偏振晶體中的光傳播第一頁，共六十頁，2022年，8月28日第二頁，共六十頁，2022年，8月28日§1雙折射一.

雙折射現象和基本規律re自然光iron1(各向異性媒質)o光e光1.尋常光和非尋常光o光:遵從折射定律e光:不遵從折射定律eo···e

方解石o···e光折射線甚至可以不在入射面內。1第三頁，共六十頁，2022年，8月28日2.晶體的光軸當光在晶體內沿某個特殊方向傳播時不發生雙折射，該方向稱為晶體的光軸。例如，方解石晶體(冰洲石)AB光軸102°光軸是一特殊方向（凡平行于此方向的直線均為光軸）。單軸晶體：只有一個光軸的晶體雙軸晶體：有兩個光軸的晶體解理面。鈍隅。若切去，磨出垂直于光軸的平表面，正入射時就無雙折射。各種晶體分屬七個晶系：立方晶系（例如NaCl晶體）-------光學各向同性！三角晶系、四方晶系、六角晶系------單軸晶體正交晶系、單斜晶系、三斜晶系------雙軸晶體（為什么沒有“三軸晶體”？）2第四頁，共六十頁，2022年，8月28日3.主平面和主截面主平面：晶體中光的傳播方向（光線）與晶體光軸構成的平面。e光光軸e光的主平面o光光軸o光的主平面····主截面：晶體表面的法線與晶體光軸構成的平面。（表面不一定是解理面）二.單軸晶體中的波面光矢量振動方向與晶體光軸的夾角不同的光，傳播速度也不同。若入射光線在主截面內，即入射面與主截面重合，則進入晶體后o、e光線都在此主截面內，主平面就與主截面重合。3第五頁，共六十頁，2022年，8月28日························vot光軸光軸vetvoto光

:e光

:

no

，ne

稱為晶體的主折射率

正晶體:

ne>no負晶體:

ne<no子波源votvet光軸votvet光軸

正晶體

(vo>ve)

負晶體(vo<ve)子波源(e<o)(e>o)4o與方向無關，是常數沿垂直于光軸的方向傳播時，有最大(或最小)的速度，將它記為(圖夸大了ne和no的差別)(如方解石)第六頁，共六十頁，2022年，8月28日三.單軸晶體中光傳播的惠更斯作圖法1.光軸平行于晶體表面，自然光垂直入射····

eoeo光軸晶體····(o,e光在方向上雖沒分開，但速度不同。)2.光軸平行于晶體表面，且垂直于入射面，自然光斜入射····晶體光軸ir0reo

········oΔteΔteo

ecΔt以下設為負晶體(e>o)5第七頁，共六十頁，2022年，8月28日3.光軸與晶體表面斜交，自然光垂直入射······o

e晶體光軸····

e方解石光軸······o

eo(此時e光的波面不再與其波射線垂直了)4.一般的斜入射，但入射線在主截面內

(怎么作圖？)6§2晶體光學器件(前已討論過，二向色性晶體可用來產生線偏振光，但性能不好，還不如人造偏振片，實際上不用。)第八頁，共六十頁，2022年，8月28日1.一種偏振棱鏡：格蘭棱鏡7一.晶體偏振器方解石，磨制，兩塊，合起來，如圖。這樣安排光軸的取向使e光對應的恰好是

ne

。no(1.6584)＞n(1.55)＞

ne(1.4864)o光在粘合處發生全反射，透射的是極純的線偏振光。格蘭-傅科(Glan-Foucault)棱鏡:空氣間隔，較短。(Glan-air)Glan-Thompson

:············光軸光軸方解石方解石加拿大樹膠

(n=1.55)oei吸收涂層(76°(39°)(優、缺點，…)(鈉黃光)第九頁，共六十頁，2022年，8月28日3.偏振分束鏡:·12方解石方解石·······oe光軸光軸·方解石ne<no2.尼科耳棱鏡

(Nicol

)，

p.183，圖2-3，歷史意義。洛匈(Rochon)棱鏡塞那蒙(Senarmont)棱鏡8(有時，一些考試題目中還用Nicol代表線偏振器。)沃拉斯頓(Wollaston)棱鏡(p.183，圖2-2)(p.182，圖2-1)第十頁，共六十頁，2022年，8月28日二.晶體相移器件1.波晶片─相位延遲片波晶片是光軸平行于表面的晶體薄片。ydxAAoAe線偏振光光軸λ

通過厚為d的晶片，o、e光產生相位差：AAoAe光軸P

振幅關系：9[p.185，(2.1)改]設線偏振光入射，第十一頁，共六十頁，2022年，8月28日從晶片出射的是兩束傳播方相同、振動方向相互垂直、頻率相等、相位差的線偏振光，它們合成為一束橢圓偏振光。

四分之一波片，線偏振光→圓偏振光，線偏振光→線偏振光從線偏振光獲得橢圓或圓偏振光（或相反）(4片)，線偏振光→橢圓偏振光10時為圓偏振光。且通過4片：第十二頁，共六十頁，2022年，8月28日

二分之一波片使線偏振光振動面轉過2角度A0入A0出A入A出Ae入=Ae出入光軸

全波片三.橢圓偏振光和圓偏振光的檢偏用

4片和偏振片P配合，可以區分自然光和圓偏振光，也可區分部分偏振光和橢圓偏振光。2.通過波晶片后光束偏振態的變化（p.197，表Ⅶ-2）

偏振片和4片按45方式貼合成為一個整體，構成圓偏振鏡（有正反面之分，有左右旋之分）。11

左旋圓偏振光不能反向通過右旋圓偏振鏡。(光隔離器)第十三頁，共六十頁，2022年，8月28日四分之一波片圓偏振光自然光自然光線偏振光偏振片（轉動）線偏振光

I不變線偏振光I變,有消光以入射光方向為軸四分之一波片橢圓偏振光部分偏振光線偏振光偏振片（轉動）線偏振光I變,有消光部分偏振光光軸平行于最大光強或最小光強方向放置，或光軸平行于橢圓偏振光的長軸或短軸放置線偏振光I變,無消光12第十四頁，共六十頁，2022年，8月28日§3偏振光的干涉人為雙折射一.偏振光干涉裝置：兩偏振器之間放波晶片晶片C光軸單色自然光偏振片P1偏振化方向偏振片P2偏振化方向二.偏振光干涉的分析1.振幅關系P2P1CA1AeAoA2oA2e(兩偏振器正交，即通振方向互相垂直，是典型的最常見的安排。)

關于偏振度P：式中應理解為用4

片和線檢偏器配合所能得到的最大、最小光強。13第十五頁，共六十頁，2022年，8月28日

通過晶片C后(此兩束光合成為一束橢圓偏振光，但可以不討論它，而繼續往下看，…)再通過P2

后(若P1、P2夾角小于，則無附加相差

)2.相位關系14經P2

后，兩束光振動方向平行，振幅為：第十六頁，共六十頁，2022年，8月28日干涉相消若單色光入射，且d不均勻，則屏上出現等厚干涉條紋。(p.206，楔形晶片的等厚條紋)三.色偏振設晶片厚度d均勻。若某種顏色干涉相消，則屏上將(大體上)呈現它的互補色，這叫(顯)色偏振。若d不均勻，則屏上出現彩色圖樣。例如紅色相消→呈綠色；藍色相消→呈黃色，與波長有關，用白光入射時，…15干涉相長第十七頁，共六十頁，2022年，8月28日可以人為地造成材料各向異性，而產生雙折射。這稱為人為雙折射，如下的…四.光彈性效應(應力雙折射效應)P1P2··dFSF干涉有機玻璃C應力→各向異性→各向不同→→相當于n各向不同。在一定應力范圍內：16第十八頁，共六十頁，2022年，8月28日各處

不同→各處不同→出現干涉條紋。

變→變→干涉情況變。五.電光效應

(電致雙折射效應)1.克爾(Kerr)效應(1875)l+-4545P1P2克爾盒d（“光測彈性”學）17第十九頁，共六十頁，2022年，8月28日

不加電場液體各向同性

P2后無光

加電場液體呈單軸晶體性質，——二次電光效應

E—電場強度，B—克爾常數克爾效應引起的相位差為：克爾盒相當于半波片，P2透光最強。時，光軸平行于P2透光18(d是兩極板間距，V是電壓)第二十頁，共六十頁，2022年，8月28日2.泡克爾斯(Pockels)效應(1893)電光晶體+。。-P1P2KK泡克爾斯盒··例如，硝基苯

m2/V2，若l=3cm，d=0.8cm,λ=600nm的黃光，則產生k=的電壓

V

。克爾盒的應用:

高速光開關，電光調制器，…克爾盒的缺點:…無對稱中心的晶體，20個晶類（都是壓電晶體）（縱向的，橫向的）19第二十一頁，共六十頁，2022年，8月28日

不加電場→P2

不透光。

加電場→晶體變雙軸晶體→原光軸方向附加了泡克爾斯效應引起的相位差——線性電光效應no—o光在晶體中的折射率；V

—電壓；r

—電光常數。應用:…

六.磁致雙折射科頓—穆頓(Cotton-Mouton)效應，是平方磁光效應。Kerr效應的磁學類比。雙折射效應→P2

透光。20第二十二頁，共六十頁，2022年，8月28日§4旋光一.一些物質的旋光現象使線偏振光的振動面發生旋轉(左旋，右旋)

—旋光率二.菲涅耳的解釋(圓雙折射)線偏振光可分解為：同頻率、等振幅、有確定相位差的一左(L

)旋、一右(R)旋的兩個圓偏振光。旋轉的角度：

＝d

旋光物質

d例如：石英，對鈉光，＝21.7o/mm松節油，－3.7/cm膽zan相液晶，很大的旋光率，~/mm

LousPasteur的發現：消旋酸，左右旋各一半。地球上的DNA都是右旋的。（？）21第二十三頁，共六十頁，2022年，8月28日EELER·o光通過旋光物質后，R圓光和L圓光的相位滯后不同。ELERE(a)(b)ELERERL同一時刻(a)(b)

d設入射時L、R初相為0，旋光物質長d22第二十四頁，共六十頁，2022年，8月28日在出射面上:由圖示，有：令

——旋光率則

＝d23第二十五頁，共六十頁，2022年，8月28日三.量糖術對溶液有──溶液的旋光率c──溶液的濃度──溶液的比旋光率“量糖計”四.磁致旋光

l磁致旋光物質B旋轉的角度

V─費德爾常量，24(法拉第效應)(V>0的，順B傳時左旋)第二十六頁，共六十頁，2022年，8月28日對天然旋光物質，振動面的左旋或右旋是由旋光物質本身決定的，與光的傳播方向無關。反射鏡入射光左旋反射鏡反射光左旋25第二十七頁，共六十頁，2022年，8月28日

對磁致旋光物質，光沿與逆方向傳播，振動面旋向相反。反射鏡反射光右旋B反射鏡入射光左旋B26第二十八頁，共六十頁，2022年，8月28日一種光隔離器····BPM磁致旋光物質27使得＝45°，則2＝90°，可消除反射光的干擾。第二十九頁，共六十頁，2022年，8月28日§3偏振光的干涉一.偏振光干涉裝置偏振化方向偏振片P2單色自然光偏振片P1偏振化方向d晶片C光軸方向二.偏振光干涉的分析1.振幅關系AoA2oP2P1CA1AeA2e在P2

后：相干在P1

后：屏第三十頁，共六十頁，2022年，8月28日通過晶體C后：此兩束光合成為一束橢圓偏振光。再通過P2

后：2.相位關系—相長干涉—相消干涉若單色光入射，則屏上為等厚條紋。且d不均勻，（若P1、P2夾角小于，則無附加相位差）第三十一頁，共六十頁，2022年，8月28日石英劈尖的偏振光干涉（等厚條紋）第三十二頁，共六十頁，2022年，8月28日于某種顏色干涉相消，而呈現它的互補色，三.色偏振（chromaticpolarization）若白光入射，且晶片d均勻，若d不均勻，則屏上出現彩色條紋。紅色（656.2nm）相消如：藍色（485.4nm）相消色偏振是檢驗材料有無雙折射效應的靈敏方用顯微鏡觀察各種材料在白光下的色偏振，法，可以分析物質內部的某些結構—偏光顯微術。則：屏上由這叫（顯）色偏振。→綠色（492.1nm）；→黃色（585.3nm）。第三十三頁，共六十頁，2022年，8月28日硫代硫酸鈉晶片的色偏振圖片第三十四頁，共六十頁，2022年，8月28日★色偏振圖片第三十五頁，共六十頁，2022年，8月28日第三十六頁，共六十頁，2022年，8月28日§4人工雙折射人為地造成各向異性，而產生雙折射。一.光彈效應（photoelasticeffect）應力→各向異性在一定應力范圍內：光彈效應也叫應力雙折射效應。→v各向不同→n各向不同P1P2··dFSF干涉有機玻璃C第三十七頁，共六十頁，2022年，8月28日各處不同→各處不同→出現干涉條紋，變→變→干涉情況變。模型的光彈圖象釣鉤的光彈圖象第三十八頁，共六十頁，2022年，8月28日★應力雙折射圖片第三十九頁，共六十頁，2022年，8月28日第四十頁，共六十頁，2022年，8月28日第四十一頁，共六十頁，2022年，8月28日第四十二頁，共六十頁，2022年，8月28日二.電光效應（photoelasticeffect）電光效應也叫電致雙折射效應。1.克爾效應（kerreffect）

（1875年）45P2盒內充某種液體，如硝基苯（C6H5NO2）l+-克爾盒dP145

▲不加電場→液體各向同性→P2不透光；

▲加電場→液體呈單軸晶體性質，光軸平行電場強度P2透光。第四十三頁，共六十頁，2022年，8月28日

——二次電光效應k

—克爾常數，U—電壓克爾效應引起的相位差為：克爾盒相當于半波片，P2透光最強。時，則產生k=硝基苯，若l

=

3cm，d=0.8cm，對=600nm的黃光，。時的電壓第四十四頁，共六十頁，2022年，8月28日可作為光開關（響應時間10-9s），克爾盒的應用：克爾盒的缺點：和加數萬伏的高電壓，用于高速攝影、激光通訊、光速測距、脈沖激光系統（作為Q開關）硝基苯有毒，需要極高的純度故現在很少用。易爆炸，第四十五頁，共六十頁，2022年，8月28日2.泡克爾斯效應（pockelseffect）

（1893年）。電光晶體+。-P1P2KK泡克爾斯盒··光傳播方向與電場平行，電極K和K′透明，晶體是單軸晶體，

▲不加電場→P2

不透光。

▲加電場→晶體變雙軸晶體了雙折射效應→原光軸方向附加→

P2

透光。光軸沿光傳播方向。第四十六頁，共六十頁，2022年，8月28日no—o光在晶體中的折射率；泡克爾斯效應引起的相位差：

——線性電光效應r

—電光常數；時，P2

透光最強。

KH2PO4（KDP）、NH4H2PO4（ADP）等單晶都具有線性電光效應。對=546nm的綠光，如KDP

no=1.51，U

—電壓。激光調Q，超高速開關（響應時間小于10-9s），數據處理…顯示技術，應用：第四十七頁，共六十頁，2022年，8月28日三.磁致雙折射科頓—穆頓（Cotton-Mouton）效應：某些透明液體在磁場H作用下變為各向異性，HC——

二次效應需要很強的磁場才能觀察到。性質類似于單軸晶體，光軸平行磁場。第四十八頁，共六十頁，2022年，8月28日§5旋光現象一.物質的旋光性（opticalactivity）除石英外，氯酸鈉、乳酸、松節油、糖的水溶液等也都具有旋光性。

旋光物質

a—旋光率旋轉的角度：

l1811年，法國物理學家阿喇果（Arago）其振動面能發生旋轉，發現，線偏振光沿光軸方向通過石英晶體時，這稱為旋光現象。光軸第四十九頁，共六十頁，2022年，8月28日實驗表明，旋光率a與旋光物質和入射波長有關，對于溶液，還和旋光物質的濃度有關。石英對=589nm的黃光，a=21.75/mm；而對=408nm的紫光，a=48.9/mm。物質的旋光性是和物質原子排列結構有關的。

分子式相同的旋光材料因有不同的結構，呈現不同的旋光性，稱為同分異構體。面對光的傳播方向觀察，能使振動面順時針旋轉的稱為右旋物質，反之是左旋物質。液體或溶液中分子不是規則排列的，旋光性不再像石英晶體那樣與分子的空間排列有關，而是由一個個分子本身具有類似螺旋狀結構引起的。第五十頁，共六十頁，2022年，8月28日

人工合成的有機物總是有數目相等的左旋和右旋的同分異構體，這樣的混合物無旋光性。但是，天然的有機化合物卻不是這樣。例如天然的蔗糖，不論是從甘蔗還是從甜菜榨出來的，統統是右旋的。生物對左、右旋的兩種旋光異構體能夠識別并作出選擇。某些抗菌素，從培養液中提取的天然品是左旋的，而制藥工業所生產的人工合成品是左右旋各半，其中左旋的一半才有療效。第五十一頁，共六十頁，2022年，8月28日二.菲涅耳對旋光性的解釋線偏振光可看作是同頻率、等振幅、有確定相位差的左(L)、右(R)旋圓偏振光的合成。CCOOHCH3HOH

CCOOHCH3HOH

左旋乳酸右旋乳酸第五十二頁，共六十頁，2022年，8月28日光通過旋光物質后，初相位要滯后。EELER·O在出射面上：設入射時L、R初相為0，ELERE入射面(a)旋光物質長為l，出射面(b)ELERERL同一時刻光通過左旋物質顯然此物質為左旋體。初相初相第五十三頁，共六十頁，2022年，8月28日由圖示：令—旋光率則(a)