双折射偏振光的干涉

是与材料有关的常数， 为样品材料中的应力) no ne = cp ( c 是与材料有关的常数，p 为样品材料中的应力 2πd cpd 2π no ne = o 光和 的相位差： = 光和e 的相位差：
λ
λ
说明 (1) 各处 p 不同
不同
出现干涉条纹
(2) 应力分布越集中的地方条纹越细密
二. 晶体光学
no (1.658) > n(1.55) > ne (1.486)
器件
1. 晶体偏振器 ！ 尼科耳棱镜 ！渥拉斯顿棱镜
光轴
o光 光
负晶体 no > ne
加拿大树胶
Ι
C
o光 e光
e光
o光 ie,o
Ι
e光
γe
e光
C
o光
γo
o光
上述两种棱镜得到的偏振光质量非常好， 本身价格很高，因而使用较少. 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. 棱镜得到的偏振光质量非常好
三
# 实验装置
偏振光的干涉
1. 偏振光干涉实验
偏振片1 偏振片 波片 偏振片2 偏振片
屏
# 实验现象 单色光入射，波片厚度均匀，屏上光强均匀分布。 单色光入射，波片厚度均匀，屏上光强均匀分布。 白光入射，屏上出现彩色，转动偏振片或波片，色彩变化。 白光入射，屏上出现彩色，转动偏振片或波片，色彩变化。 波片厚度不均匀时，出现干涉条纹。 波片厚度不均匀时，出现干涉条纹。
A = A sinθ o 1
A P 1 1
A o
A2 o
C
A e
A = A cosθ e 1 A 2 = A cosθ = A sinθ cosθ o o 1 A 2 = A sinθ = A sinθ cosθ e e 1
= c + π = 2πd
θ
P 2
A2 e
λ
no ne + π
式中π为投影引入的 式中π 附加相位
晶体的双折射(Birefringence) 一、晶体的双折射(Birefringence)
双折射现象
方解石晶体
动光 学 光学 波动
透过方解石(calcite) 看 透过方解石 到的双象: 到的双象 折射光分成 两束。 两束。
Hale Waihona Puke Baidu
双折射现象一束光入射 双折射现象一束光入射 到各向异性的介质后出 现两束折射光线的现象. 现两束折射光线的现象.
波晶片分类 波晶片分类
e光
o光
(no ne )d =λ 4
=π 2
1 4 波片
(no ne )d =λ 2
(no ne )d =λ
=π
= 2π
半波片 全波片
如何获得椭圆偏振光？ 如何获得椭圆偏振光？
偏振片 波片
椭圆偏振光的主要应用
◆测量薄膜膜厚及其光学性质，包括折射率、消光系数、吸收系 测量薄膜膜厚及其光学性质，包括折射率、消光系数、 数、复介电函数等 ◆测定材料的多层结构和表面粗糙度 无损地研究与气态、 ◆无损地研究与气态、液态周围媒质接触的表面分子或原子的物 理、化学吸附状态 ◆研究处于各种不同环境中的半导体及金属表面的氧化问题 可现场深入地研究电极-电解液界面过程 电解液界面过程， ◆可现场深入地研究电极 电解液界面过程，并可和其它常规电化 学测量方法同步进行 研究血凝过程、薄膜抗原-抗体的免疫反应 抗体的免疫反应、 ◆研究血凝过程、薄膜抗原 抗体的免疫反应、电吸附免疫试验和 细胞表面的材料测定等 研究固体的辐射探伤， ◆研究固体的辐射探伤，表征介电材料和半导体材料制备过程中 造成的表面机械损伤
o 光和e 光经过偏振片 后，振动方向平行，振动频率相同， 光经过偏振片2 振动方向平行，振动频率相同，
相位差恒定，满足干涉条件。 相位差恒定，满足干涉条件。
合振动强度为： 合振动强度为：
I2 = A2o2 + A2e2 + 2A 2 A 2 cos o e
1 2 2 = A sin 2θ (1+ cos ) 1 2
78
o
光轴
102 78 102
o o o
* 主平面(为了说明o、e光的偏振） 主平面(为了说明o 光的偏振） 主平面 晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面. 晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面.
光主平面. 光轴与 o 光构成的平面叫 o 光主平面 光主平面. 光轴与 e 光构成的平面叫 e 光主平面
vo >ve no < ne
负晶体
光轴
vo <ve
no > ne
光轴
vot
vet
( 平行光轴截面 )
( 平行光轴截面 )
ve
ve
vo
( 垂直光轴截面 )
vo
( 垂直光轴截面 )
惠更斯作图法
B u1 A u2 u2△t
i
C
γ
D
F E
光轴平行入射面， 1. 光轴平行入射面，自然光斜入射负晶体中 B
光轴
2. 偏振光干涉的分析
# 光线通过波片的传播情况 o 光和 光传播方向相同， 光和e 光传播方向相同， 但速度不同。 但速度不同。 o 光和 光通过波片后产 光和e 生的相位差为： 生的相位差为：
d
o光
e光
c =
2π d
λ
no ne
no —— o 光主折射率 ne —— e 光主折射率
# 光强分析
白光
偏振片1 偏振片 偏振片2 偏振片
屏
(4) 旋转偏振片，使两偏振片偏振化方向平行， 相位差产生 旋转偏振片，使两偏振片偏振化方向平行， 的变化，屏上颜色发生变化。 π 的变化，屏上颜色发生变化。
光弹效应(应力双折射效应) 3. 光弹效应(应力双折射效应)
FF 白光
屏
偏振片1 偏振片
FF
d
偏振片2 偏振片
光轴
o光
(o光振动垂直o 光主平面 光振动垂直 光主平面)
光轴在入射面时, 主平面和e 主平面重合,此时o 振动和e 光轴在入射面时,o 光主平面和e 光主平面重合,此时o 光振动和e 光 振动相互垂直。一般情况下，两个主平面夹角很小，故可认为o 振动相互垂直。一般情况下，两个主平面夹角很小，故可认为o 光振 动和e 振动仍然相互垂直。 动和e 光振动仍然相互垂直。
n1 n2
i
γo
γe
e光
o光
寻常光线 o 光 (ordinary ray)
—— 服从折射定律
非常光线 e 光 (extraordinary ray)
—— 不服从折射定律
* 晶体的光轴 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射， 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该 不发生双折射 方向称为晶体的光轴 光轴。 方向称为晶体的光轴。例如 方解石晶体(冰洲石) 方解石晶体(冰洲石) 光轴是一特殊的方向, 光轴是一特殊的方向 , 凡平行于此 方向的直线均为光轴。 方向的直线均为光轴。 单轴晶体： 单轴晶体：只有一个光轴的晶体 双轴晶体: 双轴晶体: 有两个光轴的晶体 主截面: 光线沿晶体的某界面入射, 主截面: 光线沿晶体的某界面入射,此界面的法线与晶体 的光轴组成的平面。 的光轴组成的平面。
o 光的 主平面
光轴
e光
e 光的 主平面
(e 光振动在 光主平面内) 振动在e 光主平面内
* 正晶体、负晶体 正晶体、 o 光:
no = c ( o 光主折射率 光主折射率) vo
e 光:
ne =
c ( e 光主折射率 主折射率) ve
vot
光轴
光轴 vot
vet
正晶体
2. 波晶片 光轴平行于表面且厚度均匀的晶体） （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， 自然光垂直入射波晶片后 ， o 光, e 光传播速度不同， 光传播速度不同 速度不同， 产生的相位不同 。 出射 o 光 e 光的相差为
d
波晶片
λ
2 π = (no ne )d λ
= 2πd
λ
2πd
no ne + π = 2kπ
— 干涉相长
=
讨论
λ
no ne + π = (2k +1)π — 干涉相消
(1) 波片厚度相同时，各处相位差相同，单色光 照射时屏上 波片厚度相同时，各处相位差相同， 光强均匀分布。 光强均匀分布。
(2) 波片厚度不均匀时，各处相位差不同，单色光入射出现 波片厚度不均匀时，各处相位差不同， 等厚干涉条纹。 等厚干涉条纹。 (3) 白光照射时，屏上由于某种颜色干涉相消, 而呈现它的 白光照射时，屏上由于某种颜色干涉相消, 互补色，这叫( 色偏振。 互补色，这叫( 显) 色偏振。
A
光轴
B'
方解石
o光 e光 光 光
2. 光轴平行入射面，自然光垂直入射负晶体中 光轴平行入射面，
光轴
方解石
光轴
o光 光
e光 光
o光 光
e光 光
3. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射 光轴平行晶体表面，
o光
e光
e光
o光
此时， 传播方向相同，但传播速度不同。 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。 射后，二者产生相位差。