光在晶体中的传播(1) 制作者： 赣南师范学院物理与电子信息学院： 王形华.

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1 光在晶体中的传播(1) 制作者： 赣南师范学院物理与电子信息学院： 王形华

2 第七章：光在晶体中的传播 §1 双折射 一、双折射现象和基本规律
本章讨论光在各向异性媒质中的传播，主要是晶体，对于光本身主要是它的偏振态的改变问题。 §1 双折射 一、双折射现象和基本规律 1、双折射现象 同一束入射光射到晶体，折射后分成两束光的现象称为双折射。 （冰洲石：CaCO3，方解石的一种）

3 2、o光和e光 一束平行光线照射到晶体表面，在晶体内的 两条折射线中，一条总是符合普通的折射击定律 称为寻常光——o光， 而另一条却常常违背
它，称之为非寻常光 ——e光. （o光、e光只是在晶 体里面有意义）

4 3、晶体的光轴 在晶体中存在 着一个特殊的方向， 光线沿着这个方向传 播时，o光和e光不分 开，这个特殊的方向 称为晶体的光轴。
Note：光轴不是一条线， 而是一个方向。

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6 二、单轴晶体中的波面 4、主截面 5、双折射光的偏振 1、单轴晶体、双轴晶体
光线沿晶体的某界面入射，此界面的法线与晶体的光轴组成的平面，称为主截面。 5、双折射光的偏振 用检偏器考察从晶体射击出的两光束时，结果发现其都是线偏振光，且两束光的偏振方向相互垂直。 二、单轴晶体中的波面 1、单轴晶体、双轴晶体 （1）只有一个光轴方向的晶体称为单晶体。 如：冰洲石、石英、红宝石、冰等。

7 2、单晶体中光的波面 （2）有两个光轴方向的晶体，称为双晶体。 如：云母、兰宝石、橄榄石、硫磺等。 （1）各向同性媒质 （2）各向异性媒质
（3）单轴晶体中，o光传播规律与普通各向同性媒质中一样，沿各个方向的传播速度v0相同，其波面是球面。e光沿各个方向的传播速度不相同，沿光轴方向传播速度与o光一样，也是v0 ，沿垂直光轴方向的传播速度是另一数值ve，沿其它方向传播速度v介于v0与ve之间，其波面是一椭球面。

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9 3、主平面 （1）晶体中某条光线与晶体光轴构成的平面，称为主平面。（与主截面不是同一个面，主平面是为了用来说明o光、e光的偏振状态而引入的。） （2）o光的偏振：电矢量的振动方向与主平面垂直。 （3）e光的偏振：电矢量的振动方向与主平面平行。 4、主折射率 对于o光晶体的折射率no=c/ v0 ,但对e光，因为它不服从普通的折射定律，不能简单地用一个折射率来反映它折射的规律。通常仍把真空光速c与e光沿垂直于光轴传播时的速度ve之比也叫做它的折射率,用ne表示， ne=c/ve

10 主折射率： no=c/ v0 ne=c/ve

11 5、负晶体、正晶体 负晶体（冰洲石）: ve ＞ v no ＞ne（内切球） 正晶体（石英）: ve ＜ v no＜ne （外切球）

12 三、惠更斯作图法 1、各向同性媒质 （1）画出平行的入射光束，其与界面的交点为A、Bˊ。
（2）作入射光波面AB，B到B ˊ的时间为 t=BB ˊ /c （3）以A为中心，vt为半 径在介质内作半园。 （4）过B ˊ点作半园的切 线B ˊA，切点为A ，BA ˊ 即为折射线波面。 （5）连结A与A ˊ ，此即为 折射线（方向）。

13 2、单轴晶体 ve ＞ v0 负晶体 （1）、（2）与上相同。 （3）沿光轴方向作出相应的球面和椭球面，在光轴处相切。
（4）过Bˊ点作o光与e光的次波切面，得切点AO ˊ与Ae ˊ 。（5）连结A AO ˊ、 A Aeˊ此即为折射线（方向） 负晶体 ve ＞ v0 主平面

14 3、三种实例 （1）光轴垂直于界面，光线正入射； （ve ＞ v0 、 负晶体 、 无双折射现象） 主平面

15 （2）光轴平行于界面，光线正入射； （ve ＞ v0 、 负晶体 、存在双折射现象） 主平面

16 （3）光轴垂直于入射面，光线斜入射。 （ve ＞ v 负晶体 存在双折射现象）

17 §2 晶体光学器件 一、晶体偏振器 1、洛匈棱镜 负晶体（冰洲石）: ne ＜ no 对于e光： 光密→光疏 双折射现象的 重要应用之一是制
§2 晶体光学器件 一、晶体偏振器 双折射现象的 重要应用之一是制 作偏振器件。因为 O光和e光都是100% 的线偏振光。 1、洛匈棱镜 负晶体（冰洲石）: ne ＜ no 对于e光： 光密→光疏

18 2、渥拉斯顿棱镜 o光:垂直主平面 e光:平行主平面 o光 ne ＜ no e光→o光 光疏→光密 o光→e光 光密→光疏 e光

19 3、尼科耳棱镜 ne ＜n ＜ no

20 o光 : 光密→光疏，可以产生全反射 e光 : 光疏→光密，不可能产生全反射 ne ＜n ＜ no

21 尼科耳棱镜的缺陷： （1）入射光束的会聚角不得过大，否则0光将不发生全反射，或e光与光轴的夹角变小，从而折射率变大，且投在剖面上的入射角也增大。当入射线达到某一位置SeM时e光也会全反射掉。 （2）入射击光线上、下两方的极限角∠ S0MS≈ ∠ SMSe=14o，使用尼科耳棱镜时，入射光束的会聚角不能超过此限。 （3）由于加加拿大树胶吸收紫外线，故尼科耳棱镜对此波段不适用。

22 二、波晶片——位相延迟片 no=c/ v0 ne=c/ve 用双折射晶体除了可以制做偏振器外，另一个重要用途是制做波晶片。 波晶片厚度为d
o光：Lo= no d φo=－2π nod/ λ e光：Le= ned φe=－2π ned/ λ （负号表示位相落后，与前面的定义相反。）

23 o光相对于e光位相(落后): △=φo－φe=2π d（ne－ no ） / λ
1、四分之一波长片（ λ/4片） ： d（ne－ no ） = ± λ/4 或 d（ne－ no ） = ± (2k+1) λ/4 （k=0、1、2、……) △= ±π /2或△=± (2k+1) π /2

24 2、二分之一波长片（ λ/2片） ： d（ne－ no ） = ± λ/2 或 d（ne－ no ） = ± (2k+1) λ/2 （k=0、1、2、……) △= ±π 或△=± k π

25 3、全波片： d（ne－ no ） = ± λ 或 d（ne－ no ） = ± k λ （k=0、1、2、……) △= ±2π 或△=± 2kπ

26 4、以o光、e光振动方向为坐标轴，建立o—e直角坐标系
作业：P187 3、4。