第五章晶体偏振光学5.1双折射双折射的基本现象双折射晶体及其基本特性单轴晶体中的波面惠更斯作图法一、双折射的基本现象横波和偏振概念的回顾标量波：温度、密度、……矢量波：电磁波、声波……空气中的声波—疏密波电磁场—矢量波横波和偏振概念的回顾振动方向空气中的声波——疏密波无偏振传播方向、振动方向传播方向电磁场——横矢量波,有偏振传播方向电场方向磁场方向横波和偏振概念的回顾**横波和偏振概念的回顾双折射的基本现象方解石晶体的双折射（doublerefraction，birefringence）双折射的基本现象双折射的基本现象一束入射到介质中的光经折射后变为两束光，称为双折射。折射后的两束光都是线偏光。一束遵循折射定律，称为寻常光（o光）。o-ordinary一束不遵循折射定律，不一定在入射面内，不满足称为非常光（e光）。e-extraordinary从晶体中射出后，不再称o光、e光 e光入射光o光o光e光双折射的基本现象红色箭头经过方解石晶体的两个像经过线偏振器后o光的像将线偏振器旋转90o后，e光的像二、双折射晶体及其基本特性晶体的概念晶体：外部具有规则的几何形状，内部原子具有周期性的排列结构，被称为有序或空间对称。非晶和液体：无规则外形，内部原子无序排列单晶体与多晶体固体分为晶体和非晶体，晶体可分为单晶体和多晶体。单晶体：晶体内部原子都按周期性排列，如：食盐、雪花、天然水晶、单晶冰糖等。多晶体：晶体内局部区域里原子按照周期性规则排列，但不同区域之间原子的排列并不相同。多晶体也可以看做是许多取向不同的小单晶体（晶粒）组成的。多晶体有金属、陶瓷、石头、陨石等。食盐雪花单晶冰糖多晶冰糖双折射晶体能够产生双折射的晶体，都是具有各向异性结构的。方解石晶体，即CaCO3，碳酸钙的三角晶系，是一种典型的双折射晶体（单轴）。常含杂质，无色的称冰洲石晶体石英（水晶）、红宝石、冰等也是双折射晶体（单轴）。云母、蓝宝石、橄榄石、硫黄等是另一类双折射晶体（双轴）。双折射晶体—方解石晶体9x12cm150.6carats3.9carat1865carats1克拉=200毫克双折射晶体—方解石晶体含锰方解石15-18cm.砷铜铅矿方解石12cm.12cm12-15cm冰洲石晶体，30x45cm双折射晶体的特征参量单轴晶体：方解石晶体、石英、红宝石、冰，等等。双轴晶体：云母、蓝宝石、橄榄石、硫黄，等等。1.晶体的光轴：光沿此方向入射时无双折射。注意和几何光学的光轴相区分双折射晶体的特征参量1.晶体的光轴—方解石的光轴由三个102o顶角组成的顶点由三个102o顶角组成的顶点单轴晶体光轴光轴光轴三角晶系双折射晶体的特征参量1.晶体的光轴不同视角、不同大小时的光轴光轴双折射晶体的特征参量1.晶体的光轴沿光轴入射，无双折射光轴冰洲石的光轴双折射晶体的特征参量2.主截面入射界面（晶体
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面）的法线与光轴形成的平面。与晶体相关，与光线无关。入射面主截面光轴入射表面（界面）的法线光轴法线入射光双折射晶体的特征参量3.主平面晶体中的光线与光轴所形成的平面。o光主平面：o光振动方向垂直于o光主平面，即电矢量垂直于光轴。e光主平面：e光电矢量平行于e光主平面。o光e光主截面o光主平面e光主平面光轴入射光双折射晶体的特征参量一般情况下，各个面并不重合入射面o光e光主截面o光主平面e光主平面光轴双折射晶体的特征参量选择合适的入射方向，可以使入射面与主截面重合，这时光轴处于入射面之中。o光主平面、e光主平面重合，且均与主截面重合。o光：电矢量垂直于光轴，垂直于o光主平面（主截面）e光：电矢量平行于主平面，即电矢量在e光主平面（主截面）内。o光和e光的光强入射面与主截面重合o光e光主平面重合主平面入射光电场振动方向和主平面的夹角o光和e光的光强自然光入射时，如果不考虑吸收，有三、单轴晶体中的波面o光、e光与晶体光轴的关系单轴晶体：只有一个光轴单轴晶体的电子存在两个固有的振动频率.一个是与光轴平行方向的振动ω1另一个是与光轴垂直方向的振动ω2简单四方光轴三角晶系o光传播时，电矢量垂直于光轴，所以沿各个方向传播时，振动频率相同，则速度也相同，其波面为球面。e光向不同方向传播时，电矢量相对于光轴的方向不同，其振动频率也不同，所以速度也不同，其波面为旋转椭球面。e光主平面晶体中光波波面的特点除了两个特殊的方向，e光的传播方向与其波面不垂直。这是因为其波面为椭球面。o光的波面是球面，故其传播方向处处与其波面垂直。e光的主折射率负晶体正晶体由于e光在不同方向传播速度不同，折射率也不同。定义e光的主折射率：e光沿与光轴垂直方向传播时的速度为ve，则其主折射率为ne=c/ve。冰洲石e光为扁椭球石英e光为长椭球eo⊙光轴光轴eo负晶体：正晶体：光轴eeo⊙光轴四、惠更斯作图法针对光轴在入射面内的情形步骤：1、作出入射光的波面由1与入射界面的交点A向2作垂线，交于B点。AB即为入射光波面。则光线2到达界面B’时，A点的光已在介质中传播的时间为t=BB’/c。12针对光轴在入射面内的情形步骤：2、作o光波面：以A为中心，vot为半径作球面，该球面与过B’的平面的切点为Ao’，AAo’即为o光的方向。针对光轴在入射面内的情形步骤：2、作e光的波面：光轴与o光波面的交点也是光轴与e光波面的交点，为椭球面的一个轴，另一轴与该轴垂直，长度为vet，可以作出椭球面，过B’点的平面与其切点为Ae’，AAe’为e光的方向。e光的方向不符合一般的折射定律几个特例光轴垂直于界面，正入射（沿光轴入射）：o光、e光波面不分开，不发生双折射光轴
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