參考00光學(xué)偏振5

1、2022/9/31Click to edit Master subtitle style濟(jì)南大學(xué) 物理學(xué)院光學(xué)optics2022/9/3光 學(xué)濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院普物教研室電子教案電子教案2光學(xué)課件目錄濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院2021-9-22022/9/35.1 晶體雙折射 5.1.1 雙折射現(xiàn)象 基本定義與規(guī)律 5.1.2 單軸晶體中的波面 惠更斯假說 5.1.3 平面波在單軸晶體內(nèi)的傳播 惠更斯作圖法5.2 晶體光學(xué)器件 偏振光的檢驗 5.2.1 線偏振器第五章 光在晶體中的傳播 2022/9/3第五章 光在晶體中的傳播 晶體 原子（離子或分子）呈空間周期性排列的固體。 一般晶體均具有空間各向異性，

2、在光學(xué)上表現(xiàn)為沿不同方向有不同的介電常數(shù)（即不同折射率）等。 方解石和石英是兩種常用的天然光學(xué)晶體，還有些晶體屬于人造光學(xué)晶體，晶體分為單軸晶體和雙軸晶體，還有少量晶體屬于多軸晶體。2022/9/3一、雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象：一束光入射到各向異性的媒質(zhì)中分成兩束(e,o)光的現(xiàn)象。演示實(shí)驗： 方解石以入射線為軸，轉(zhuǎn)方解石： 光點(diǎn)o不動,e 繞o轉(zhuǎn)，表明e光不遵循折射定律！5.1 晶體雙折射5.1.1 雙折射現(xiàn)象 基本定義與規(guī)律oeeo2022/9/32022/9/3光光當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時，o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)。雙折射紙面方解石 晶體雙折射現(xiàn)象演示2022/9/3光光雙折射紙面方解石 晶體雙

3、折射紙面方解石 晶體2022/9/3光光雙折射紙面方解石 晶體2022/9/3光光雙折射紙面方解石 晶體2022/9/3光光雙折射紙面方解石 晶體2022/9/3光光雙折射紙面方解石 晶體2022/9/3光光雙折射紙面方解石 晶體2022/9/3光光雙折射紙面方解石 晶體2022/9/3光光雙折射紙面方解石 晶體2022/9/3光光雙折射紙面方解石 晶體2022/9/3光光雙折射紙面方解石 晶體2022/9/3光光雙折射紙面方解石 晶體2022/9/3光光雙折射紙面方解石 晶體2022/9/3光光雙折射紙面方解石 晶體2022/9/3光光雙折射紙面方解石 晶體2022/9/3光光雙折射紙面方解

4、石 晶體2022/9/3光光雙折射紙面方解石 晶體2022/9/3光光雙折射紙面方解石 晶體2022/9/3光光雙折射紙面方解石 晶體演示結(jié)束2022/9/3二 、基本定義與規(guī)律1. o光與e光兩束光分別稱為尋常光（o光）和非尋常光（e光）。尋常光：遵從折射定律非尋常光：(1) 一般不遵從折射定律；(2) 一般折射線不在入射面內(nèi)。2022/9/32.晶體的光軸 晶體內(nèi)存在特殊方向，當(dāng)晶體內(nèi)的光沿此方向傳播時，不發(fā)生雙折射。這個方向叫做晶體的光軸。注意：光軸是一個方向，而不是一條線！晶體按光軸分類僅討論單軸晶體。單軸晶體；雙軸晶體；多軸晶體。2022/9/33.晶體的主截面晶體主截面：包含晶體光

5、軸并與晶體表面垂直的平面。入射表面法線與光軸組成的平面，主截面有許多個。4.o光主平面 e光主平面o光主平面o光光線與晶體光軸組成的平面。e光主平面e光光線與晶體光軸組成的平面。 當(dāng)入射光線在晶體主截面內(nèi)時，o光主平面、e光主平面還有晶體主截面重合。 o光主平面與e光主平面一般不重合，但兩平面夾角并不大。使用中一般采用后者。2022/9/35.o光與e光光矢量的振動方向用偏振片檢驗發(fā)現(xiàn)o 光、 e光均是線偏振光。o光的振動自己的主平面；e光的振動自己的主平面。 光軸在入射面時，入射面即為主平面；則o光振動入射面，e光振動入射面。由此可知：o光的振動方向e光的振動方向。oe特殊情況：2022/9

6、/35.1.2 單軸晶體中的波面 惠更斯假說利用惠更斯原理可確定光的傳播方向。在各項同性的介質(zhì)中惠更斯假說: 在單軸晶體中，一點(diǎn)光源所激發(fā)的 o 光和 e 光兩種擾動分別形成兩個波面：o 光波面為球面，e 光波面為旋轉(zhuǎn)橢球面，兩波面在晶體光軸方向相切。s2022/9/32022/9/3垂直于光軸方向的折射率稱為e光主折射率 。o 光在各方向傳播的速度相同；e光傳播速度隨傳播方向而變。折射率為常數(shù) .e光因各方向折射率不同，沿光軸方向傳播: e光的速度等于vo 。垂直于光軸方向傳播：與前一速度相差最大。2022/9/3o光：波射線處處與波面垂直e光: 除光軸和與光軸垂直方向外，不與波面垂直負(fù)晶體

7、（方解石）正晶體（石英）2022/9/3負(fù)晶體（方解石）正晶體（石英）o光子波面e光子波面點(diǎn)光源光軸光軸石英方解石2022/9/3幾種單軸晶體的折射率:名稱noneno- ne方解石1.65841.48640.1720電氣石1.66901.63800.0310白云石1.68111.50000.1811菱鐵礦1.87501.63500.2400石英1.54431.5534-0.0089冰1.30901.3130-0.00402022/9/3 5.1.3 平面波在單軸晶體內(nèi)的傳播惠更斯作圖法 利用惠更斯原理可通過作圖法得到光在晶體中的傳播方向。以負(fù)晶體方解石為例，對平面波入射進(jìn)行討論。2022/9

8、/3一、光軸在入射面內(nèi)并與晶體表面成一傾斜角且光線斜入射空氣方解石步驟見課本P301。 以 為半徑，以A點(diǎn)為圓心畫o光的球面波，再畫出e光的橢球波。2022/9/3二、光軸在入射面內(nèi)并與晶體表面成一傾斜角且光線垂直入射e光o光空氣方解石2022/9/3三、光軸平行于晶體表面，且垂直于入射面光線垂直入射空氣方解石oe2022/9/3四 、光軸垂直于晶體表面，且在入射面內(nèi)光線垂直入射空氣方解石2022/9/3五、光軸平行于晶體表面，且在入射面內(nèi)光線垂直入射空氣方解石光軸oe2022/9/3六、光軸平行于晶體表面，且垂直于入射面光線斜入射空氣方解石這時兩光的主平面不重合。oe2022/9/3思考：1

9、、自然光沿光軸入射有無雙折射？2、線偏振光斜入射 光軸在入射面內(nèi)1) 入射振動入射面2)入射振動在入射面內(nèi)光軸3)入射振動在任意方向2022/9/35.2 晶體光學(xué)器件 偏振光的檢驗5.2.1 線偏振器在此主要討論由晶體制成的線偏振器。一、偏振棱鏡線偏振器入射自然光得到線偏振光的器件。 利用單軸晶體中的雙折射現(xiàn)象，將晶體制成各種棱鏡，可以獲得線偏振光，這種棱鏡稱為偏振棱鏡。偏振棱鏡從功能上分類起偏檢偏棱鏡；起偏分束棱鏡。2022/9/3起偏檢偏棱鏡尼科耳棱鏡格蘭型棱鏡常規(guī)尼科耳修改尼科耳斯蒂格型；阿倫斯型；哈爾型；格蘭-湯姆孫棱鏡；阿曼-馬塞棱鏡；阿倫斯棱鏡；格蘭-付科棱鏡；2022/9/3起

10、偏分束棱鏡沃拉斯頓棱鏡；洛匈棱鏡；塞那蒙特棱鏡；福斯特棱鏡；格蘭-湯姆孫分束棱鏡。 偏振棱鏡家族品種眾多，功能各異，我們只介紹起偏檢偏棱鏡中的尼科耳棱鏡、格蘭棱鏡；介紹分束棱鏡中的洛匈棱鏡、塞那蒙特棱鏡和沃拉斯頓棱鏡。2022/9/3 材料：方解石。尋常光和非常光的折射率分別為 和 （與主光軸成22o角入射時非常光折射率為 ）。1. 尼科耳棱鏡尼科耳棱鏡問世比較早，在起偏和檢偏用的比較廣泛。2022/9/3 取長度為寬度的3倍方解石晶體，兩個端面呈菱形，把兩個端面磨掉一部分，使主截面上角B從71o減小到68o，其目的是使 上下兩個極限角近乎相等。2022/9/3所以出射偏振方向在ABCD平面內(nèi)

11、的偏振光 e 光。 將磨制好的方解石沿AC 拋開，再用加拿大樹膠粘合到一起，就構(gòu)成了尼科耳棱鏡。 加拿大樹膠的折射率n=1.550，o光入射角77o大于o光的臨界角arc sin(1.550/1.6584)=69.16o，滿足全反射，被BD面涂黑層所吸收。而e光透射。入射光的視場角1402022/9/3尼科耳棱鏡的不足：1. 出射光的光線和入射光的光線不重合，轉(zhuǎn)動棱鏡時光束擺動；2. 視場角小，對入射角度大的光線（140）不能起偏和檢偏；3. 棱鏡尺寸大，所用方解石材料多。 （有幾種改進(jìn)的尼科耳棱鏡尺寸略微減?。?022/9/32. 格蘭棱鏡結(jié)構(gòu)如圖所示。 格蘭棱鏡是由兩塊方解石磨成光軸平行棱

12、邊的直角三棱鏡構(gòu)成。兩個斜面相互平行，中間為空氣層或用加拿大樹膠粘合。 適當(dāng)選擇角，使其大于o光的全反射臨界角，而小于e光的全反射臨界角。 光軸光軸格蘭棱鏡2022/9/3 光軸光軸 空氣膜 o 光滿足全反射時：一般要加1.4o, ，保證 o 光滿足全反射。2022/9/3 加拿大樹膠膜 o 光滿足全反射時：加1.4o, ，確保 o 光滿足全反射。 光軸光軸2022/9/3格蘭棱鏡的優(yōu)點(diǎn)：1. 消光比高；2. 視場角大；3. 視場內(nèi)的光場均勻偏振；4. 輸出光無側(cè)向位移，和輸入光共線；5. 用料省，制作成本低。這種棱鏡目前用得最多，廣泛用于起偏和檢偏。 光軸光軸2022/9/33. 洛匈棱鏡和

13、塞那蒙特棱鏡結(jié)構(gòu)如圖所示。洛匈棱鏡 洛匈棱鏡是由兩塊光軸方向相互垂直的方解石直角三棱鏡組成。光軸光軸（1）洛匈棱鏡2022/9/3（2）塞那蒙特棱鏡 塞那蒙特棱鏡是由兩塊光軸方向相互垂直的方解石直角三棱鏡組成。光軸光軸塞那蒙特棱鏡結(jié)構(gòu)如圖所示。2022/9/34、渥拉斯頓棱鏡 渥拉斯頓棱鏡是由兩塊光軸方向相互垂直的方解石直角三棱鏡組成。光軸光軸兩出射光間的夾角 為渥拉斯頓棱鏡2022/9/3二、利用二向色性制成的偏振片 某些雙折射晶體（例如電氣石）對于光振動垂直于光軸的線偏振光強(qiáng)烈吸收，1mm厚的電氣石就可以把o光全部吸收，光振動平行于光軸的e光幾乎無損耗的通過。這種對線偏振光的強(qiáng)烈的選擇吸收性質(zhì)，叫做二向色性。人們最早使用的偏振片就是電氣石磨制成的薄片。光軸光軸電氣石的二向色性自然光線偏光2022/9/3電氣石單晶2022/9/3 人造偏振片是由聚乙烯醇薄膜加熱拉伸浸碘制成.人造偏振片有造價低,面積大等優(yōu)點(diǎn)。人偏振片制作方法： 自然光過偏振片后, 變?yōu)檎駝用嫫叫杏谄衿廨S(透振方向),強(qiáng)度