(xiàn)出各向同性各向同性。 v 除除立方晶系的單晶體具有空間各向同性的光學(xué)性質(zhì)立方晶系的單晶體具有空間各向同性的光學(xué)性質(zhì)外，一般單晶體的光外，一般單晶體的光學(xué)性質(zhì)均具有學(xué)性質(zhì)均具有空間上的各向異性空間上的各向異性。v 在一定的外界物理場(chǎng)（如機(jī)械或熱應(yīng)力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等）作用下，某些在一定的外界物理場(chǎng)（如機(jī)械或熱應(yīng)力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等）作用下，某些非晶態(tài)介質(zhì)（甚至立方晶晶體）會(huì)在宏觀上由各向同性轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋?。非晶態(tài)介質(zhì)（甚至立方晶晶體）會(huì)在宏觀上由各向同性轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋?。這種場(chǎng)致各向異性與晶體的自然各向異性具有類似的特點(diǎn)。這種場(chǎng)致各向異性與晶體的自然各向異性具有類似的特點(diǎn)。

5、6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.1 晶體的結(jié)構(gòu)特征晶體的結(jié)構(gòu)特征石英：石英：光軸光軸(b) 石英晶體石英晶體102o102o78o78o光軸光軸102o102o(a) 方解石晶體方解石晶體圖圖6.1-2 晶體的解理面形式晶體的解理面形式6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.1 晶體的結(jié)構(gòu)特征晶體的結(jié)構(gòu)特征最常用的兩種各向異性晶體最常用的兩種各向異性晶體又稱冰洲石，屬六角晶系晶體，其又稱冰洲石，屬六角晶系晶體，其化學(xué)成分為化學(xué)成分為碳酸鈣碳酸鈣（CaCO3），結(jié)構(gòu)上），結(jié)構(gòu)上易解理成菱體（斜

6、六面體），菱面的銳易解理成菱體（斜六面體），菱面的銳角為角為78o08，鈍角為，鈍角為101o52。純質(zhì)的方。純質(zhì)的方解石晶體呈無色透明狀，且在天然狀態(tài)解石晶體呈無色透明狀，且在天然狀態(tài)下可以形成較大尺寸，是制造偏振光學(xué)下可以形成較大尺寸，是制造偏振光學(xué)器件的重要材料之一。器件的重要材料之一。 又稱水晶，屬三角晶系晶體，其化學(xué)成分為又稱水晶，屬三角晶系晶體，其化學(xué)成分為二氧化硅二氧化硅（SiO2），結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上易解理成角錐狀。純質(zhì)的石英晶體呈無色透明狀，因而也是制造偏振光上易解理成角錐狀。純質(zhì)的石英晶體呈無色透明狀，因而也是制造偏振光學(xué)器件的重要材料之一。學(xué)器件的重要材料之一。 方解石：方解石

7、：雙折射：雙折射：同一束入射光同一束入射光同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)偏折方向的現(xiàn)象同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)偏折方向的現(xiàn)象 圖圖6.1-3 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.2 雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象透過食鹽和方解石晶體的線條透過食鹽和方解石晶體的線條透過方解石晶體及正交偏振片的線條透過方解石晶體及正交偏振片的線條說明：說明：折射定律一般僅適用于各向同性介質(zhì)。對(duì)于各向異性晶體，折射定律一般僅適用于各向同性介質(zhì)。對(duì)于各向異性晶體，一般情一般情況下，由雙折射產(chǎn)生的兩束折射光波中至少有一束不滿足折射定律況下，由雙折射產(chǎn)生的兩束折射光波中至少有一

8、束不滿足折射定律。入射光的方向不同，晶體結(jié)構(gòu)及空間取向不同，則雙折射性質(zhì)不同。入射光的方向不同，晶體結(jié)構(gòu)及空間取向不同，則雙折射性質(zhì)不同。 6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.2 雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象結(jié)論：結(jié)論：由于雙折射，一束自然光通過某種各向異性晶體制成的平行平板后，由于雙折射，一束自然光通過某種各向異性晶體制成的平行平板后，將分解成將分解成兩束相互錯(cuò)開但方向平行的透射光波，導(dǎo)致兩束相互錯(cuò)開但方向平行的透射光波，導(dǎo)致出現(xiàn)出現(xiàn)相互錯(cuò)開相互錯(cuò)開的雙重折射影像的雙重折射影像。當(dāng)以入射光線為軸線旋轉(zhuǎn)該介質(zhì)平板時(shí)，。當(dāng)以入射光線為軸線旋轉(zhuǎn)該介質(zhì)平板

9、時(shí)，至少有至少有一束透射光或一個(gè)影像的位置會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)一束透射光或一個(gè)影像的位置會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)，兩束透射光波或兩個(gè)重，兩束透射光波或兩個(gè)重疊的折射影像疊的折射影像均表現(xiàn)為平面偏振特性，且振動(dòng)方向正交均表現(xiàn)為平面偏振特性，且振動(dòng)方向正交。 光軸：光軸：各向異性晶體中的一些特定方向，沿此方向入射的自然光不發(fā)生雙各向異性晶體中的一些特定方向，沿此方向入射的自然光不發(fā)生雙折射現(xiàn)象。折射現(xiàn)象。 單軸晶體：?jiǎn)屋S晶體：只有一個(gè)光軸的晶體。只有一個(gè)光軸的晶體。主要為主要為四方晶系、六角晶系、三角晶系等四方晶系、六角晶系、三角晶系等晶體晶體, ,如如方解石（六角）、石英（三角）、鈮酸鋰（三角）、冰方解石（六角）、石英

10、（三角）、鈮酸鋰（三角）、冰（三角）、紅寶石（三角）、金紅石（四方）等。（三角）、紅寶石（三角）、金紅石（四方）等。 雙軸晶體：雙軸晶體：包含兩個(gè)光軸的晶體。包含兩個(gè)光軸的晶體。主要為主要為正交晶系、單斜晶系、三斜晶系正交晶系、單斜晶系、三斜晶系等晶體等晶體, ,如云母（單斜）、黃玉（正交）、鈮酸鉀（正交）等。如云母（單斜）、黃玉（正交）、鈮酸鉀（正交）等。自然界中的晶體大多是雙軸的。自然界中的晶體大多是雙軸的。 說明：說明：晶體的光軸與光學(xué)系統(tǒng)的光軸不同，僅僅表示了晶體中的一個(gè)特定晶體的光軸與光學(xué)系統(tǒng)的光軸不同，僅僅表示了晶體中的一個(gè)特定方向，并非沿該方向上的某些特殊光線。方向，并非沿該方向

11、上的某些特殊光線。 6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.2 雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象(1) 單軸晶體與雙軸晶體單軸晶體與雙軸晶體主截面：主截面：包含晶體光軸與界面法線的平面包含晶體光軸與界面法線的平面 主平面：主平面：包含光軸及所考察光線的平面包含光軸及所考察光線的平面 說明：說明：主截面的方位由晶體自身特性決定，且始終垂直于晶體的表面；主主截面的方位由晶體自身特性決定，且始終垂直于晶體的表面；主平面的方位則取決于光線及晶體光軸的取向平面的方位則取決于光線及晶體光軸的取向；當(dāng)主平面平行于入射當(dāng)主平面平行于入射面時(shí)，主截面也平行于入射面面時(shí)，主截面

12、也平行于入射面。 6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.2 雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象(2) 單軸晶體中的單軸晶體中的主截面與主平面主截面與主平面法法線線主平面主平面主平面主平面光軸光軸主主截截面面自然光自然光晶體晶體法法線線主平面主平面光軸光軸主截面主截面入射面入射面自然光自然光晶體晶體主平面主平面主截面與主平面主截面與主平面v o光光線始終位于入射面內(nèi)，而偏振面垂直于光光線始終位于入射面內(nèi)，而偏振面垂直于o光主平面光主平面；e光光線可能光光線可能不在入射面內(nèi)，但其偏振面始終平行于不在入射面內(nèi)，但其偏振面始終平行于e光主平面光主平面。v 光軸位于入

13、射面內(nèi)（主截面與入射面重合）時(shí)，光軸位于入射面內(nèi)（主截面與入射面重合）時(shí)，o光與光與e光主平面重合光主平面重合且與主截面重合，因而兩折射光線的偏振面嚴(yán)格正交。且與主截面重合，因而兩折射光線的偏振面嚴(yán)格正交。v 光軸不在入射面內(nèi)（主截面與入射面不重合）時(shí)，光軸不在入射面內(nèi)（主截面與入射面不重合）時(shí)，o光與光與e光主平面嚴(yán)光主平面嚴(yán)格講并不平行，但其夾角一般很小，故可近似認(rèn)為其偏振面正交。格講并不平行，但其夾角一般很小，故可近似認(rèn)為其偏振面正交。 6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.2 雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象尋常光（尋常光（o光）：光）：?jiǎn)屋S晶體中

14、單軸晶體中始終滿足折射定律的光束始終滿足折射定律的光束非常光（非常光（e光）：光）：?jiǎn)屋S晶體中單軸晶體中一般不滿足折射定律的光束一般不滿足折射定律的光束（折射角的正弦（折射角的正弦與入射角的正弦之比不為常數(shù)，取決于入射光線和晶體與入射角的正弦之比不為常數(shù)，取決于入射光線和晶體的取向）的取向） (3) 單軸晶體中的尋常光與非常光單軸晶體中的尋常光與非常光說明：說明：平面偏振光入射時(shí)平面偏振光入射時(shí)o o光與光與e e光的振幅：光的振幅：cos,sineoAAAA(6.1-2) 22e22ocos,sinAIAI(6.1-3) A：入射平面偏振光的振幅；入射平面偏振光的振幅； ：偏振面與晶體主截面

15、夾角；垂直入射。偏振面與晶體主截面夾角；垂直入射。平面偏振光入射時(shí)平面偏振光入射時(shí)o o光與光與e e光的強(qiáng)度：光的強(qiáng)度：自然光入射時(shí)自然光入射時(shí)o光與光與e光的強(qiáng)度光的強(qiáng)度：20eoIII(6.1-1) I0：入射自然光的強(qiáng)度，不考慮晶體表面入射自然光的強(qiáng)度，不考慮晶體表面的反射損耗。的反射損耗。圖圖6.1-4 單軸晶體的雙折射單軸晶體的雙折射 AeAoA入射面法線入射面法線6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.2 雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象(4) 單軸晶體的雙折射單軸晶體的雙折射 自然光在雙軸晶體中一般也分解為兩束折射光，并且兩束折射光的偏自然光

16、在雙軸晶體中一般也分解為兩束折射光，并且兩束折射光的偏振面通常可以近似認(rèn)為相互正交。但雙軸晶體中的兩束折射光一般都不滿振面通?？梢越普J(rèn)為相互正交。但雙軸晶體中的兩束折射光一般都不滿足折射定律，故足折射定律，故雙軸晶體的兩束折射光都是非常光，不存在尋常光。雙軸晶體的兩束折射光都是非常光，不存在尋常光。 結(jié)論：結(jié)論：入射光的偏振面與晶體主截面正交，即入射光的偏振面與晶體主截面正交，即 =p p/2時(shí)，時(shí)，Io=A2，Ie=0；入；入射光的偏振面與晶體主截面平行，即射光的偏振面與晶體主截面平行，即 =p p時(shí)，時(shí)， Io=0，Ie=A2。(6.1-4) 2eotanII一般情況下：一般情況下：6.

17、1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.2 雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象(5) 雙軸晶體的雙折射雙軸晶體的雙折射(1) 晶體中波面的形狀晶體中波面的形狀 惠更斯假設(shè)惠更斯假設(shè) 在單軸晶體中，在單軸晶體中，o光子波的波面為球面光子波的波面為球面，因而沿各個(gè)方向的傳播速度，因而沿各個(gè)方向的傳播速度相等；相等；e子波的波面為旋轉(zhuǎn)橢球面子波的波面為旋轉(zhuǎn)橢球面，因而沿各個(gè)方向的傳播速度不相等；，因而沿各個(gè)方向的傳播速度不相等；兩個(gè)波面在晶體的光軸方向相切，因而任何子波沿光軸方向的傳播速度相兩個(gè)波面在晶體的光軸方向相切，因而任何子波沿光軸方向的傳播速度相同，不發(fā)生雙折射

18、現(xiàn)象。同，不發(fā)生雙折射現(xiàn)象。 6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.3 雙折射現(xiàn)象的理論解釋雙折射現(xiàn)象的理論解釋單軸晶體中的波面單軸晶體中的波面惠更斯假設(shè)惠更斯假設(shè) (a) 正晶體正晶體光軸光軸vove(b) 負(fù)晶體負(fù)晶體光軸光軸vevo構(gòu)成晶體的原子、分子或離子構(gòu)成晶體的原子、分子或離子三維三維偶極振子偶極振子。偶極振子。偶極振子在入射光波電場(chǎng)作用下在入射光波電場(chǎng)作用下產(chǎn)生受迫振動(dòng)產(chǎn)生受迫振動(dòng)，振動(dòng)頻率與入射光波頻率相，振動(dòng)頻率與入射光波頻率相同，振動(dòng)方向與入射光波電場(chǎng)強(qiáng)度矢量方向同，振動(dòng)方向與入射光波電場(chǎng)強(qiáng)度矢量方向相同。受迫振動(dòng)的結(jié)果，將

19、發(fā)射次級(jí)子波，相同。受迫振動(dòng)的結(jié)果，將發(fā)射次級(jí)子波，子波頻率與入射光波及偶極振子的振動(dòng)頻率子波頻率與入射光波及偶極振子的振動(dòng)頻率相同相同，子波的相速度與偶極振子沿給定方向子波的相速度與偶極振子沿給定方向的極化響應(yīng)有關(guān)的極化響應(yīng)有關(guān)。6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.3 雙折射現(xiàn)象的理論解釋雙折射現(xiàn)象的理論解釋 偶極振子理論偶極振子理論偶極振子假設(shè)：偶極振子假設(shè)：zxpxypzOpy偶極振子模型偶極振子模型構(gòu)成各向同（構(gòu)成各向同（異異）性晶體的偶極振子沿任何方向的極化響應(yīng)相（）性晶體的偶極振子沿任何方向的極化響應(yīng)相（不不）同。極化響應(yīng)的各向異

20、性，同。極化響應(yīng)的各向異性，導(dǎo)致入射光波中振動(dòng)方向不同的成分在晶體中導(dǎo)致入射光波中振動(dòng)方向不同的成分在晶體中的傳播速度不同，從而偏折方向不同，即出現(xiàn)雙折射。的傳播速度不同，從而偏折方向不同，即出現(xiàn)雙折射。 引起偶極振子沿垂直于光軸方向作引起偶極振子沿垂直于光軸方向作受迫振動(dòng)，從而發(fā)出振動(dòng)方向垂直于紙平受迫振動(dòng)，從而發(fā)出振動(dòng)方向垂直于紙平面的次級(jí)偏振子波。由于沿任意方向傳播面的次級(jí)偏振子波。由于沿任意方向傳播的光波均引起偶極振子相同的極化響應(yīng)的光波均引起偶極振子相同的極化響應(yīng)p，因此該光波因此該光波在晶體中在晶體中引起的引起的子波沿各個(gè)方子波沿各個(gè)方向的傳播速度相同向的傳播速度相同（設(shè)為（設(shè)為v

21、），相應(yīng)的），相應(yīng)的波面與主平面的交線為一個(gè)圓波面與主平面的交線為一個(gè)圓。 振動(dòng)方向垂直于主平面的入射光波：振動(dòng)方向垂直于主平面的入射光波：6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.3 雙折射現(xiàn)象的理論解釋雙折射現(xiàn)象的理論解釋圖圖6.1-5 單軸晶體中子波的波面單軸晶體中子波的波面(a)光軸光軸Ovvv構(gòu)成單軸晶體的偶極振子具有兩種極化響應(yīng)，構(gòu)成單軸晶體的偶極振子具有兩種極化響應(yīng)，分別對(duì)應(yīng)著分別對(duì)應(yīng)著垂直于光軸垂直于光軸方向的光振動(dòng)（設(shè)為方向的光振動(dòng)（設(shè)為p）和和平行于光軸方向光振動(dòng)（設(shè)為平行于光軸方向光振動(dòng)（設(shè)為p）。）。單軸晶體的偶極振子模型：

22、單軸晶體的偶極振子模型：當(dāng)振動(dòng)方向垂直于光軸（沿光軸方向傳播）時(shí)，相應(yīng)的子波相速度取當(dāng)振動(dòng)方向垂直于光軸（沿光軸方向傳播）時(shí)，相應(yīng)的子波相速度取決于極化響應(yīng)決于極化響應(yīng)p（即為（即為v）；當(dāng)振動(dòng)方向平行于光軸時(shí)（沿垂直于光軸）；當(dāng)振動(dòng)方向平行于光軸時(shí)（沿垂直于光軸方向傳播）時(shí)，相應(yīng)的子波相速度取決于極化響應(yīng)方向傳播）時(shí)，相應(yīng)的子波相速度取決于極化響應(yīng)p（設(shè)為（設(shè)為v）。對(duì)于）。對(duì)于沿任意方向傳播的光波，其振動(dòng)方向可分解為平行和垂直于光軸方向兩個(gè)沿任意方向傳播的光波，其振動(dòng)方向可分解為平行和垂直于光軸方向兩個(gè)分量，因而相應(yīng)的子波傳播速度（設(shè)為分量，因而相應(yīng)的子波傳播速度（設(shè)為v）介于）介于v和和

23、v之間，之間，子波的波面子波的波面與主平面的交線為一個(gè)橢圓與主平面的交線為一個(gè)橢圓。 振動(dòng)方向與主平面平行的入射光波：振動(dòng)方向與主平面平行的入射光波：6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.3 雙折射現(xiàn)象的理論解釋雙折射現(xiàn)象的理論解釋圖圖6.1-5 單軸晶體中子波的波面單軸晶體中子波的波面(b)光軸光軸Ovv結(jié)論：結(jié)論：對(duì)于單軸晶體，對(duì)于單軸晶體，尋常光的振動(dòng)面垂直于主平面，其波面為球面尋常光的振動(dòng)面垂直于主平面，其波面為球面，相相應(yīng)的速度應(yīng)的速度v=vo；非常光的偏振面平行于主平面，其波面近似為一非常光的偏振面平行于主平面，其波面近似為一繞光軸

24、的旋轉(zhuǎn)橢球面繞光軸的旋轉(zhuǎn)橢球面，相應(yīng)的速度相應(yīng)的速度v=ve。兩種光波的波面在光軸兩種光波的波面在光軸方向相切，其切點(diǎn)連線方向即光軸方向方向相切，其切點(diǎn)連線方向即光軸方向。 6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.3 雙折射現(xiàn)象的理論解釋雙折射現(xiàn)象的理論解釋正晶體：正晶體：橢球的半長(zhǎng)軸等于球面半徑橢球的半長(zhǎng)軸等于球面半徑，vo（v）ve（v） 負(fù)晶體：負(fù)晶體：橢球的半短軸等于球面半徑橢球的半短軸等于球面半徑，vo（v）ve，none；負(fù)晶體負(fù)晶體：vone。 6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.

25、3 雙折射現(xiàn)象的理論解釋雙折射現(xiàn)象的理論解釋(2) 單軸晶體的主折射率單軸晶體的主折射率說明：說明：?jiǎn)屋S晶體的光軸垂直于入射面時(shí)，所產(chǎn)生的非常折射光也滿足折射單軸晶體的光軸垂直于入射面時(shí)，所產(chǎn)生的非常折射光也滿足折射定律。只是相應(yīng)的折射率為定律。只是相應(yīng)的折射率為ne，即，即n1sin i1=nesin i2e。一般情況下，。一般情況下，對(duì)于波矢量方向與光軸夾角為對(duì)于波矢量方向與光軸夾角為 的的非常光，其折射率為非常光，其折射率為 22o22e2e2o2sincosnnnnn(6.1-6) 表表6.1-1 單軸晶體的主折射率單軸晶體的主折射率 晶體晶體入射光波長(zhǎng)入射光波長(zhǎng)/ /nmnone方解

26、石方解石589.31.65481.4864電氣石電氣石589.31.6691.638紅寶石紅寶石706.51.763921.75501鈮酸鋰鈮酸鋰632.82.28842.2019石英石英589.31.544241.55335冰冰589.31.3091.310金紅石金紅石589.32.6162.903鋯石鋯石589.31.9231.9686.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.3 雙折射現(xiàn)象的理論解釋雙折射現(xiàn)象的理論解釋e光波矢量光波矢量kOxz （以負(fù)單軸晶體為例：（以負(fù)單軸晶體為例：vone） 光軸平行于入射面，并與界面相交一角度。光軸平行于

27、入射面，并與界面相交一角度。 圖圖6.1-7 光軸平行入射面時(shí)負(fù)單軸晶體內(nèi)的光線方向光軸平行入射面時(shí)負(fù)單軸晶體內(nèi)的光線方向(b) 傾斜入射傾斜入射cn1eeoo晶晶體體(a) 垂直入射垂直入射ccn1eeoo晶晶體體結(jié)論：結(jié)論：無論是垂直入射還是斜入射，無論是垂直入射還是斜入射，o光與光與e光分開，但因主截面與入射面光分開，但因主截面與入射面重合，故重合，故o光主平面與光主平面與e光主平面重合，光主平面重合，e光仍位于入射面內(nèi)。光仍位于入射面內(nèi)。o光光光光線方向與波面正交，線方向與波面正交，e光則不一定垂直于波面。光則不一定垂直于波面。 6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與

28、光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.3 雙折射現(xiàn)象的理論解釋雙折射現(xiàn)象的理論解釋(3) 單軸晶體中的光線方向單軸晶體中的光線方向 光軸同時(shí)平行于入射面和界面，平面波入射。光軸同時(shí)平行于入射面和界面，平面波入射。結(jié)論：結(jié)論：主截面與入射面重合，故主截面與入射面重合，故o光與光與e光主平面重合，振動(dòng)方向正交。光主平面重合，振動(dòng)方向正交。垂垂直入射時(shí)，直入射時(shí)，o光與光與e光不分開，只是速度不同，分別為光不分開，只是速度不同，分別為vo和和ve。斜入射。斜入射時(shí)，時(shí)，o光按光按no折射，折射，e光按光按ne折射，折射，e光偏離光偏離o光，不滿足折射定律。光，不滿足折射定律。 圖圖6.1-8 光軸同時(shí)平行

29、入射面和界面時(shí)負(fù)單軸晶體內(nèi)的光線方向光軸同時(shí)平行入射面和界面時(shí)負(fù)單軸晶體內(nèi)的光線方向(a) 垂直入射垂直入射cn1eeoo晶晶體體(b) 傾斜入射傾斜入射cn1eeoo晶晶體體6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.3 雙折射現(xiàn)象的理論解釋雙折射現(xiàn)象的理論解釋 光軸平行于入射面，但與界面垂直，平行光入射。光軸平行于入射面，但與界面垂直，平行光入射。 結(jié)論：結(jié)論：o光和光和e光波面與入射面的交線分別為圓和橢圓，主平面、主截面與入光波面與入射面的交線分別為圓和橢圓，主平面、主截面與入射面重合，射面重合，o光與光與e光振動(dòng)方向正交。光振動(dòng)方向正交。垂直

30、入射時(shí)，垂直入射時(shí)，o光與光與e光不分開，光不分開，且速度均為且速度均為vo。斜入射時(shí)，。斜入射時(shí)，o光與光與e光分開，光分開，e光不滿足折射定律。光不滿足折射定律。 圖圖6.1-9 光軸平行入射面但垂直于界面時(shí)負(fù)單軸晶體內(nèi)的光線方向光軸平行入射面但垂直于界面時(shí)負(fù)單軸晶體內(nèi)的光線方向(a) 垂直入射垂直入射cn1eeoo晶晶體體(b) 傾斜入射傾斜入射cn1晶晶體體eoeo6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.3 雙折射現(xiàn)象的理論解釋雙折射現(xiàn)象的理論解釋 光軸垂直于入射面，但與界面平行，平面波入射。光軸垂直于入射面，但與界面平行，平面波入射。

31、結(jié)論：結(jié)論：o光和光和e光波面與入射面交線均為圓光波面與入射面交線均為圓。主截面與入射面正交。垂直入射。主截面與入射面正交。垂直入射時(shí)，時(shí)，o光與光與e光不分開，仍按原方向行進(jìn)，但速度不同，因而兩束光產(chǎn)光不分開，仍按原方向行進(jìn)，但速度不同，因而兩束光產(chǎn)生的相位延遲不同，取決于各自的主折射率生的相位延遲不同，取決于各自的主折射率no和和ne。斜入射時(shí)，。斜入射時(shí)，o光與光與e光因分別按光因分別按no和和ne折射而分開，主平面不重合，但振動(dòng)面正交。折射而分開，主平面不重合，但振動(dòng)面正交。 圖圖6.1-10 光軸垂直于入射面但平行于界面時(shí)負(fù)單軸晶體內(nèi)的光線方向光軸垂直于入射面但平行于界面時(shí)負(fù)單軸晶體

32、內(nèi)的光線方向(a) 垂直入射垂直入射cn1eeoo晶晶體體(b) 傾斜入射傾斜入射cn1晶晶體體eoeo6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.1.3 雙折射現(xiàn)象的理論解釋雙折射現(xiàn)象的理論解釋 光軸不在入射面內(nèi)，亦不在晶體界面內(nèi)。光軸不在入射面內(nèi)，亦不在晶體界面內(nèi)。 結(jié)論：結(jié)論：o光方向仍位于入射面內(nèi)，但光方向仍位于入射面內(nèi)，但e光因橢球面與波面的切點(diǎn)不在入射面光因橢球面與波面的切點(diǎn)不在入射面內(nèi)而偏離入射面，因而內(nèi)而偏離入射面，因而o光與光與e光主平面不重合。光主平面不重合。 6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與

33、光調(diào)制6.1.3 雙折射現(xiàn)象的理論解釋雙折射現(xiàn)象的理論解釋本節(jié)重點(diǎn)本節(jié)重點(diǎn)6.1 晶體的雙折射現(xiàn)象晶體的雙折射現(xiàn)象6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制1. 晶體光軸的物理意義晶體光軸的物理意義 2. 單軸晶體的雙折射特點(diǎn)單軸晶體的雙折射特點(diǎn) 3. 單軸晶體中單軸晶體中o光和光和e光的傳播特點(diǎn)光的傳播特點(diǎn) 6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制主要內(nèi)容主要內(nèi)容1. 起偏與檢偏器件起偏與檢偏器件 2. 相位延遲器件相位延遲器件波片波片 基于布儒斯特定律：基于布儒斯特定律：界面反射（偏振分光

34、棱鏡）、波片堆、布儒斯特窗界面反射（偏振分光棱鏡）、波片堆、布儒斯特窗 基于晶體的雙折射原理：基于晶體的雙折射原理：雙折射棱鏡雙折射棱鏡 (1) 渥拉斯頓棱鏡渥拉斯頓棱鏡 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：由由兩塊光軸平行于各自端面且相互正交的直角棱鏡膠合兩塊光軸平行于各自端面且相互正交的直角棱鏡膠合而成而成 用途：用途：可可獲得兩束彼此分開且偏振面正交的平面偏振光獲得兩束彼此分開且偏振面正交的平面偏振光 6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2.1 起偏與檢偏器件起偏與檢偏器件常用材料：常用材料：兩光束夾角：兩光束夾角： tanarcsin2eonn (6.2-1) 方解石晶

35、體（方解石晶體（none） 圖圖6.2-1 渥拉斯頓棱鏡（負(fù)晶體）渥拉斯頓棱鏡（負(fù)晶體）BCDeooeAcc說明：說明： 渥拉斯頓棱鏡的推廣形式：渥拉斯頓棱鏡的推廣形式：洛匈棱鏡，玻璃洛匈棱鏡，玻璃+方解石棱鏡方解石棱鏡6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2.1 起偏與檢偏器件起偏與檢偏器件 若用石英晶體做棱鏡若用石英晶體做棱鏡，則，則no nD ne=1.4864） 。 6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2.1 起偏與檢偏器件起偏與檢偏器件(2) 尼科耳棱鏡尼科耳棱鏡圖圖6.2-4 尼科耳棱鏡（負(fù)晶體）尼科耳棱

36、鏡（負(fù)晶體）cD48oABCD68oA71ocA（C）B（D）c 工作原理：工作原理：自然光沿晶體長(zhǎng)棱方向（自然光沿晶體長(zhǎng)棱方向（AC或或BD）進(jìn)入晶體后，分解為偏）進(jìn)入晶體后，分解為偏向略有不同的向略有不同的o光和光和e光。在樹膠層光。在樹膠層AD處，處，o光的入射角光的入射角（io=76o）大于全反射臨界角（）大于全反射臨界角（ioc=70o），經(jīng)樹膠層全部反），經(jīng)樹膠層全部反射至被涂黑的棱鏡側(cè)壁；射至被涂黑的棱鏡側(cè)壁；e光因不滿足全反射條件而透過樹光因不滿足全反射條件而透過樹膠層，故由棱鏡出射的光束變?yōu)槟z層，故由棱鏡出射的光束變?yōu)橐皇衩嫫叫杏诰w主截一束偏振面平行于晶體主截面和入射面

37、的平面偏振光面和入射面的平面偏振光。 6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2.1 起偏與檢偏器件起偏與檢偏器件結(jié)論：結(jié)論：與玻片堆類似，尼科耳棱鏡可以用作起偏和檢偏器。與玻片堆類似，尼科耳棱鏡可以用作起偏和檢偏器。 尼科耳棱鏡分光原理尼科耳棱鏡分光原理cDoABCeCDc說明：說明：平面偏振光進(jìn)入尼科耳棱鏡時(shí)，若偏振面平行（平面偏振光進(jìn)入尼科耳棱鏡時(shí)，若偏振面平行（垂直垂直）于晶體的主）于晶體的主截面，則將作為截面，則將作為e（o）光全部透過（光全部透過（損耗掉損耗掉）；若偏振面與晶體的）；若偏振面與晶體的主截面夾角為主截面夾角為 ，則只有其在主截面上的

38、投影分量可以穿過棱鏡，且，則只有其在主截面上的投影分量可以穿過棱鏡，且透射光強(qiáng)度大小由馬呂斯定律確定。透射光強(qiáng)度大小由馬呂斯定律確定。 缺陷：缺陷：a. 入射光錐角不能太大，否則透射光的偏振度降低；入射光錐角不能太大，否則透射光的偏振度降低；6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2.1 起偏與檢偏器件起偏與檢偏器件b. 加拿大樹膠對(duì)紫外光不透明，不能用于紫外光；加拿大樹膠對(duì)紫外光不透明，不能用于紫外光；c. 透射光相對(duì)入射光產(chǎn)生平移，同軸性不好。透射光相對(duì)入射光產(chǎn)生平移，同軸性不好。 格蘭棱鏡：格蘭棱鏡：尼科耳棱鏡的一種改進(jìn)形式，由尼科耳棱鏡的一種改進(jìn)形式

39、，由兩塊直角棱鏡膠合兩塊直角棱鏡膠合而成。而成。 格蘭格蘭- -傅科棱鏡：傅科棱鏡：兩直角棱鏡的光軸均平行于棱鏡端面，同時(shí)平行（或垂直）兩直角棱鏡的光軸均平行于棱鏡端面，同時(shí)平行（或垂直）于入射面，兩棱鏡斜邊之間以空氣間隔代替加拿大樹膠，于入射面，兩棱鏡斜邊之間以空氣間隔代替加拿大樹膠，棱鏡角大于棱鏡角大于o光（但小于光（但小于e光）臨界角（光）臨界角（ =38.5o，ico=37.5o，ice=42.6o），），既可使紫外既可使紫外光透過光透過（透光波段（透光波段230nm5000nm），又可），又可使使o光和光和e光的臨界角減小光的臨界角減小，從而從而使棱鏡的長(zhǎng)寬比減小使棱鏡的長(zhǎng)寬比減小。

40、 6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2.1 起偏與檢偏器件起偏與檢偏器件(3) 格蘭棱鏡格蘭棱鏡圖圖6.2-5格蘭格蘭-傅科棱鏡（負(fù)晶體）傅科棱鏡（負(fù)晶體）吸光涂層吸光涂層cc38.5o38.5o(a)吸光涂層吸光涂層38.5oc38.5o(b)c兩個(gè)直角棱鏡的光軸同時(shí)平行于棱鏡端面和入射面，兩棱鏡的斜邊兩個(gè)直角棱鏡的光軸同時(shí)平行于棱鏡端面和入射面，兩棱鏡的斜邊之間以亞麻油代替加拿大樹膠之間以亞麻油代替加拿大樹膠，棱鏡角大于，棱鏡角大于o光（但小于光（但小于e光）臨界角，光）臨界角，故故出射光仍然是偏振面平行于入射面和晶體主截面的平面偏振光，并且出射光

41、仍然是偏振面平行于入射面和晶體主截面的平面偏振光，并且出射光束相對(duì)入射光束不產(chǎn)生橫向平移出射光束相對(duì)入射光束不產(chǎn)生橫向平移。此外，可以根據(jù)對(duì)入射光束孔。此外，可以根據(jù)對(duì)入射光束孔徑角的不同需要而取不同長(zhǎng)寬比。徑角的不同需要而取不同長(zhǎng)寬比。 圖圖6.1-6 格蘭格蘭- -湯湯普森普森棱鏡（負(fù)晶體）棱鏡（負(fù)晶體）occe6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2.1 起偏與檢偏器件起偏與檢偏器件格蘭格蘭- -湯普森棱鏡：湯普森棱鏡：晶體的二向色性：晶體的二向色性：某些單軸晶體（電氣石、硫酸碘奎寧等）某些單軸晶體（電氣石、硫酸碘奎寧等）對(duì)對(duì)o光和光和e光強(qiáng)光強(qiáng)烈的

42、選擇吸收特性烈的選擇吸收特性 二向色性偏振片：二向色性偏振片：根據(jù)晶體二向色性原理制成的偏振片。能夠?qū)⑷肷涔庵懈鶕?jù)晶體二向色性原理制成的偏振片。能夠?qū)⑷肷涔庵械牡膐光分量全部吸收，而光分量全部吸收，而e光分量全部透過，從而使透射光分量全部透過，從而使透射光變?yōu)槠衩嫫叫杏诰w光軸的平面偏振光。光變?yōu)槠衩嫫叫杏诰w光軸的平面偏振光。 單晶體二向色性偏振片：?jiǎn)尉w二向色性偏振片：平行于光軸切割并加工成表面平行的電氣石晶片平行于光軸切割并加工成表面平行的電氣石晶片 人造偏振片：人造偏振片：如如H偏振片，一種經(jīng)偏振片，一種經(jīng)加熱、拉伸、浸碘處理的聚乙烯醇薄膜加熱、拉伸、浸碘處理的聚乙烯醇薄膜。 優(yōu)點(diǎn)

43、：優(yōu)點(diǎn)：面積可以做得很大，有效孔徑幾乎達(dá)面積可以做得很大，有效孔徑幾乎達(dá)180o，且工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。，且工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：對(duì)黃色自然光的透過率低，約為對(duì)黃色自然光的透過率低，約為30%，因而略帶墨綠色。，因而略帶墨綠色。6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2.1 起偏與檢偏器件起偏與檢偏器件(4) 二向色性偏振片二向色性偏振片結(jié)構(gòu)原理：結(jié)構(gòu)原理：類似于導(dǎo)電線柵原理，用拉直的細(xì)導(dǎo)線做成密排線柵（金質(zhì)線類似于導(dǎo)電線柵原理，用拉直的細(xì)導(dǎo)線做成密排線柵（金質(zhì)線柵，柵，d=5.0810-4mm），當(dāng)入射自然光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于柵距時(shí)，），當(dāng)入射自然光的

44、波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于柵距時(shí)，其振動(dòng)方向平行于柵線的偏振分量幾乎被柵線全部反射，而振其振動(dòng)方向平行于柵線的偏振分量幾乎被柵線全部反射，而振動(dòng)方向垂直于柵線的偏振分量幾乎全部通過。動(dòng)方向垂直于柵線的偏振分量幾乎全部通過。6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2.1 起偏與檢偏器件起偏與檢偏器件(5) 線柵偏振器線柵偏振器線柵偏振器線柵偏振器特點(diǎn)：特點(diǎn)：工作波段很寬，幾乎在全波段內(nèi)都具有良好的起偏性能，且抗光工作波段很寬，幾乎在全波段內(nèi)都具有良好的起偏性能，且抗光損傷閾值高，是中遠(yuǎn)紅外波段較理想的偏振器。損傷閾值高，是中遠(yuǎn)紅外波段較理想的偏振器。結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：兩片具有特定折

45、射率的光學(xué)玻璃與具有高雙折射的晶體構(gòu)成的三明兩片具有特定折射率的光學(xué)玻璃與具有高雙折射的晶體構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)治結(jié)構(gòu) 工藝：工藝：將兩片將兩片ZK2（重冕）玻璃的一面磨毛，并將其毛面相對(duì)平行放置，（重冕）玻璃的一面磨毛，并將其毛面相對(duì)平行放置，其間很小的縫隙中灌滿硝酸鈉（其間很小的縫隙中灌滿硝酸鈉（NaNO3）溶液，并將空氣擠出。從）溶液，并將空氣擠出。從底部向上緩慢冷卻以使溶液形成硝酸鈉單晶，且其光軸沿冷卻方向。底部向上緩慢冷卻以使溶液形成硝酸鈉單晶，且其光軸沿冷卻方向。退火處理后，即成為散射型偏振片。退火處理后，即成為散射型偏振片。6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙

46、折射與光調(diào)制6.2.1 起偏與檢偏器件起偏與檢偏器件(6) 散射型偏振片散射型偏振片散射型偏振片散射型偏振片ZK2NaNO3光軸光軸原理：原理：硝酸鈉晶體對(duì)黃綠光的主折射率為硝酸鈉晶體對(duì)黃綠光的主折射率為no=1.5854，ne=1.3369；ZK2玻璃對(duì)黃綠光玻璃對(duì)黃綠光的折射率為的折射率為n=1.5831，非常接近，非常接近no，但與，但與ne相差較大。故相差較大。故o光將無障礙地通過光將無障礙地通過，e光光因界面的強(qiáng)烈散射而無法通過。因界面的強(qiáng)烈散射而無法通過。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：對(duì)可見光范圍的各種色光具有近乎相同的透過率，且面積可以較大。對(duì)可見光范圍的各種色光具有近乎相同的透過率，且面積可以較

47、大。(1) 單軸晶體中單軸晶體中o光與光與e光的相位差光的相位差 單軸晶片：?jiǎn)屋S晶片：?jiǎn)屋S晶體平行于光軸切割并加工而成的一塊表面平行的薄晶片單軸晶體平行于光軸切割并加工而成的一塊表面平行的薄晶片 設(shè)設(shè)晶片的光軸晶片的光軸c沿表面豎直方向沿表面豎直方向，則進(jìn)入晶體的，則進(jìn)入晶體的o（e ）光分量的振動(dòng)）光分量的振動(dòng)方向垂直于（方向垂直于（平行于平行于）光軸）光軸沿水平方向（沿水平方向（豎直方向豎直方向）。）。兩個(gè)偏振分量?jī)蓚€(gè)偏振分量同向傳播，在空間上不分開，但相位延遲不同。同向傳播，在空間上不分開，但相位延遲不同。圖圖6.2-7 平面偏振光在單軸晶體表面的分解平面偏振光在單軸晶體表面的分解AcA

48、oAe zc平面偏振光在單軸晶片表面的分解：平面偏振光在單軸晶片表面的分解：6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2.2 相位延遲器件相位延遲器件波片波片(6.2-2) cossineoAAAAo光和光和e光的振幅：光的振幅： o光和光和e光在距離晶片前表面為光在距離晶片前表面為z處的相位差：處的相位差： 負(fù)晶體正晶體002eoznn(6.2-3) 對(duì)于厚度為對(duì)于厚度為d的晶片，兩偏振分量在出射時(shí)的相位差：的晶片，兩偏振分量在出射時(shí)的相位差： 負(fù)晶體正晶體002eodnn(6.2-4) 結(jié)論：結(jié)論：平面偏振光垂直進(jìn)入光軸平行于表面的單軸晶片后，平面偏振光垂

49、直進(jìn)入光軸平行于表面的單軸晶片后，分解為傳播方分解為傳播方向相同但偏振面分別平行和垂直于光軸的兩個(gè)偏振分量向相同但偏振面分別平行和垂直于光軸的兩個(gè)偏振分量，兩偏振分，兩偏振分量的量的振幅比取決于入射光偏振面與晶片光軸的夾角振幅比取決于入射光偏振面與晶片光軸的夾角 。由于傳播速度。由于傳播速度不同，不同，兩偏振分量在晶體中同一點(diǎn)具有不同的相位延遲兩偏振分量在晶體中同一點(diǎn)具有不同的相位延遲，其，其相位差相位差取決于入射光波長(zhǎng)取決于入射光波長(zhǎng) 、晶體對(duì)兩偏振分量的折射率、晶體對(duì)兩偏振分量的折射率no和和ne，以及光波，以及光波在晶體中的傳播距離在晶體中的傳播距離z或晶片的厚度或晶片的厚度d。 6.2

50、 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2.2 相位延遲器件相位延遲器件波片波片快軸：快軸：晶片中晶片中與傳播速度較快的光振動(dòng)分量的偏振面平行的方向與傳播速度較快的光振動(dòng)分量的偏振面平行的方向 慢軸：慢軸：晶片中晶片中與傳播速度較慢的光振動(dòng)分量的偏振面平行的方向與傳播速度較慢的光振動(dòng)分量的偏振面平行的方向 快慢軸的正方向：快慢軸的正方向：按右手螺旋法則確定按右手螺旋法則確定 說明：說明：正單軸晶片正單軸晶片的快軸垂直于光軸或平行于的快軸垂直于光軸或平行于o o光偏振面，慢軸平行于光光偏振面，慢軸平行于光軸或軸或e e光偏振面；光偏振面；負(fù)單軸晶片負(fù)單軸晶片的的快慢

51、軸與快慢軸與正單軸晶片正單軸晶片相反相反。 6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2.2 相位延遲器件相位延遲器件波片波片(2) 單軸晶片的快慢軸單軸晶片的快慢軸光線光線光軸光軸快（慢）軸快（慢）軸慢（快）軸慢（快）軸光線光線光軸光軸/慢軸慢軸快軸快軸正正晶晶體體光線光線光軸光軸/快軸快軸慢軸慢軸負(fù)負(fù)晶晶體體定義：定義：厚度正比于四分之一波長(zhǎng)奇數(shù)倍的平行平面單軸晶片厚度正比于四分之一波長(zhǎng)奇數(shù)倍的平行平面單軸晶片，即，即 (6.2-5) 透過透過 /4片的片的o光和光和e光的相位差：光的相位差： 最小厚度：最小厚度： 最小相位差：最小相位差： eo412nn

52、jd212 jeo4nnd2(6.2-6) (6.2-7) (6.2-8) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：能使透射的能使透射的o光和光和e光產(chǎn)生光產(chǎn)生p p/2或其奇數(shù)倍大小的相位差或其奇數(shù)倍大小的相位差 ，j=0, 1, 2, 3, ，j=0, 1, 2, 3, （正號(hào)對(duì)應(yīng)負(fù)單軸晶體，負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)正單軸晶體）（正號(hào)對(duì)應(yīng)負(fù)單軸晶體，負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)正單軸晶體）6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2.2 相位延遲器件相位延遲器件波片波片(3) 四分之一波片（四分之一波片（ /4片）片） 定義：定義：厚度正比于二分之一波長(zhǎng)奇數(shù)倍的平行平面單軸晶片厚度正比于二分之一波長(zhǎng)奇數(shù)倍的平行平面單軸

53、晶片，即，即 (6.2-10) eo212nnjd透過透過 /2片的片的o光和光和e光的相位差：光的相位差： 12 j最小厚度：最小厚度： 最小相位差：最小相位差： e2nnd(6.2-9) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：能使透射的能使透射的o光和光和e光產(chǎn)生光產(chǎn)生p p 或其奇數(shù)倍大小的相位差或其奇數(shù)倍大小的相位差 (6.2-11) (6.2-12) （正號(hào)對(duì)應(yīng)負(fù)單軸晶體，負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)正單軸晶體）（正號(hào)對(duì)應(yīng)負(fù)單軸晶體，負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)正單軸晶體）6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2.2 相位延遲器件相位延遲器件波片波片(4) 二分之一波片（二分之一波片（ /2片）片），j=0,

54、1, 2, 3, ，j=0, 1, 2, 3, 定義：定義：厚度正比于波長(zhǎng)整數(shù)倍的平行平面單軸晶片厚度正比于波長(zhǎng)整數(shù)倍的平行平面單軸晶片，即，即 (6.2-14) 透過透過1 片的片的o光和光和o光的相位差：光的相位差： 最小厚度：最小厚度： 最小相位差：最小相位差： (6.2-13) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：能使透射的能使透射的o光和光和e光產(chǎn)生光產(chǎn)生2p p或其整數(shù)數(shù)倍大小的相位差或其整數(shù)數(shù)倍大小的相位差 (6.2-15) (6.2-16) eonnjd2 jeonnd2 （正號(hào)對(duì)應(yīng)負(fù)單軸晶體，負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)正單軸晶體）（正號(hào)對(duì)應(yīng)負(fù)單軸晶體，負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)正單軸晶體）6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射

55、與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2.2 相位延遲器件相位延遲器件波片波片(5) 全波片（全波片（1 片）片），j=0, 1, 2, 3, ，j=0, 1, 2, 3, v 兩塊兩塊 /4片平行疊置片平行疊置（快慢軸分別平行（快慢軸分別平行）時(shí)，其作用等效于一塊時(shí)，其作用等效于一塊 /2片；片；v 兩塊兩塊 / /2片平行疊置片平行疊置（快慢軸分別平行）（快慢軸分別平行）時(shí)，其作用等效于一塊時(shí)，其作用等效于一塊1 片；片；v 兩塊兩塊 /4片或片或 /2片正交疊置片正交疊置（第一塊晶片的快軸和慢軸分別與第二塊晶（第一塊晶片的快軸和慢軸分別與第二塊晶片的慢軸和快軸平行）片的慢軸和快軸平行）時(shí)，其作用

56、等效于一塊平行平面的玻璃板時(shí)，其作用等效于一塊平行平面的玻璃板。 說說 明明6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2.2 相位延遲器件相位延遲器件波片波片 /4 /4 /2（平行疊置）（平行疊置）平板玻璃（正交平板玻璃（正交疊置疊置） /2 /21 （平行疊置）（平行疊置）平板玻璃（正交平板玻璃（正交疊置疊置）定義：定義：能夠使透射的兩個(gè)正交平面偏振光分量的相位差任意改變能夠使透射的兩個(gè)正交平面偏振光分量的相位差任意改變的晶片的晶片 巴巴俾俾涅補(bǔ)償器：涅補(bǔ)償器：由兩塊光軸正交的直角石英棱鏡疊置而成由兩塊光軸正交的直角石英棱鏡疊置而成，用于細(xì)光束的，用于細(xì)光

57、束的相位補(bǔ)償調(diào)節(jié)。相位補(bǔ)償調(diào)節(jié)。 索累補(bǔ)償器：索累補(bǔ)償器：由兩塊光軸平行的石英直角楔與一塊光軸正交的平行平面石由兩塊光軸平行的石英直角楔與一塊光軸正交的平行平面石英晶片疊置而成英晶片疊置而成，可用于寬光束的相位補(bǔ)償。，可用于寬光束的相位補(bǔ)償。 6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.2.2 相位延遲器件相位延遲器件波片波片(6) 任意波片任意波片相位補(bǔ)償器相位補(bǔ)償器圖圖6.2-8 巴俾涅補(bǔ)償器巴俾涅補(bǔ)償器cc圖圖6.2-9 索累補(bǔ)償器索累補(bǔ)償器ccc本節(jié)重點(diǎn)本節(jié)重點(diǎn)6.2 晶體光學(xué)器件晶體光學(xué)器件6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制1. 渥拉斯頓棱鏡的結(jié)

58、構(gòu)及分光特點(diǎn)渥拉斯頓棱鏡的結(jié)構(gòu)及分光特點(diǎn) 2. 尼科耳棱鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用尼科耳棱鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用 3. 二向色性偏振片的工作原理及應(yīng)用二向色性偏振片的工作原理及應(yīng)用 4. 四分之一波片與二分之一波片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)四分之一波片與二分之一波片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 5. 巴畢涅補(bǔ)償器與索累補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用巴畢涅補(bǔ)償器與索累補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用 6.3 橢圓偏振光的獲得與檢驗(yàn)橢圓偏振光的獲得與檢驗(yàn)6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.3 橢圓偏振光的獲得與檢驗(yàn)橢圓偏振光的獲得與檢驗(yàn)6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制主要內(nèi)容主要內(nèi)容1. 正交振動(dòng)的平面偏振光的合成正交振動(dòng)的平面偏振光的合成 2

59、. 橢圓偏振光的獲得橢圓偏振光的獲得 3. 橢圓偏振光的檢驗(yàn)橢圓偏振光的檢驗(yàn) 假設(shè)：假設(shè)：兩同向傳播的平面偏振光波，頻率為兩同向傳播的平面偏振光波，頻率為w w，相位差為，相位差為 ，振動(dòng)方向分別，振動(dòng)方向分別沿沿x和和y方向，振幅分別為方向，振幅分別為Ax和和Ay, ,瞬時(shí)光矢量分別為瞬時(shí)光矢量分別為 wwtAEtAEyyxxcos,cos歸一化形式：歸一化形式： wwwwsinsincoscoscoscostttAEtAEyyxx兩式相減得：兩式相減得： wsinsincostAEAExxyy(6.3-1) (6.3-2) (6.3-3) 合光矢量末端的軌跡方程：合光矢量末端的軌跡方程：

60、22222sincos2yxyxyyxxAAEEAEAE(6.3-4) 6.3 橢圓偏振光的獲得與檢驗(yàn)橢圓偏振光的獲得與檢驗(yàn)6 光的雙折射與光調(diào)制光的雙折射與光調(diào)制6.3.1 正交振動(dòng)的平面偏振光的合成正交振動(dòng)的平面偏振光的合成圖圖6.3-1 正交振動(dòng)的合成正交振動(dòng)的合成xEyExyw wtAyAx意義：意義：合光矢量末端的軌跡為一個(gè)橢圓，該橢圓與以合光矢量末端的軌跡為一個(gè)橢圓，該橢圓與以Ex=Ax和和Ey=Ay為界的矩形框內(nèi)切，其旋轉(zhuǎn)方向及長(zhǎng)短軸的方位與兩疊加光波的為界的矩形框內(nèi)切，其旋轉(zhuǎn)方向及長(zhǎng)短軸的方位與兩疊加光波的相位差相位差 有關(guān)。有關(guān)。 6.3 橢圓偏振光的獲得與檢驗(yàn)橢圓偏振光的獲