晶体的双折射现象

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
光
玻璃
4
纸面
光
玻璃
5
纸面
光
玻璃
6
纸面
光
玻璃
7
纸面
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: ssii9 n in 00n n o1Baidu Nhomakorabea1..6 55 5i8 1 069
A(D) D
102º
C B(C)
而i =76º> 69º，全反射.
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.
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.
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。
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)
负晶体 (vo < ve )
正晶体
v0 ve
负晶体
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
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
re o光 e光
o光 : 遵从折射定律
n 1soii光n n 与2seir 光o n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s.iinnr线ie 偏co振nst光
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
31
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。
32
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.
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)
光
玻璃
8
纸面
光
玻璃
9
纸面
光
玻璃
10
纸面
光
玻璃
11
纸面
光
玻璃
12
纸面
光 光
方解石 晶体
13
纸面
光 光
方解石 晶体
14
纸面
光光
方解石 晶体
15
纸面
光光
方解石 晶体
16
纸面
光光
方解石 晶体
17
纸面
光光
方解石 晶体
18
纸面
光光
方解石 晶体
19
纸面
光光
方解石 晶体
20
纸面
光光
方解石 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；
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；
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。
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
102o 102o
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
21
纸面
光 光
方解石 晶体
22
纸面
光光
方解石 晶体
23
纸面
光光
方解石 晶体
24
纸面
光光
方解石 晶体
25
纸面
光光
方解石 晶体
26
纸面
光光
方解石 晶体
27
纸面
光光
方解石 晶体
28
纸面
光光
方解石 晶体
29
纸面
光 光
方解石 晶体
30
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。
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。