双折射
《光学原理与应用》之双折射原理及应用
双折射原理及应用双折射（birefringence）是光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射的现象。
它们为振动方向互相垂直的线偏振光。
当光射入各向异性晶体(如方解石晶体）后，可以观察到有两束折射光，这种现象称为光的双折射现象。
两束折射线中的一束始终遵守折射定律这一束折射光称为寻常光，通常用o表示，简称o光；另一束折射光不遵守普通的折射定律这束光通常称为非常光，用e表示，简称e光。
晶体内存在着一个特殊方向,光沿这个方向传播时不产生双折射，即o光和e光重合，在该方向o光和e光的折射率相等，光的传播速度相等。
这个特殊的方向称为晶体的光轴.光轴”不是指一条直线，而是强调其“方向"。
晶体中某条光线与晶体的光轴所组成的平面称为该光线的主平面。
o光的主平面，e光的光振动在e光的主平面内。
如何解释双折射呢？惠更斯有这样的解释。
1．寻常光（o光）和非常光（e光）一束光线进入方解石晶体(碳酸钙的天然晶体）后,分裂成两束光能，它们沿不同方向折射，这现象称为双折射，这是由晶体的各向异性造成的。
除立方系晶体（例如岩盐）外，光线进入一般晶体时，都将产生双折射现象。
显然，晶体愈厚,射出的光束分得愈开.当改变入射角i时，o光恒遵守通常的折射定律，e光不符合折射定律。
2．光轴及主平面。
改变入射光的方向时，我们将发现，在方解石这类晶体内部有一确定的方向，光沿这个方向传播时，寻常光和非常光不再分开，不产生双折现象，这一方向称为晶体的光轴。
天然的方解石晶体，是六面棱体，有八个顶点，其中有两个特殊的顶点A和D，相交于A、D两点的棱边之间的夹角，各为102°的钝角．它的光轴方向可以这样来确定，从三个钝角相会合的任一顶点（A或D)引出一条直线，使它和晶体各邻边成等角，这一直线便是光轴方向.当然，在晶体内任何一条与上述光轴方向平行的直线都是光轴.晶体中仅具有一个光轴方向的,称为单轴晶体(例如方解石、石英等）。
11-12双折射
ve
vO
e 光波阵面
第十一章 光学
5
物理学
第五版
非常光线 晶 体中各方向上传播 速度不同,随方向 改变而改变.
ne
c ve
ne 为主折射率
11-12 双折射
光轴 O光波阵面
ve
vO
e 光波阵面
第十一章 光学
6
物理学
第五版
方解石晶体
光轴 在方解石这 类晶体中存在一个 特殊的方向，当光 线沿这一方向传播 时不发生双折射现 象.
物理学
第五版
11-12 双折射
一 双折射的寻常光和非寻常光
折射定律
i
双折射现象
方解石晶体
n
玻璃
sin i n 恒量
sin
波 动动光光学学
第十一章 光学
1
物理学
第五版
11-12 双折射
光通过双折射晶体
第十一章 光学
2
物理学
第五版
11-12 双折射
寻常光线 (ordinary rays)
服从折射定律的光线 非常光线 (extraordinray rays)
不服从折射定律的光线
（一般情况，非常光不在入射面内）
第十一章 光学
3
物理学
第五版
11-1偏振光.
AB
o
e D
C
oe
第十一章 光学
4
物理学
第五版
11-12 双折射
产生双折射的原因
寻常光线 在晶 体中各方向上传播 速度相同.
c nΟ vΟ 常量
光轴 O光波阵面
第十一章 光学
8
11-12 双折射
102 A 光轴
第5章--光的双折射及应用PPT课件
x
（a）通过半波长片
椭圆偏振光 z
x
0 < < 45o z E x
圆偏振光 z
45o
x
45o z E x（b）通过四分之一波长片 /2 Nhomakorabea.
（c）通过四分之一波长片 /2
18
1/4波片能使寻常光线与非寻常光线的
相位差变化/4
• 相位差不同，通过晶体的光波偏振态就不同。
• 例如，四分之一波片能使寻常光线与非寻常光线
半波延迟片 π
使线偏振光两个正交分量的相位差为180o
• 半波延迟片的厚度L使线偏振光两个正交分
量的相位差 π ，对应波长一半（/2）
的 延迟，其结果是分量E//与E 相比延迟了 180o。
• 此时，如果输入E与光轴的夹角是，那么 输出 E 与光轴的夹角就是 ，输出光与输
入光一样仍然是线偏振光，只是 E 逆时针
.
1
5.1 光的双折射效应
• 5.1.1 各向同性材料和各向异性材料 • 5.1.2 光的双折射效应 • 5.1.3 双折射的几种特例 • 5.1.4 晶体的双色性 • 5.1.5 光纤双折射效应
.
2
5.1.1 各向同性材料和各向异性材料
• 晶体的一个重要特征是它的许多特性与晶体的方
向有关。因为折射率 n r ，介电质常数 r 与
• 利用双折射可制成偏振分束器（PBS）。
.
6
图5.1.3 非极化光进入各向异性晶体方解石后 将发生双折射，产生相互正交偏振的寻常光(o)
和非寻常光(e)，以不同的速度传播
.
7
方解石 晶体的双折射
101.92o 主截面 非寻常光
入射光
E//
双折射
实验证明： O 光和 e 光均为偏振光.AB源自oe DC
oe
11 – 12 双折射
第十一章 光学
产生双折射的原因
寻常光线 在晶体中
各方向上传播速度相同.
光轴
c nΟ vΟ 常量
非常光线 晶体中各
ve
方向上传播速度不同,随
方向改变而改变.
c ne ve
n胶 1.55
11 – 12 双折射
第十一章 光学
尼科耳棱镜可用于起偏和检偏
0 90
11 – 12 双折射
第十一章 光学
三 晶片
y
结构：是光轴平行表面 的晶体薄片。
作用：通过厚为d的晶片，
Ax e o
o、e光产生光程差为
线偏振光
光轴
none d
d
相位差为
2
no ne d
11 – 12 双折射
四 波(晶)片
第十一章 光学
对于某个波长而言，当o、e光通过晶片的光程差 为 的特定倍数时，这样的晶片(有特定厚度)叫波晶 片，简称波片。
(1) 四分之一波片(quarter-wave plate) |no-ne|d = /4， || = /2
(2) 二分之一波片(halfwave plate) |no-ne|d = /2， || =
六 旋光现象
旋光现象 偏振光通过某些物质后，其振动面 将以光的传播方向为轴线转过 一定的角度.
旋光物质 能产生旋光现象的物质.（如石英 晶体、糖溶液、酒石酸溶液等）
旋光仪 观察偏振光振动面旋转的仪器.
A : 起偏器，
L
B : 检偏器，
Al
物理 光的双折射
I = I0 cos θ
2
i
玻璃片堆反射
ib
n2
0
ib
n2
ib + r = 90
r
o光沿原来方Βιβλιοθήκη 传播 光沿原来方向传播(ro = 0)
e光不沿原来方向传播 光不沿原来方向传播
re ≠ 0
o
e
③ o光、e光在晶体中具有不同的传播速度 光 光在晶体中具有不同的传播速度
c o光： vo = 光 no c e光：ve = 光 ne
④
no常数 , v o常数
说明： 光的传播速度在各个方向是相同的 说明：o光的传播速度在各个方向是相同的
纸面
双 折 射
光 光
方解石 晶体
当方解石晶体旋转时 o光不动，e光围绕 光旋转 光不动， 光围绕o光旋转 光不动 光围绕
纸面
双 折 射
光 光
方解石 晶体
当方解石晶体旋转时 o光不动，e光围绕 光旋转 光不动， 光围绕o光旋转 光不动 光围绕
纸面
双 折 射
方解石 晶体
光 光
② 在入射角
i = 0时
双 折
1.双折射现象 双折射现象 (1) o光、e光特征 光 光特征
i
射 现 象
① O光: 始终在入射面内 光 始终在入射面内, 并遵守折射定律。 并遵守折射定律。
re
方解石 晶体
各向异性
ro e o
sin i = n0 sin r0
寻常光 非常光
n0为常数
注意：寻常、非 注意 寻常、
常指光在折射时 是否遵守折射定 律，o光、e光也 光 光也 只在晶体内部才 有意义。 有意义。
晶体的光轴与晶体表面 法线所构成的平面。 法线所构成的平面。
光的偏振与双折射解密光的振动特性
光的偏振与双折射解密光的振动特性光是一种电磁波，作为一种波动现象，具有振动特性。
光的振动方向是指光波电场变化的方向。
光的振动可以是沿着任意方向，但是在许多情况下，光波的振动方向会受到影响，其中一种重要的现象是光的偏振和双折射。
一、光的偏振现象1. 偏振光的定义光线在传播过程中，其振动方向只在一个特定的平面上振动，这种光称为偏振光。
在偏振光中，只有振动方向与某一平面垂直的光能够通过偏振器。
2. 偏振光的产生偏振光的产生可以通过自然光经过偏振器滤波得到，也可以通过其他的物理现象产生，例如布儒斯特角反射。
3. 偏振器和偏振光的性质偏振器是一个能够选择性通过某个特定方向的光的器件。
当自然光通过偏振器时，垂直于偏振器所允许的唯一振动方向的光被选择性地通过，而其他方向的光则被阻挡。
二、双折射现象1. 双折射的定义双折射是指当光线传播到某些特殊的晶体材料中时，光线会分为两束，沿不同的路径传播。
这种现象也称为光的波面分裂。
2. 双折射的产生双折射是由于晶体结构的对称性导致的。
在一些晶体中，光沿着晶体的不同轴向传播时，会遵循不同的折射定律，从而产生双折射现象。
3. 双折射的性质双折射会导致入射光在晶体内发生方向的改变，使得光线变得有两个不同的传播方向。
这种现象不仅存在于晶体材料中，也可以在一些特殊的非晶体材料中观察到。
三、光的振动特性解密1. 光的振动方向与电场在光学中，振动方向的概念与电场方向紧密相关。
光波电场的振动方向决定了光的偏振方向，而光线的传播方向与电磁场的传播方向保持一致。
2. 光的振动特性与介质相关光的振动特性可以通过介质的性质来解释和调控。
不同的介质对光的传播和振动方向会产生不同的影响，从而实现对光的偏振特性的调节。
3. 光的偏振与实际应用光的偏振性质在许多领域中有着广泛的应用，例如光学器件、通信技术、显示技术等。
通过对光的偏振进行精确控制和调节，可以实现更多的光学效应和功能。
综上所述，光的偏振和双折射现象揭示了光的振动特性。
晶体的双折射现象(精)
方解石
光轴
o光
e光
o光
e光
3. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射
o光
e光
e光
o光
此时，o, e 光传播方向相同，但传播速度不同。从晶体出 射后，二者产生相位差。
三. 晶体偏振器 1. 尼科耳棱镜 2. 渥拉斯顿棱镜
no (1.658) n(1.55) ne (1.486)
光轴
v o t
v e t
( 平行光轴截面 )
( 平行光轴截面 )
ve
vo
( 垂直光轴截面 )
ve
vo
( 垂直光轴截面 )
二. 单轴晶体中的波面 ( 惠更斯作图法(ve>vo) )
1. 光轴平行入射面，自然光斜入射负晶体中 B
光轴
A
光轴
B'
方解石
o光 e光
2. 光轴平行入射面，自然光垂直入射负晶体中
光轴
o光
负晶体 no ne
加拿大树胶
o光 e光
e光 o光
o光 ie,o e光
e光
e
上述两种棱镜得到的偏振光 质量非常好，但棱镜本身价 格很高，因而使用较少。
o
o光
3. 波晶片 （光轴平行于表面且厚度均匀的晶体） 自然光垂直入射波晶片后， o 光, e 光传播速度不同， 产生的相位不同 。 出射 o 光 e 光的相差为
双折射的原理和应用
双折射的原理和应用一、什么是双折射？双折射，也被称为双光折射或双折光现象，是光在某些晶体中传播时，由于晶体的结构特性而引起的一种现象。
当光线穿过这些晶体时，会发生光线的分离，形成两个不同方向的光线，具有不同的传播速度和折射角度。
二、双折射的原理双折射现象的产生与晶体结构的对称性有关。
在对称性较高的晶体中，由于晶体内部存在两个或多个不同的折射率，光线在传播过程中会被分为两束，每束光线的传播速度和方向都不同。
对于某些晶体来说，折射率是一个标量，即无论光线入射的角度如何，折射率都保持不变。
这种晶体称为单折射晶体。
而双折射晶体则是由于晶体的结构对光具有不同的折射率，在光的传播过程中产生双折射现象。
双折射现象与晶体的结构无关，而是与晶体的对称性有关。
晶体的对称性越低，双折射现象越明显。
双折射晶体中的两束光线分别称为普通光线和特殊光线。
普通光线的传播速度较慢，折射率较大；特殊光线的传播速度较快，折射率较小。
三、双折射的应用1. 光学器件双折射现象在光学器件的设计和制造中起到重要的作用。
通过合理利用双折射晶体，可以制造出各种光学器件，如偏振片、光波导、光偏转器等。
这些器件在光通信、光传感、光学显微镜等领域有广泛的应用。
2. 偏振光传输双折射现象使得晶体可以对光进行偏振处理。
在光传输中，可以利用双折射晶体来选择性地传输特定方向的偏振光。
这种特性在光通信和光显示技术中有重要的应用。
3. 光学显微镜双折射现象在光学显微镜中也有广泛的应用。
通过使用双折射晶体，可以观察到样品中的双折射现象，从而获得更多关于样品结构和性质的信息。
4. 光学传感双折射现象在光学传感领域也有重要的应用。
通过使用双折射晶体，可以设计出各种光学传感器，用于测量光的强度、相位和偏振等参数。
这种传感器在光通信、环境监测和生物医学领域都有广泛的应用。
5. 光学调制器双折射现象可以被用于制造光学调制器，用于调控光的相位或振幅。
光学调制器在光通信和光学成像等领域有重要的应用。
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产生双折射的原因 寻常光线 在晶 体中各方向上传播 速度相同.
光轴
o光波阵面
c no 常量 vo
ve
vo
e 光波阵面
5
非常光线 晶 体中各方向上传播 速度不同,随方向 改变而改变.
c ne பைடு நூலகம்e
光轴
o光波阵面
ve
vo
ne 为主折射率
e 光波阵面
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方解石晶体
102 A
光轴
光轴 在方解石这 类晶体中存在一个 特殊的方向，当光 线沿这一方向传播 时不发生双折射现 象.
一
双折射的寻常光和非寻常光
折射定律
双折射现象
方解石晶体
i
n
玻璃
动 光 学 波动光学
sin i n 恒量 sin
1
光通过双折射晶体
2
寻常光线 服从折射定律的光线 非常光线 不服从折射定律的光线
（一般情况，非常光不在入射面内）
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实验证明： O 光和 A B
e
光均为偏振光.
o
C
e
D
o
e
102
102
78
78 78
B 光轴
7
主截面 当光在一晶体表面入射时， 此表面的法线与光轴所成的平面.
光轴
109
71
71
光轴
109
e光
o光
8
本章目录
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11-9 衍射光栅
11-10 光的偏振性 马吕斯定律
11-11 反射光和折射光的偏振
11-12 双折射 偏振棱镜 *11-13 液晶显示 *11-14 几何光学