双折射现象理论分析及应用

双折射性

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。

光轴、主平面

当光在晶体内沿某个特殊方向传播时将不发生双折射，该方向称为晶体的光轴。

光轴是一特殊的方向,凡平行于此方向的直线均为光轴。若光轴在入射面内，实验发现：O光、e 光均在入射面内传播，且振动方向相互垂直。若沿光轴方向入射，O光和e光具有相同的折射率和相同的波速，因而无双折射现象。

单轴晶体：只有一个光轴的晶体

双轴晶体：有两个光轴的晶体

主平面：晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。

用惠更斯原理解释光的双折射现象

晶体有正晶体和负晶体。正晶体: ne> no 负晶体: ne< no

惠更斯原理：O 光在晶体内任意点所引起的波阵面是球面。即具有各向同性的传播速率。

e 光在晶体内任意点所引起的波阵面是旋转椭球面。沿光轴方向与O光具有相同的速率。

e 光在垂直于光轴方向上的传播速率Ve，在该方向的折射率ne主

e 光在其它方向上的折射率在n0~~~~~ne主之间。

平行光倾斜入射，光轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交

如果光轴不在入射面内，球面和椭球面相切的点，就不会在入射面内，则O 光、e 光振动方向并不相互垂直。

平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交

出射两束偏振方向相互垂直的线偏光

平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴平行晶体表面

出射光沿同方向传播，具有相互垂直的偏振方向。

双折射现象的应用

尼科耳棱镜：两块特殊要求加工的直角方解石，如图：光轴在ACNM 平面内方向与AC 成480，入射面取ACNM 面

方解石的折射率n0=1.658, ne=1.486。加拿大树胶的折射率n=1.55，O 光入射角大于其临界角arc sin(1.55/1.658)=69012’，被全反射，在CN 处为涂黑层所吸收。出射偏振方向在ACNM 平面内的偏振光.

波晶片（波片）

厚度为d ,光轴与两个表面平行的双折射晶体薄片称为波片。当自然光垂直入射时，由晶体 出射的是振动方向相互垂直的 线偏振光，它们沿原入射方向 同向传播，但传播速度不同。

对于方解石晶体e 光比O 光快。对于石英晶体e 光比O 光慢。O 光和e 光两者到达波片的另一 表面时，必然有相位差。

设δ为O 光超前于e 光的相位，则 其光程差为： 若O 光和e 光的相位差为：d=2kπ 则 ,2,1,±±=-=

k n n k d o

e λ 该波片称为波长片或全波片。

若O 和e 光相位差为 d=(2k+1)π 则 ,2,1,0,)(2)12(±±=-+=k n n k d o e λ 称为二分之一波长片或半波片。

若O 和e 光相位差为 （2k+1）π/2 ,光程差是1/4 波长的奇数倍. 则 ,2,1,0,)

(4)12(0±±=-+=k n n k d e λ称为四分之一波片。 波片的作用是使通过它的O 光和e 光有相位上的 改变，因此也称为相位延迟器。在偏振光分析 中有着独特的作用。

d

n n o e )(-=∆λπδ/2)(d n n o e -=