物理光学-第四章共73页文档

方向一致。
在各向异性媒质中， D与E在一般情况下方向是不一致的，
为一张量，将麦克斯韦方程组和物质方程应用于晶体，可 得出单色平面波在晶体中的传播特性。
结论： 在给定的晶体中，相应于一个给定的波法线方向k0 ，允 许有两个特定振动方向的线偏光传播，这两个光的E矢量 互相垂直，并且有不同的光线速度，不同的光线方向和不 同的折射率。
当入射光线在主截面内，即入射面与主截面重 合时，两折射线皆在入射面内（o、e主平面与 此面重合）；否则，非常光可能不在入射面内。
在实用中，都有意选择入射面与主截面重合以 使所研究的双折射现象大为简化。（o光与e光 都在入射面内）
三、双折射的电磁理论
晶体的双折射现象，表明晶体在光学上是各向异性的。即， 它对不同方向的光振动表现出不同的性质。具体地说，对于 振动方向互相垂直的两个线偏振光，在晶体中有着不同的传 播速度（或折射率），因而产生双折射现象。
4.2晶体光学器件
一、偏振器（为了获得线偏振光）
在光电子技术应用中，经常需要偏振度很高的线偏振光，除 了某些激光器本身可产生线偏振光外，大部分是通过对入射 光进行分解和选择获得线偏振光，通常将能够产生线偏振光 的元件叫做偏振器。
根据偏振器的工作原理不同，可以分为双折射型、反射型、 吸收型和散射型偏振器。
B A
空气
B＇
A＇ 介 质
现在把这一方法应用到单轴晶体上，这里情况唯一不同之处是 从A点发出的次波面不简单地是一个半球面。而有两个，一个
是以 v 0 t 为半径的半球面（o光的次波面），另一个是与它在
光轴方向上相切的半椭球面，其另外的半主轴长为 v e t （e光的 次波面）。
则惠更斯作图法步骤如下：
进一步的研究表明，晶体内的两条折射光线中一条 总是符合普通的折射定律，此折射光线叫做寻常光 （o光，来源为ordinary），另一条折射光线却违背它， 叫做非常光（e光，来源为extraordinary）。
注：所谓的o光和e光，只在双折射晶体的内部才有意义，射出 晶体以后，就无所谓o光和e光了。 2、晶体的光轴
B
（1）和（2）两步同前； （3）应根据已知的晶体光轴 方向作上述复杂的次波面；
A
B＇
光轴
A O＇
（4）从B’点分别作o光和e光 次波面的切面。得到两个切点A0’和Ae’；
A ＇e
e光
O光
（5）从A联接A0’和Ae’它们分别是o光和e光的光线方向。
注：上图中给的主截面与入射面重合，从而切点A0’、 Ae’和两 折射光线都在此平面内（入射面）。
根据定义，这平面也是两折射线的主平面，这样我们可以判 知，两折射光的偏振方向：o光的振动垂直纸面，e光的振动 在纸平面内。
对于普遍的一般情况，光轴既不与入射面平行也不与它垂直， 这时e光次波面与包络面的切点Ae’和e光本身都不在入射面内， 就不能用一张平面图来表示了。
光轴方向
光轴方向
光轴方向
几种正入射情况 晶面平行于光轴且光波垂直于晶面——波片
e光
O光 偏振片
冰洲石中存在着一个特殊的方向，光线沿这个方 向传播时o光和e光不分开（即它们的传播速度和 传播方向都一样），这个特殊方向称为晶体的光 轴。
注：晶体的光轴并不是经过晶体的某一条特定的 直线，而是一个方向。在晶体内的每一点都可以 作出一条光轴来。
单轴晶体：只有一个光轴方向的晶体：方解石、 石英及KDP（磷酸二氢钾）
从光的电磁理论的观点看，晶体的这种持殊的光学性质是
光波电磁场与晶体相互作用的结果。晶体在光学上的各向异 性，实质上表示晶体与入射光电磁场相互作用的各向异性。
在麦克斯韦电磁场理论中，用介电常数ε来表征物质的极化
状况。在各向同性媒质中，电位移矢量与电场强度关系是：
D E
，这里ε是介电常数，是一标量，此式表明D与E的
是入射线的波面。求出B到B’的时间 t BB ' c
（3）以A为中心，νt为半径（ ν为光在折射介质中的波
速）在折射介质中作半圆（实际上是半球面）,这就是另一边 缘入射线到达B’点时由A点发出的次波面。
（4）通过B’点作上述半圆的切线（实际上是切面）这就是 折射线的波面（包络面）
（5）从A联接到切点A’的方向便是折射线的方向。
四、惠更斯作图法
在各向同性介质中，可以利用惠更斯原理来求折射光线的方 向。此方法也可以应用到晶体中来，从而直接得到晶体中两 个折射光波的光线方向。
先把各向同性介质中惠更斯作图法的基本步骤归纳如下：
（1）画出平行的入射光束，令两边缘光线与界面的交点分 别为A，B’
B A
空气
B＇
A＇ 介 质
（2）由先到界面的A点作另一边缘入射线的___垂线AB，ห้องสมุดไป่ตู้便
这表明，光在这种晶体内成了两束，它们的折射程 度不同。此为双折射。
方解石晶体的双折射现象
二、几个术语的定义 1、寻常光线和非常光线
让一束单色光正入射在冰洲石晶体的表面，就会发 现光束分解成两束。
按照折射定律，正入射时光线不应偏折。而上述两 束折射光中的一束确实在晶体中沿原方向传播，但另 一束却偏离了原来的方向，后者显然是违背普通的折 射定律的。
双轴晶体：有二个光轴方向的晶体，云母，石膏， 蓝宝石等。
3、主平面与主截面
主平面：在单轴晶体内，由o光线和光轴组成的面为o主平面。 由e光线和光轴组成的面称为e主平面。一般情况下，o主光平 面和e主平面不重合。
主截面：在单轴晶体内当光线沿晶体的某界面入射时，此界面 的法线与晶体的光轴组成的平面。称为主截面（不一定与入射 面重合），方解石晶体的主截面如图所示，有3个。
4.1晶体双折射 4.2晶体光学器件 4.3晶体的偏光干涉 4.4旋光效应 4.5磁光效应 4.6电光效应
4.1晶体的双折射
一、双折射现象
当一束单色光在各向异性晶体的界面折射时，一般 可以产生两束折射光，这种现象称为双折射。双折 射现象比较显著的是方解石（CaCO3）.
实验现象：取一块冰洲石（方解石的一种）放在一 张有字的纸上，我们将看到双重的像，且冰洲石内 的两个像浮起的高度是不同的，（此是光的折射引 起的，折射率越大，像浮起的高度越大）。
1、偏振棱镜
双折射现象的重要应用之一是制做偏振器件，因o光和e光都 是100%的线偏振光，这一点比其它偏振器（偏振片和片堆） 性能更优越。利用o光和e光折射规律的不同可以将它们分开， 这样我们就可以得到很好的线偏振光。