光在晶体中的传播 旋光
线偏振光沿晶体光轴传播振动面的旋转
线偏振光沿晶体光轴传播振动面的旋转引言在光学领域，线偏振光是一种特殊的光，它的振动方向只在一个平面上。
当线偏振光沿晶体的光轴传播时，晶体的结构会对其振动面产生旋转。
本文将探讨线偏振光在晶体中的传播以及晶体对其振动面旋转的影响。
线偏振光的传播线偏振光沿晶体的光轴传播时，晶体的晶格结构会导致光的传播特性发生变化。
晶体具有各向异性，即其物理性质在不同的方向上具有不同的性质。
这种各向异性对于光的传播至关重要。
在晶体的光轴方向上，光的传播速度是最快的。
而在垂直于光轴的任意方向上，光的传播速度都会变慢。
这是由于晶体内部的晶格结构对光的传播速度产生了限制。
晶体对线偏振光的影响当线偏振光沿晶体的光轴传播时，晶体的各向异性会对其振动面产生旋转。
这是因为晶体的晶格结构对线偏振光的不同振动方向有不同的响应。
晶体的光轴是一个特殊的方向，对于该方向上的线偏振光，其振动面不会发生旋转。
然而，在垂直于光轴的任意方向上，晶体会使线偏振光的振动面产生旋转。
这种旋转称为光学旋转，是晶体的一个独特属性。
晶体对线偏振光振动面的旋转由晶体的光学性质决定。
晶体的光学性质是由晶体的晶格结构和原子组成决定的。
不同类型的晶体会产生不同的光学旋转效应。
光学旋转的应用光学旋转是晶体的一个重要性质，对于许多应用具有重要意义。
以下是光学旋转的一些主要应用：光学仪器光学旋转的现象被广泛应用于光学仪器中。
例如，在偏振光显微镜中，光学旋转可以帮助观察样品的结构和性质。
在极性片、偏振器、偏振滤光片等光学元件中，也需要考虑光学旋转的影响。
光通信光学旋转现象在光通信中也发挥着重要作用。
由于光学旋转可以改变光的振动方向，可以用于调节光信号的偏振状态。
这对于光通信系统中的光信号调制和解调非常重要。
化学分析光学旋转在化学分析中也具有广泛应用。
例如，在糖分析中，光学旋转可以用来测量糖溶液中的旋光度，从而确定糖的浓度和结构。
这对于食品行业和制药行业的质量控制非常重要。
线偏振光沿晶体光轴传播时，晶体的光学性质会导致振动面产生旋转。
ch5-10旋光现象
φL =
2π
λ
nL d , φ R =
2π
λ
nR d
λ：真空中波长，d：旋光晶片厚度。φL、φR：左旋和右旋圆偏振光的旋转矢量
相对于入射时的相位滞后。
合振动矢量相对于入射光偏振面转角：
1 π ψ = (φL − φR ) = (nL − nR )d 2 λ
E EL ER ER E
φR
φL
EL
(a) 入射面
(b) 出射面
旋光效应的解释
左旋晶体，ψ<0, vL>vR，nL<nR； 右旋晶体，ψ>0, vL<vR，nL>nR。
③ 菲涅耳假设的实验验证 菲涅耳复合棱镜：R：右旋石英棱镜(nR<nL)；L：左旋晶体棱镜(nR>nL)
R
R镜
旋光效应导致一束平面偏振光被分解为两束圆偏振光，因而也是一种双折 射效应——圆双折射效应。 旋光性源于物质中原子排列的螺旋结构。菲涅耳关于旋光现象的解释仅仅 是一种惟象描述，并未涉及其微观机制，它不能回答为何在旋光介质中两 圆偏振光的速度不同。旋光性的严格解释需考虑物质的微观结构。
§5—10 旋光现象
1. 自然旋光
旋光效应：平面偏振光在某些各向异性介质中沿光轴传播时，其振动方向会随 着传播距离增大而连续旋转的现象。 旋光物质：能使平面偏振光振动面产生连续旋转的介质，如石英晶体、糖溶 液等。
P1 石英晶片 检偏器 P2
起偏器
c
c
石英的旋光现象
右旋：迎着光传播方向看，振动面顺时针方向旋转（葡萄糖、右旋石英） 左旋：迎着光传播方向看，振动面逆时针方向旋转（果糖、左旋石英） 说明：旋光不仅存在于各向异性介质中，也存在于某些各向同性介质中；所有 如石英，甚至具有左旋和右旋两种性质。 晶体的旋光规律：
晶体的光学性质及其应用
晶体的光学性质及其应用晶体是由有序排列的原子或分子结晶而成的有机物，是一种具有均质结构的物质。
在晶体中，光的传播受到了严格规定的限制，因此晶体的光学性质非常特殊，这种性质具有非常广泛的应用。
晶体具有自然的光学活性晶体的光学性质表现在其对偏振光的旋光性质。
偏振光是指只在一个方向上震荡的光，而晶体中自然发出的光则是未偏振光。
但当朝向晶体中的光传播方向发生旋转时，未偏振光就会发生偏振。
这是由于晶体具有对不对称分子结构，不同方向的分子旋转角度互相不同，从而使光旋转的方向发生变化。
这种现象称作自然光学活性。
晶体的双折射现象双折射是指当光线穿过晶体时会分成两束光线，分别沿着不同的方向传播，并且光线传播的速度也不同。
这个现象由于晶体中分子的空间排列呈现出某些特殊的对称性导致的，这个对称性可以被表示为对称轴或对称平面。
这种现象可以被用来制造双折射支撑倍频器。
晶体的偏光性质及其应用光源分光是指光的分光学分解为不同波长的单色光，而光的偏振性则对应着光的横向振动方式，晶体具有光的偏振性质。
通过光源分光和偏光器，可以得到偏振光，这种光从中穿过的晶体具有除了其他部分外的方向振动，因此可以形成光的旋转现象。
在显微镜下，这种现象可以显像偏振显微镜。
晶体光的波速度调制及其应用在晶体中，当一个光子进入晶体时，其波动特性与晶体中的原子结构相互作用。
通过这种相互作用，可以改变光的波速，并且可以在早期光通信系统中被用来传输数字信息。
在这种传输方式中，光的波速被快速调制，从而传输出的信息就是由快速变化的光的波速表现出来的。
晶体在光学中是一种非常美丽和独特的材料，并且也是一种非常有用的功能材料。
晶体的光学性质和应用非常多，一些应用比如水晶振荡器等已经广泛使用，而在其他一些领域，晶体的使用也在快速发展之中。
研究光的干涉、衍射和偏振现象
现象
汇报人：XX
2024-01-22
contents
目录
• 光的干涉现象研究
• 光的衍射现象研究
• 光的偏振现象研究
• 干涉、衍射和偏振在科学技术中应用
01
光的干涉现象研究
干涉现象基本概念
干涉现象定义
干涉条纹
两列或多列频率相同、振动方向相同
、相位差恒定的光波在空间某点叠加
一系列明暗相间的圆环；亮斑大小与圆孔直径和
光波长有关。
圆孔衍射与单缝衍射的区别
3
圆孔衍射形成的是圆环状图案，而单缝衍射形成
的是直线状条纹；圆孔衍射的亮斑较大，而单缝
衍射的中央条纹较窄。
晶体衍射与X射线衍射
X射线衍射原理
晶体衍射现象
当光通过晶体时，由于晶体内部
原子排列的周期性，使得光波发
生衍射，形成特定的衍射图案。
在屏幕上观察到明暗相间
的衍射条纹，条纹间距与
缝宽、光波长及屏幕距离
有关。
中央条纹最亮，两侧条纹
依次递减；条纹间距与光
波长成正比，与缝宽和屏
幕距离成反比。
圆孔衍射及其特点
圆孔衍射现象
1
当单色光通过小圆孔时，光波在圆孔范围内发生
衍射，形成明暗相间的圆环状衍射图案。
圆孔衍射特点
2
中央为一个较大的亮斑（艾里斑），周围环绕着
是横波区别于其他纵波的一个最
明显的标志。
自然光、部分偏振光、线偏振光
、圆偏振光和椭圆偏振光。
摄影、显示技术、光学研究等。
马吕斯定律及其物理意义
马吕斯定律内容
强度为I0的线偏振光，透过检偏片后，透射光的强度（不考虑吸收）为：
光学教程第六双折射
2021/1/18
17
光学教程专题 光在晶体中的传播－－双折射
**偏振棱镜 例:格兰─汤普森棱镜
e
玻璃(n=1.655)
······i ··方·解石····o
树胶(n = 1.655) 光轴
光轴的取向使o光、e光对应分别为no、 ne
ne(1.486) < n (1.655) no (1.655)
e3光
光学教程专题 光在晶体中的传播－－双折射
光轴 ····主o光平的面
光轴
注意：
o光
e光的 主平面
e光
* o光、e 光的主平面不一定重合 ** 主平面，主截面不一定重合
o光的振动方向 o光的主平面 *** e光的振动方向 // e 光的主平面
重点研究：
（1）入射光在主截面内 （2）主平面、主截面重合为同一平面 （3） o光振动方向 e光振动方向
光轴
t ························ut o
光轴 uot
ue uo
uet
垂直光轴的方向上： neno
ue uo
光轴 uot
其波阵面为旋转椭球球面。
n20o21，/1/n18e (垂直方向) 称为晶体的主折射率。
uet
6
光学教程专题 光在晶体中的传播－－双折射
两种相切法： 外切——正晶体 : ue< uo ne> no
光轴 P
振幅关系： Ae A
Ao Asin
Ao
Ae Acos
系统中，单色自然光经起偏器转为线偏光后，
线偏光在在波晶片上分解为o光和e光两部分，如
图所示；经过波晶片的o光和e光出射时相位改变
法拉第效应
A
CR
L2
1
3
R
R
B
E
D
L
2．旋光现象的解释 菲涅耳的解释只是唯象理论，它不能说明旋光现象 的根本原因，不能回答为什么在旋光介质中二圆偏振 光的速度不同。
这个问题必须从分子结构去考虑，即光在物质中传 播时，不仅受分子的电矩作用，还要受到诸如分子的 大小和磁矩等次要因素的作用。
2．旋光现象的解释
E
ei
1（ei 2
1（ei 2
ei ) ei
)
e i
cos sin
(122)
E=
1 2
1 i
ei(kR
kL
)
l 2
1
i
ei(kR
kL
)
l 2
E
1 2
1 i
eiR
1 2
1
i
eiL
1 2
1 i
eikR
l
1 2
1
i
eikLl
=
1 2
ei(kR
kL
)
l 2
1 i
ei(kR
kL
)
l 2
1
i
e
i(kR
kL
)
l 2
螺线管
输入光束
P1改进型 格-汤棱镜
磁致旋
光材料
激光放器2 输出
P2(与P1成 450的格-汤 棱镜)
2023年大学_光学教程第三版(姚启钧著)课后题答案下载
2023年光学教程第三版（姚启钧著）课后题答案下载2023年光学教程第三版（姚启钧著）课后题答案下载本教程以物理光学和应用光学为主体内容。
第1章到第3章为应用光学部分，介绍了几何光学基础知识和光在光学系统中的传播和成像特性，注意介绍了激光系统和红外系统;第4～8章为物理光学部分，讨论了光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、衍射、偏振特性及光与物质的相互作用，并结合介绍了DWDM、双光子吸收、Raman放大、光学孤子等相关领域的应用和进展。
第9章则专门介绍航天光学遥感、自适应光学、红外与微光成像、瞬态光学、光学信息处理、微光学、单片光电集成等光学新技术。
光学教程第三版（姚启钧著）：内容简介绪论0.1 光学的研究内容和方法0.2 光学发展简史第1章光的干涉1.1 波动的独立性、叠加性和相干性1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样1.3 分波面双光束干涉1.4 干涉条纹的可见度光波的时间相干性和空间相干性 1.5 菲涅耳公式1.6 分振幅薄膜干涉(一)——等倾干涉1.7 分振幅薄膜干涉(二)——等厚干涉视窗与链接昆虫翅膀上的彩色1.8 迈克耳孙干涉仪1.9 法布里一珀罗干涉仪多光束干涉1.10 光的干涉应用举例牛顿环视窗与链接增透膜与高反射膜附录1.1 振动叠加的三种计算方法附录1.2 简谐波的表达式复振幅附录1.3 菲涅耳公式的推导附录1.4 额外光程差附录1.5 有关法布里一珀罗干涉仪的(1-38)式的推导附录1.6 有同一相位差的多光束叠加习题第2章光的衍射2.1 惠更斯一菲涅耳原理2.2 菲涅耳半波带菲涅耳衍射视窗与链接透镜与波带片的比较2.3 夫琅禾费单缝衍射2.4 夫琅禾费圆孔衍射2.5 平面衍射光栅视窗与链接光碟是一种反射光栅2.6 晶体对X射线的'衍射视窗与链接与X射线衍射有关的诺贝尔奖附录2.1 夫琅禾费单缝衍射公式的推导附录2.2 夫琅禾费圆孔衍射公式的推导附录2.3 平面光栅衍射公式的推导习题第3章几何光学的基本原理3.1 几个基本概念和定律费马原理3.2 光在平面界面上的反射和折射光导纤维视窗与链接光导纤维及其应用3.3 光在球面上的反射和折射3.4 光连续在几个球面界面上的折射虚物的概念 3.5 薄透镜3.6 近轴物近轴光线成像的条件3.7 共轴理想光具组的基点和基面视窗与链接集成光学简介附录3.1 图3-6中P1和JP1点坐标的计算附录3.2 棱镜最小偏向角的计算附录3.3 近轴物在球面反射时物像之间光程的计算附录3.4 空气中的厚透镜物像公式的推导习题第4章光学仪器的基本原理4.1 人的眼睛4.2 助视仪器的放大本领4.3 目镜4.4 显微镜的放大本领4.5 望远镜的放大本领视窗与链接太空实验室——哈勃太空望远镜4.6 光阑光瞳4.7 光度学概要——光能量的传播视窗与链接三原色原理4.8 物镜的聚光本领视窗与链接数码相机4.9 像差概述视窗与链接现代投影装置4.10 助视仪器的像分辨本领视窗与链接扫描隧显微镜4.11 分光仪器的色分辨本领习题第5章光的偏振5.1 自然光与偏振光5.2 线偏振光与部分偏振光视窗与链接人造偏振片与立体电影 5.3 光通过单轴晶体时的双折射现象 5.4 光在晶体中的波面5.5 光在晶体中的传播方向5.6 偏振器件5.7 椭圆偏振光和圆偏振光5.8 偏振态的实验检验5.9 偏振光的干涉5.10 场致双折射现象及其应用视窗与链接液晶的电光效应及其应用5.11 旋光效应5.12 偏振态的矩阵表述琼斯矢量和琼斯矩阵附录5.1 从沃拉斯顿棱镜出射的两束线偏振光夹角公式(5-15)的推导习题第6章光的吸收、散射和色散6.1 电偶极辐射对反射和折射现象的解释6.2 光的吸收6.3 光的散射视窗与链接光的散射与环境污染监测6.4 光的色散6.5 色散的经典理论习题第7章光的量子性7.1 光速“米”的定义视窗与链接光频梳7.2 经典辐射定律7.3 普朗克辐射公式视窗与链接诺贝尔物理学奖7.4 光电效应7.5 爱因斯坦的量子解释视窗与链接双激光束光捕获7.6 康普顿效应7.7 德布罗意波7.8 波粒二象性附录7.1 从普朗克公式推导斯忒藩一玻耳兹曼定律附录7.2 从普朗克公式推导维恩位移定律习题第8章现代光学基础8.1 光与物质相互作用8.2 激光原理8.3 激光的特性8.4 激光器的种类视窗与链接激光产生106T强磁场8.5 非线性光学8.6 信息存储技术8.7 激光在生物学中的应用视窗与链接王淦昌与惯性的束核聚变习题主要参考书目基本物理常量表光学教程第三版（姚启钧著）：目录点击此处下载光学教程第三版（姚启钧著）课后题答案。
第八章光在晶体中的传播精品PPT课件
法线 入射光
光轴
主截面 主截面：光轴和晶体表面光入射点的法线组成的平面。
法线 光轴
入射光
eo
主平面：晶体中光（o光或e光）的传播方向与晶体光 轴构成的平面。
o光的振动方向垂直于o光的主平面； e光的振动方向平行于e光的主平面。 当o光和e光的主平面相互平行时,两光的振动互相垂直.
o光和e光的传播方向
Rasmus Bartholin is remembered especially for his discovery (1669) of the birefringence of a light ray by Iceland crystal (calcite). He published an accurate description of the phenomenon, but since the physical nature of light was poorly understood at the time, he was unable to explain it. It was only after Thomas Young proposed the wave theory of light, c. 1801 that an explanation became possible.
加拿
大树胶
涂黑
格兰—汤普森棱镜
钠光自然光
o e• • •
钠光自然光
o e• •
方解石制成的罗匈棱镜
玻璃和方解石 制成的偏振器
第三节：波片和补偿器
将单轴晶体切成的有一定厚度的晶体片，使其光轴平行于 表面，叫做波片．当光垂直通过波片时，在波片内分解为 o光e光，因在晶体内垂直于光轴传播，所以o光e光的传播 速度不同，这样，传播到波片的后表面o光e光就有了附加 的相位差．
磁光效应和磁光调制
旋光现象
F为滤色片；M为起偏器；C是旋光物质（例如是晶面 与光轴垂直的石英片）旋光物体放在两个正交的偏振 片M与N之间，将会看到视场由原来的零变亮，把检 偏器 N 旋转一个角度，又可得到零视野
F
M
C
N
说明：光轴垂直于入射表面，即入射光波矢平行于光轴
实验证明：振动面旋转的角度 与材料的厚度d、浓度 C 以及入射光的波长 有关。
磁场。L0为介质长度。如果再通过检偏，就可以获得一
定强度变化的调制光。
若晶片厚度为l，一束线偏光通过晶片后的旋转角应为
(n左
n右 )l
左旋圆 偏振光
右旋椭圆 偏振光
迎着光线看（对着光的传播方向），光矢量顺时针转 的称右旋圆偏振光（或椭圆偏振光）；光矢量逆时针 转的称左旋圆偏振光（或椭圆偏振光）
二、磁光相互作用
当光波进入施加了磁场的介质时，其传播特性发生变化，这种 现象称为磁光效应。磁光效应包括法拉第旋光效应、克尔效应、 磁双折射效应等
5.5 磁光调制
磁光调制的物理基础是磁光效应，即晶体 在受到磁场作用时表现出旋光特性，称为法拉 第效应
1845年法拉第发现，当一束线偏振光通过 磁场作用下的某些物质时，其偏振面受到外加 磁场平行传播方向分量的作用而发生偏转，这 种现象称为法拉第效应
一、自然旋光效应
光在晶体中沿光轴方向传播时，不产生双折射现象。 但在很多晶体中，线偏振光沿光轴方向通过晶体后，偏 振面却发生了旋转，这就是旋光效应
1、不沿光轴传播时，旋光现象往往被双折射现象所产 生的效果掩盖，只有沿光轴传播时，旋光现象才能显 示出来
2、偏振面的旋转角与通光长度成正比
对于固体： d 对于液体： Cd 式中C为溶液的浓度。
光在晶体中传播
IIo2Ie22Io2Ie2cos
Io2A o 2 2A 1 2sin2 sin2 Ie2A e 2 2A 1 2co s2 co s2
I A12(cos2 cos2 sin2 sin2 2cos cos sin sin cos )
2. 相位关系
e 1.516
e
So
68 0
710
o760
加拿大树胶 (紫外不透明)
方 解 石 （ 钠 黄 光 ） ： n 0 1 . 6 5 8 ； n e 1 . 4 8 6
加 拿 大 树 胶 ： n 1 .5 5
i > 临界角〔69〕，o 光全反射了，e 光可通过
限制：入射光的会聚角度有限，So Se的夹角小于28o
光轴方 向相切
负晶体：ne< no(ve> vo)
光轴
点vo波•源t vet
如：石英、冰
如：方解石、红宝石
三. 单轴晶体中光传播的惠更斯作图法
以负晶体〔ve > vo〕为例：〔速度面,次波面,能量面〕
1. 光轴平行晶体外表，平行入射面，自然光垂直界面入射
·· ··
光轴
e ··o e ··o
主截面、入射面、主平面 重合；且入射光线垂直界 面和光轴
波晶片产生的相 位延迟
输出面B
o相位
o入
2 o n0d
oB o入 o
e相位
e入
2 e ned
eB e入 e
o-e
入 o入 e入 o e 入
负晶体〔方解石〕 Ve Vo ; no ne 正晶体〔石英〕 Vo Ve; ne no
判断光通过波片后它的偏振态可归纳为以下几个步 骤： 1、将入射光的电矢量E按照波晶片的e轴和o轴分解 成Ee和Eo，其振幅Ae和Ao；并根据入射光的偏振 态确定在波晶片输入面上o光对e光的相位差
第六章光在晶体中的传播
第六章光在晶体中的传播第六章光在晶体中的传播光的⼲涉和衍射现象说明光具有波动性，但这不能说明光波的横波性。
1809年Malus 在实验上发现光的偏振现象，后来Maxwell 的电磁理论给出了⾃由空间传播的电磁波是⼀种纯碎的横波。
当光在各向异性的介质中如晶体中传播时，能观察到光的偏振现象。
⼈们能够利⽤光的偏振特性制成各种光学元件，如偏振⽚、波晶⽚、⼲涉仪器、电光调制器、光隔离器等，这些器件在⽣产实践和科学研究中得到了⼴泛应⽤，利⽤光的偏振特性还能够进⾏各种测量。
主要内容：1光波的偏振态；2光在电介质表⾯的反射和折射菲涅⽿公式；3光在各向异性介质中的传播；4晶体光学元件偏振光的获得和检偏；5偏振光的⼲涉及其应⽤；6旋光§ 1 光的偏振态光的偏振现象可以⽤⼀个简单实验来说明。
如图所⽰，让光依次通过两个偏振⽚（polaroid ）P 1和P 2，当不动，以光线为轴旋转P 2逆着光的传播⽅向看去，会发现透过P 2的光强会随着P 2的旋转⽽变化。
当P 2处于某⼀位置时透射的光强最⼤，由此为转过900后，透射的光强减⼩到0，现偏振光完全被挡住。
这种现象称为消光现象（extinction ）。
当继续旋转时，⼜会重复以上现象。
上述实验同时也反映了光波本⾝的性质，即它的振动⽅向与传播⽅向垂直，光波是横波。
历史上，早在电磁波理论建⽴之前的1809年，马吕斯（E.L.Malus)就在实验上发现了光的偏振现象，电磁波理论建⽴之后，⼈们才认识到⾃由空间传播的光波是纯粹的横波，其电⽮量和磁⽮量都垂直于光的传播⽅向。
在与光波的传播的⽅向垂直的平⾯内电⽮量有多种振动状态，我们称之为偏振态（Polarization ），实际中光的偏振态⼤体可分五种，⾃然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光，1.2 偏振⽚（polaroid)检偏器有些晶体对不同⽅向的电磁振动具有选择吸收的性质。
当光线射在这种晶体的表⾯上时，振动的电⽮量（光⽮量）与光轴平⾏时被吸收的较少，光可以较多的通过，如图(a) 所⽰；电⽮量与光轴垂直时被吸收的较多，光通过的很少，如图(b)所⽰，这种性质叫⼆向⾊性（dichroism)。
研究光的偏振现象对光的强度和方向的影响
向不同，导致了光的偏振。
02
双折射
在某些晶体中，由于晶体的各向异性，光线在晶体内部传播时会发生双
折射现象，即一条入射光线会分成两条折射光线，这两条折射光线的振
动方向互相垂直，从而产生了偏振光。
03
散射
当光线通过不均匀介质时，光线会发生散射现象。散射光中不同振动方
向的光分量会以不同的角度散射出去，导致了光的偏振。
偏振光的叠加
当两束或多束偏振光叠加时，它们之间会发生干涉现象。 如果它们的振动方向相同，则干涉加强；如果它们的振动 方向垂直，则干涉相消。
02
实验方法与步骤
实验器材准备
偏振片
选择高质量的偏振片，确保其 对光的偏振态有准确的调控作 用。
角度调整装置
用于精确调整偏振片的角度， 如旋转台或角度计。
光源
偏振光性质与特点
光的强度
偏振光在某一特定方向上的振动强度会发生变化，而在与 该方向垂直的方向上振动强度为零。因此，可以通过调整 偏振片的角度来改变光的强度。
光的方向
偏振光的振动方向与传播方向垂直。对于线偏振光，其振 动方向始终保持在某一特定方向上；对于圆偏振光和椭圆 偏振光，其振动方向会绕着传播方向旋转。
生物医学领域中应用举例
偏振光显微镜
利用偏振光照明样品，通过检测 样品对偏振光的改变来获取样品 的结构和性质信息，广泛应用于
生物医学研究中。
偏振光成像技术
通过检测生物组织对偏振光的散射 和吸收特性，可以获取生物组织的 结构、功能和代谢信息，用于疾病 的诊断和治疗。
偏振光光谱技术
利用偏振光与生物分子相互作用产 生的光谱变化，可以研究生物分子 的结构和功能，为生物医学研究提 供新的手段和方法。
第七章 光在晶体中的传播
方解石晶体 的光轴方向 注意：光轴是一个 特定的方向， 与这个特定方向平 行的直线都是光轴。
4）主截面和主平面 主截面：界面法线与光轴构成的平面 主平面：晶体中的光线与光轴构成的平面 注意： 有时 o 光与 e 光主平面不重合 5）双折射光的偏振态 o光和 e 光都是线偏振光， o 光的振动方向与其主平面垂直， o e 光的振动方向与其主平面平行。
相位差满足：
(2k 1)2
或： 2
（5）注意：
(a)正晶体和负晶体均可制作波晶片
(b)正晶体中 o 光快， 光慢。vo ve e (d)相位落后3
(c)负晶体中o 光慢，e 光快。ve
/ 2相当于相位超前 / 2
vo
因此，正、负晶体均可产生超前或 落后的附加相位差。
ve vo ,no ne , i1 i2e e光向下方偏折。 遮住 e光，得到一束很好的线偏振光。
2）沃拉斯顿棱镜
由两块冰洲石晶体 直角三棱镜组成， 光轴和正入射光路 如图所示。
光路分析：
（1）进入第一块晶体后传播方向不变，速度 v 不同了， e vo , no ne
（2）进入第二块晶体后振动方向不变， 但 e光变为 o 光，n sin i n sin i e 1 o 2o i2o i1 ， 光向上方偏折。 o （3）进入第二块晶体后振动方向不变， 但 o 光变为 e 光， o sin i1 ne sin i2e n i1 i2e ， 光向下方偏折。 e 遮住其中的一束光 可以得到一束很好的线偏振光
1） 一束平行光斜入射到 光轴如图所示的单轴 负晶体上，求晶体中 的折射光线？
2．晶体的惠更 斯作图法
作图步骤：
（1）过A点做边缘光线的垂线 AB， BB '/ c t （2）以A为中心、v o t为半径做 o 光圆形波面 （3）以A为中心、 e t和 v o t为相应半轴 v 做 e光椭圆形波面 （4）过 B点做圆与椭圆波面的切线， ' ' ' 切点分别为 Ao和 Ae ' （5）连接A Ao两点，即为 o光的折射线。 （6）连接A Ae'两点，即为 e光的折射线。
6.6 旋光
1．石英的 现象
2）旋光定义： ）旋光定义： 线偏振光在石英晶体内部沿光轴方向传 播时，透过后偏振面被旋转了一个角度。 播时，透过后偏振面被旋转了一个角度。 3）旋光率： ψ = αd ）旋光率： 4）旋光色散： ）旋光色散： 旋光率随波长变化。 α＝α(λ)，旋光率随波长变化。 不同颜色的线振动面透过晶体后 被旋转的角度不同 旋光率。 α ：旋光率。
4．量糖术 ． 1）装置 ） 2）旋光角 ） 度公式
ψ = [α]Nl
ψ ：线振动面转角； l ：管长； 线振动面转角； 管长； 溶液的浓度； 比旋光率。 N：溶液的浓度； [α]：比旋光率。
（1） α] = 66.46 / dm g / cm ) ， ） [ .( 蔗糖溶液， 钠黄光。） （蔗糖溶液， 0 C，钠黄光。） 20 （2） [α] > 0 ：为右旋 ） 药物） （3）许多有机物（糖，药物）都具有旋光性 ）许多有机物（ （4）同一种物质常常具有左右两种旋光异构体 ）
E = E0 cos(−ωt)i = E0 / 2(cos(−ωt)i + cos(π / 2 −ωt) j ) +E0 / 2(cos(−ωt)i + cos(−π / 2 −ωt) j ) = EL + ER
3）菲涅耳假设 ） 线偏振光沿旋光晶体光轴方向传播时 分解成速度不等的 L 光和 R光， 产生了不同的相位延迟。 产生了不同的相位延迟。 旋光晶片厚度， v d：旋光晶片厚度， L ≠ vR
ϕL =
2π
λ0
nLd, ϕR =
2π
λ0
nRd
（3）从晶片出射后线偏振光旋转的角度ψ ） （4）左旋晶体和右旋晶体 ） ），左旋晶体 ψ > 0（ nR > nL），左旋晶体 ），右旋晶体 （ ψ < 0 nR < nL），右旋晶体
液晶旋光效应的研究
液晶旋光效应的研究液晶旋光效应的研究1. 引言液晶旋光效应是液晶体独有的性质之一，对于液晶显示技术和光学器件的设计和应用具有重要意义。
本文将深入研究液晶旋光效应的原理、应用以及相关的最新研究进展。
2. 原理2.1 液晶分子排列液晶分子是长而有机的分子，在晶体的有序结构中排列成一定的方向。
液晶旋光效应的产生与液晶分子的排列方式密切相关。
在某些情况下，液晶分子会以螺旋状排列，形成具有旋光性的液晶体。
2.2 光的旋光性质光可以被视为电磁波，具有振动方向。
普通光是无偏振的，振动方向在任意平面上均可能。
而具有旋光性质的光，则具有旋转的振动方向。
2.3 液晶旋光效应的产生当偏振方向与液晶分子排列方向相光会受到液晶分子的影响发生旋转。
这是由于液晶分子的分子排列使光线在通过液晶体时，振动方向发生了旋转。
这个现象就是液晶旋光效应的基本原理。
3. 应用3.1 液晶显示技术液晶旋光效应被广泛应用于液晶显示技术中。
现今的液晶显示屏通过对液晶分子的电场控制，使其旋转光线的程度可调，从而实现显示像素的控制。
这种基于液晶旋光效应的显示技术具有良好的可视角度和色彩表现能力。
3.2 光学器件液晶旋光效应还可以用于设计和制造各种光学器件，如偏光镜、变焦透镜、光学调制器等。
通过利用液晶分子的旋转特性，可以改变光线的传播方向和相位，实现对光信号的调节和控制。
4. 最新研究进展最近，研究人员在液晶旋光效应领域取得了一些有趣的进展。
他们发现了纳米尺度下液晶旋光效应的特殊性质，并尝试利用这些特性来改进液晶显示技术的性能。
液晶旋光效应在光子晶体、生物传感和光学通信等领域也得到了广泛的研究和应用。
5. 个人观点与总结液晶旋光效应是一项重要的研究领域，对于液晶显示技术和光学器件的发展具有重要意义。
随着对液晶旋光效应更深入的理解和应用，我们可以期待液晶显示技术的进一步提升和光学器件的创新。
在总结性的文章中，我们回顾了液晶旋光效应的基本原理和应用。
液晶旋光效应的原理与液晶分子的排列方式密切相关，液晶分子排列成螺旋状时具有旋光性质。
旋光效应
旋光效应总的说来是由于手性原子产生的.分子的旋光性最早由十九世纪的Pasteur发现。
他发现酒石酸的结晶有两种相对的结晶型，成溶液时会使光向相反的方向旋转，因而定出分子有左旋与右旋的不同结构。
当普通光通过一个偏振的透镜或尼科尔棱镜时，一部分光就被挡住了，只有振动方向与棱镜晶轴平行的光才能通过。
这种只在一个平面上振动的光称为平面偏振光。
简称偏振光。
偏振光的振动面化学上习惯称为偏振面。
当平面偏振光通过手性化合物溶液后，偏振面的方向就被旋转了一个角度。
这种能使偏振面旋转的性能称为旋光性(optical activity)。
手性化合物都具有旋光性。
化合物旋光性的测定∶当平面偏振光通过盛有旋光性化合物的旋光管后，偏振面就会被旋转(向右或向左)一个角度，这时偏振光就不能通行无阻的穿过与起偏镜棱轴相平行的检偏镜。
只有检偏镜也旋转(向右或向左)相同的角度(a角度)，旋转了的平面偏振光才能完全通过。
观察检偏镜上携带的刻度盘所旋转的角度，即为该旋光性物质的旋光度。
偏振面被旋光性物质所旋转的角度叫旋光度。
用a 表示。
偏振面被旋转的方向有左旋(逆时针)和右旋(顺时针)的区别。
用符号(+)表示右旋，(-) 表示左旋。
例如：(+)-2-丁醇表示右旋；（-)-2-丁醇表示左旋。
所有旋光性化合物不是右旋，就是左旋。
19世纪后半叶，化学家们发现了一种特别奇妙的同分异构现象，后来证明，这种现象在生命化学中是极其重要的。
这一发现是，某些有机化合物对通过它们的光束具有一种奇异的不对称效应。
从普通光束的一个截面可以看出，构成该光束的无数波在所有平面呈上下、左右和斜向振动。
这类光称为非偏振光。
但是，当光束通过透明物质的晶体（如冰洲石）时，就会发生折射，使出射光变成偏振光。
这仿佛是该晶体的原子点阵只允许某些波动面通过（就像栅栏只允许行人侧身挤过，但却不能让人大摇大摆地正面穿过一样）。
有些装置，如苏格兰物理学家尼科耳于1829年发明的尼科耳棱镜，只允许光在一个平面通过。
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3
4、在上述实验中，用石英来代替冰洲 石，则在偏振片Ⅱ之后，看去视场 变亮了，若将偏振片的透振方向向 左或向右旋转一个角度φ时，又变消 光。
5、实验表明:从石英晶体透射出来的 光仍是线偏振光，但其振动面各向 左或向右旋转了一个角度φ，此称为 旋光现象。
（见图5－2）
4
5
6、旋光率: 实验表明，振动面旋转角度φ与石
光在晶体中的传播(4) ——旋光
1
§5、旋光
一、石英的旋光现象
1、在普通的单轴晶体（如冰洲石）内，垂直于 光轴方向切割出一块平行平面晶片；
2、且取将两平块行偏平振面片晶I和片Ⅱ插，入其正透交振偏方振向片为I和PⅡ1和之P间2 , （P1⊥P2 ），并且三个的平面平行；
3、用一束自然光正射到偏振片I ，则在偏振片 Ⅱ后面，出现消光现象。这表明线偏振光经 过此晶片后偏振状态不发生任何变化。（见 图5-1）
（3）当光线沿任意倾斜方向传播时，两光线 都是椭圆偏振光。
（4）L光、R光由圆偏振光向线偏振光是一个 逐步转化的过程:见图5-7（右旋石英晶体）18
R光波面
R光光→椭圆偏振光→线偏振光（e光、
o光） 其中：R光是快光，L光是慢光.
对于左旋石英晶体，正好相反，L 光是快光，R光是慢光
旋圆偏振光，左、右旋圆偏振光可以合成为 线偏振光。（见图5-4）
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11
5、旋光性的解释 左旋圆偏振光——L光，右旋圆偏振
光——R光，对于石英，vL与vR略有不 同，其通过石英晶片后位相变化为:
φL= 2 π nLd / λ φR= 2 π nR d / λ 圆偏振光的位相即旋转电矢量的角 位移，位相滞后即角度倒转。 （见图5-5）
ve ＞ v0 no ＞ne （内切球）
正晶体（石英）: ve ＜ v0 no＜ne （外切球） （见图1－6）
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2、作为旋光物质的石英正晶体具有新 的特点
（1）两层波面（L光和R光）在与光轴交点处 并不相切。
（2）只有垂直于光轴传播时两光线（R光、L 光）才是线偏振光,即前述的O光和E光；沿 光轴传播，它们分别是左、右旋圆偏振光， 即L光和R光。
12
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由于φL与φR不同，它们合成为线偏 振光，其偏振方向相对于原来转过了一 个角度φ即产生了旋光现象.
φ =(φR－ φL) /2=π(nR－nL)d/λ nR ﹥ nL φ ﹥0 晶体是左旋的 nR ﹤ nL φ ﹤0 晶体是右旋的
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6、菲涅耳石英晶体旋光验正实验
（1）、起初菲涅耳用单个石英晶体来观察，
8、实验表明，石英晶体有左旋和右旋 两种晶体，其与石英的结构有关， 它们的外形完全相似，只是一种是 另一种的镜像反演。两种晶体使振 动面旋转的方向相反。（见图5-3）
8
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二、菲涅耳对旋光现象的解释
1、两个同频率振幅相等的简谐振动可以合为一 个圆的运动或者反过来说，一个圆运动可以分 解为一对相互垂直的同频率同振幅的简谐运动。 2、一个直线运动上的简谐振动，可以分解为一 对圆的运动。 3、菲涅耳认为线偏振光可以分解为一对左、右
英晶片的厚度d成正比。 φ= α d
比例系数α叫做石英的旋光率， α 的数值因入射光的波长不同而不同。在 白光的照射下，不同颜色的振动面旋转 的角度φ不同。
6
α与λ的关系见下表：
7
7、旋光色散
由于各种不同颜色的光的旋转 角不同，旋转偏振片Ⅱ不能同时消 光，在偏振片后面观察到的将是色 彩的变化，此现象称为旋光色散。
20
3、如前所分析可得： 若将石英晶体切成垂直于光轴的晶
片，它具有旋光线，切成平行于光轴的 晶片，它与普通无旋光晶体一样，可以 制成等位相延时片。如果倾斜切割，则 可获得椭圆偏振的双折射（存在L光和R 光，即旋光现象）。 四、旋光现象的应用
量糖术与磁致旋光（略）
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小结：
本节对旋光现象作了简单介绍，其 理论基础是线偏振光可以看成是一对同 频率、同幅度、旋转方向相反的左、右 旋圆偏振光合成的，对于有些晶体如石 英，左、右旋圆振光，其折射率略有不 同，导致出射时，其合成的线偏振光的 振动面比原来转过了一个角度φ ，从而 产生了旋光现象。
由于nR与nL的差别太小，未能获得成功。 （2）、用左、右旋石英晶体制成棱镜交
替排列起来，构成复合棱镜，结果能较好
的观察到左旋光和右旋光。（见图5-6）
其原因分析作为思考题，留给同学们
课后思考。
（Note: 析。）
比较nR
、
nL，利用折射定律去分
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三、旋光晶体内的波面
1、负晶体与正晶体（复习） 负晶体（冰洲石）:
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