晶体的双折射现象资料.ppt
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光
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玻璃
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方解石 晶体
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方解石 晶体
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方解石 晶体
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方解石 晶体
晶体的双折射现象
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
天然晶体矿
(b) 石英晶体
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。
3. 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，该方向称为晶体的光轴。
例如，方解石晶体(冰洲石)
102° A
光轴
光轴是一特殊的方向,凡平行于此
方向的直线均为光轴.
B
单轴晶体：只有一个光轴的晶体。如方解石、石英、 红宝石等。
双轴晶体：包含两个光轴的晶体。如云母、蓝宝石、 结晶硫磺等。
4 单轴晶体中的主截面与主平面
而i =76º> 69º，全反射.
A(D) D
102º
C B(C)
尼科耳棱镜工作原理:自然光在AB面折射为o光和e 光，o光以约76º入射到AC的加拿大树胶层上. 被AC 面全反射，只有e光出射，产生偏振光.
二、渥拉斯顿棱镜：将两个直角的方解石棱镜沿斜边胶合起来。
光在第一棱镜中不分开，但光线垂直于光轴，因而两束光传播 速度不同。第二棱镜的光轴垂直于第一棱镜，所以第一棱镜中 的E光为第二棱镜中的O光，由于ne＜no，相当于光由光疏介质 入射光密介质，折射线近法线； 而第一棱镜的O光为第二棱镜 A 中的e光，相当于光由光密介 质入射光疏介质，折射线远 离法线，如图所示。
78o 78o 102o
光轴
(a) 方解石晶体
(b) 石英晶体
图 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。
纸面
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玻璃
纸面
方解石 晶体
1、放玻璃板时看到一个字。
玻璃是各向同性介质。 光射到各向同性介质的表面时它将按折射定 律向某一方向折射，这是一般常见的折射现象。
;.;
2、放方解石晶体时看到两个字？
方解石是各向异性晶体，一束光射到各向 异性介质中时，折射光将分为两束。
;.;
一. 双折射的概念 1.双折射现象 一束光线进入某种晶体，产生两束折射光叫双折射.
4、当入射线偏振光的振动方向为斜向时，才有双折射； 双折射的两束光的强度按振幅分解来计算；
5、可利用晶体的双折射现象获得线偏振光。
获得线偏振光的器件——偏振棱镜
一.尼科耳棱镜
由方解石切 割再用树胶 粘合而成.
A B
o光:
sin i0 n 1.551 sin 90 no 1.658
i0 69
法线
• 光轴 e光
• • • o光
法线
e光 • • • o光 光轴
当光轴在入射面内时，主截面、o主平面、e主平面都重合。
双折射现象的理论解释
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光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同，不发生双折射现象。
光轴 vo ve
光轴 vo ve
(a) 正晶体
(b) 负晶体
单轴晶体中的波面——惠更斯假设
e光:
o
no
c
o
e
ne
c
e
n0 ，ne称为晶体的主折射率
正晶体 : ne> no
(ve< vo)
负晶体 : ne< no (ve > vo)
光轴 vet
vot
•
子波源
光轴
vot• vet
子波源
正晶体 (vo > ve)
e
e•
··· o ··· •o
方解石
自然光 n1 i
n2 (各向异
性媒质) ro
2.寻常光(o光)和非寻常光(e光)
re o光 e光
o光 : 遵从折射定律
n1 sion i光 n与2 sien r光o 均
ee光光折: 一射般线不也遵不从一折定射在定入律射面内s为si.innr线ie 偏con振st 光
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
主截面与主平面
法
自然光
线
光轴
主 截 面
晶体 主平面
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； 一般情况下, o主平面与e主平面是不重合的。
实验表明: o光是光矢量与o主平面垂直的线偏振光.
e光是光矢量与e主平面平行的线偏振光.
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负晶体 (vo < ve )
正晶体
v0 ve
负晶体
v0 ve
➢ 几点说明：
1、以上讨论的是自然光入射情形，双折射总是存在的；
2、若入射的光是线偏振光，当偏振方向垂直入射面，则 在晶体中只能引起o光的次波波面，折射光只有o光；
3、若入射的光是线偏振光，当偏振方向在入射面内，则 在晶体中只能引起e光的次波波面，折射光只有e光；
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 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。
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 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。
光轴
102o
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晶体的双折射现象
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
天然晶体矿
(b) 石英晶体
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。
3. 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，该方向称为晶体的光轴。
例如，方解石晶体(冰洲石)
102° A
光轴
光轴是一特殊的方向,凡平行于此
方向的直线均为光轴.
B
单轴晶体：只有一个光轴的晶体。如方解石、石英、 红宝石等。
双轴晶体：包含两个光轴的晶体。如云母、蓝宝石、 结晶硫磺等。
4 单轴晶体中的主截面与主平面
而i =76º> 69º，全反射.
A(D) D
102º
C B(C)
尼科耳棱镜工作原理:自然光在AB面折射为o光和e 光，o光以约76º入射到AC的加拿大树胶层上. 被AC 面全反射，只有e光出射，产生偏振光.
二、渥拉斯顿棱镜：将两个直角的方解石棱镜沿斜边胶合起来。
光在第一棱镜中不分开，但光线垂直于光轴，因而两束光传播 速度不同。第二棱镜的光轴垂直于第一棱镜，所以第一棱镜中 的E光为第二棱镜中的O光，由于ne＜no，相当于光由光疏介质 入射光密介质，折射线近法线； 而第一棱镜的O光为第二棱镜 A 中的e光，相当于光由光密介 质入射光疏介质，折射线远 离法线，如图所示。
78o 78o 102o
光轴
(a) 方解石晶体
(b) 石英晶体
图 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。
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方解石 晶体
1、放玻璃板时看到一个字。
玻璃是各向同性介质。 光射到各向同性介质的表面时它将按折射定 律向某一方向折射，这是一般常见的折射现象。
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2、放方解石晶体时看到两个字？
方解石是各向异性晶体，一束光射到各向 异性介质中时，折射光将分为两束。
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一. 双折射的概念 1.双折射现象 一束光线进入某种晶体，产生两束折射光叫双折射.
4、当入射线偏振光的振动方向为斜向时，才有双折射； 双折射的两束光的强度按振幅分解来计算；
5、可利用晶体的双折射现象获得线偏振光。
获得线偏振光的器件——偏振棱镜
一.尼科耳棱镜
由方解石切 割再用树胶 粘合而成.
A B
o光:
sin i0 n 1.551 sin 90 no 1.658
i0 69
法线
• 光轴 e光
• • • o光
法线
e光 • • • o光 光轴
当光轴在入射面内时，主截面、o主平面、e主平面都重合。
双折射现象的理论解释
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光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同，不发生双折射现象。
光轴 vo ve
光轴 vo ve
(a) 正晶体
(b) 负晶体
单轴晶体中的波面——惠更斯假设
e光:
o
no
c
o
e
ne
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n0 ，ne称为晶体的主折射率
正晶体 : ne> no
(ve< vo)
负晶体 : ne< no (ve > vo)
光轴 vet
vot
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子波源
光轴
vot• vet
子波源
正晶体 (vo > ve)
e
e•
··· o ··· •o
方解石
自然光 n1 i
n2 (各向异
性媒质) ro
2.寻常光(o光)和非寻常光(e光)
re o光 e光
o光 : 遵从折射定律
n1 sion i光 n与2 sien r光o 均
ee光光折: 一射般线不也遵不从一折定射在定入律射面内s为si.innr线ie 偏con振st 光
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
主截面与主平面
法
自然光
线
光轴
主 截 面
晶体 主平面
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； 一般情况下, o主平面与e主平面是不重合的。
实验表明: o光是光矢量与o主平面垂直的线偏振光.
e光是光矢量与e主平面平行的线偏振光.
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负晶体
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➢ 几点说明：
1、以上讨论的是自然光入射情形，双折射总是存在的；
2、若入射的光是线偏振光，当偏振方向垂直入射面，则 在晶体中只能引起o光的次波波面，折射光只有o光；
3、若入射的光是线偏振光，当偏振方向在入射面内，则 在晶体中只能引起e光的次波波面，折射光只有e光；
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 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。
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 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。
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