双折射现象

等晶体,如云母（单斜）、黄玉（正交）、铌酸钾（正交）等。
自然界中的晶体大多是双轴的。
说明：晶体的光轴与光学系统的光轴不同，仅仅表示了晶体中的一个特定
方向，并非沿该方向上的某些特殊光线。
(2) 单轴晶体中的主截面与主平面
主截面：包含晶体光轴与界面法线的平面
主平面：包含光轴及所考察光线的平面
法 线 晶体 法 线 主截面 入射面 主平面 晶体
同，不发生双折射现象。
光轴 vo ve vo ve 光轴
(a) 正晶体
(b) 负晶体
单轴晶体中的波面——惠更斯假设
主折射率 对于o光晶体的折射率no=c/ v0 ,但对e光，因为 它不服从普通的折射定律，不能简单地用一个折 射率来反映它折射的规律。通常仍把真空光速c 与e光沿垂直于光轴传播时的速度ve之比也叫做它 的折射率,用ne表示， ne=c/ve
(3) 单轴晶体中的光线方向 （以负单轴晶体为例：vo<ve，no>ne）
① 光轴平行于入射面，并与界面相交一角度。
n1 晶 c 体 c
n1 晶 c 体
o
e (a) 垂直入射
o
e
o
e
o
e
(b) 倾斜入射
图6.1-7 光轴平行入射面时负单轴晶体内的光线方向
结论：无论是垂直入射还是斜入射，o光与e光分开，但因主截面与入射面 重合，故o光主平面与e光主平面重合，e光仍位于入射面内。o光光 线方向与波面正交，e光则不一定垂直于波面。
§7.1 晶体的双折射现象
主要内容
1. 晶体的结构特征 2. 各向异性晶体的双折射现象 3. 双折射现象的理论解释
7.1.1 晶体的结构特征
光学器件最常用的透明固体介质材料：晶体和非晶体 晶体：内在结构长程有序的固体，其原子（离子或分子）在空间排列上 具有一定的规则性，生长良好的单晶体具有规则的几何外形。
(a) 方解石晶体
(b) 石英晶体
天然晶体矿
自然界中存在的七大晶系（按晶体的空间对称性分类）：
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；单斜晶系；三斜晶系。 非晶态：如玻璃、熔融石英等，一般不具有长程有序的内在结构，并且由于 其原子或分子的热运动以及在空间排列上的随机性，其光学性质一
自然光
自然光
光轴
主 截 面
主平面 主平面 光轴 主平面
主截面与主平面
说明：主截面的方位由晶体自身特性决定，且始终垂直于晶体的表面；主 平面的方位则取决于光线及晶体光轴的取向；当主平面平行于入 射面时，主截面也平行于入射面。
(3) 单轴晶体中的寻常光与非常光
寻常光（o光）：单轴晶体中始终满足折射定律的光束
且与主截面重合，因而两折射光线的偏振面严格正交。 光轴不在入射面内（主截面与入射面不重合）时，o光与e光主平面严 格讲并不平行，但其夹角一般很小，故可近似认为其偏振面正交。
7.1.3 双折射现象的理论解释
(1) 晶体中波面的形状
① 惠更斯假设 在单轴晶体中，o光子波的波面为球面，因而沿各个方向的传播速度 相等；e子波的波面为旋转椭球面，因而沿各个方向的传播速度不相等； 两个波面在晶体的光轴方向相切，因而任何子波沿光轴方向的传播速度相
作业
• 无
透过食盐和方解石晶体的线条
透过方解石晶体及正交偏振片的线条
结论：由于双折射，一束自然光通过某种各向异性晶体制成的平行平板后， 将分解成两束相互错开但方向平行的透射光波，导致出现相互错开 的双重折射影像。当以入射光线为轴线旋转该介质平板时，至少有 一束透射光或一个影像的位臵会随之旋转，两束透射光波或两个重 叠的折射影像均表现为平面偏振特性，且振动方向正交。 说明：折射定律一般仅适用于各向同性介质。对于各向异性晶体，一般情 况下，由双折射产生的两束折射光波中至少有一束不满足折射定律。 入射光的方向不同，晶体结构及空间取向不同，则双折射性质不同。
最常用的两种各向异性晶体
方解石： 又称冰洲石，属六角晶系晶体，其 化学成分为碳酸钙（CaCO3），结构上
光轴 102o 102o 102o 78o 78o 102o 光轴
易解理成菱体（斜六面体），菱面的锐
角为78o08'，钝角为101o52'。纯质的方 解石晶体呈无色透明状，且在天然状态 下可以形成较大尺寸，是制造偏振光学 器件的重要材料之一。
般在宏观上呈现出各向同性。
说明： 除立方晶系的单晶体具有空间各向同性的光学性质外，一般单晶体的光
学性质均具有空间上的各向异性。
在一定的外界物理场（如机械或热应力、电场、磁场等）作用下，某些 非晶态介质（甚至立方晶晶体）会在宏观上由各向同性转变为各向异性。
这种场致各向异性与晶体的自然各向异性具有类似的特点。
(1) 单轴晶体与双轴晶体
光轴：各向异性晶体中的一些特定方向，沿此方向入射的自然光不发生双 折射现象。 单轴晶体：只有一个光轴的晶体。主要为四方晶系、六角晶系、三角晶系
等晶体,如方解石（六角）、石英（三角）、铌酸锂（三角）、
冰（三角）、红宝石（三角）、金红石（四方）等。 双轴晶体：包含两个光轴的晶体。主要为正交晶系、单斜晶系、三斜晶系
(a) 方解石晶体
(b) 石英晶体
图6.1-2 晶体的解理面形式
石英： 又称水晶，属三角晶系晶体，其化学成分为二氧化硅（SiO2），结构
上易解理成角锥状。纯质的石英晶体呈无色透明状，因而也是制造偏振光
学器件的重要材料之一。
7Biblioteka Baidu1.2 双折射现象
双折射：同一束入射光同时出现两个偏折方向的现象
晶体的双折射现象
③ 光轴平行于入射面，但与界面垂直，平行光入射。
n1 晶 体
n1 晶 体
c o e (a) 垂直入射 o e
c o e (b) 倾斜入射 o e
图6.1-9 光轴平行入射面但垂直于界面时负单轴晶体内的光线方向
结论：o光和e光波面与入射面的交线分别为圆和椭圆，主平面、主截面与入 射面重合，o光与e光振动方向正交。垂直入射时，o光与e光不分开， 且速度均为vo。斜入射时，o光与e光分开，e光不满足折射定律。
非常光（e光）：单轴晶体中一般不满足折射定律的光束（折射角的正弦
与入射角的正弦之比不为常数，取决于入射光线和晶体 的取向） 说明： o光光线始终位于入射面内，而偏振面垂直于o光主平面；e光光线可能 不在入射面内，但其偏振面始终平行于e光主平面。
光轴位于入射面内（主截面与入射面重合）时，o光与e光主平面重合