偏振与晶体双折射(精)
晶体的双折射现象(精)
•
光轴
• •
o光
e光
o光 e光
3. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射
o光
• •
e光
• •
• •
e光
• •
o光
•
此时，o, e 光传播方向相同，但传播速度不同。从晶体出
射后，二者产生相位差。
三. 晶体偏振器
no (1.658) n(1.55) ne (1.486)
1. 尼科耳棱镜
••
•
•
2. 渥拉斯顿棱镜
•
光轴 o光
•
••
••
o光
e光
e光
o光Biblioteka ••上述两种棱镜得到的偏振光 质量非常好，但棱镜本身价 格很高，因而使用较少。
负晶体 no ne
o光 ie,o
••
e光
加拿大树胶
••
e
o
•
• e光 o光
3. 波晶片（光轴平行于表面且厚度均匀的晶体）
自然光垂直入射波晶片后， o 光, e 光传播速度不同， 产生的相位不同 。
§14.13 晶体的双折射现象
一. 双折射现象
1.双折射
双折射现象 一束光入射到
各向异性的介质后出现两
s
束折射光线的现象。
方解石
R2
R1
2. 寻常光和非寻常光
两折射光线中有一条始终在入 射面内，并遵从折射定律，称 为寻常光，简称 o 光
i n1
n2
e o
e光
o光
另一条光一般不遵从折射定律，称非常光，简称 e 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)
偏振与双折射实验报告
偏振与双折射实验报告实验目的：本次实验旨在通过实验操作验证偏振与双折射现象，并深入了解其基本原理和应用。
实验器材：偏光片、双折射晶体、平行光源、显微镜、偏振镜、光源滤片、介质物。
实验原理：偏振现象指的是碎片形状不同的光通过偏振片时，透射出的光线及光强会有所改变的现象。
偏振片是由其中的一些小分子串列而成的，这些小分子只容许某一方向的振动传播。
当光透过偏振片时，只有与筛网平行的振动分量可以通过，与筛网垂直的振动分量则被截止了。
双折射现象是指在某一些晶体中，不同方向的光线具有不同的折射率，从而产生双折射现象。
在正常的单折射晶体中，光的传播方向与折射率无关。
在双折射晶体中，光的传播方向与折射率是有关系的。
通过双折射显微镜可以观察到双折射现象。
实验步骤：第一步：使用光源、平行光源和光源滤片，发出平行光线。
第二步：在光路中加入偏振片和偏振镜，观察透射光线的改变。
第三步：选一块双折射晶体，放在偏振片和偏振镜之间的光路上，观察透射光线的变化。
第四步：在双折射晶体中加入特定介质物，再次观察透射光线的变化。
实验结果：在第一步中，我们通过光源、平行光源和光源滤片，发出平行光线。
在第二步中，我们将偏振片和偏振镜加入光路，发现透射光线的光强会发生变化。
在第三步中，我们选一块双折射晶体，放在偏振片和偏振镜之间的光路上，观察到透射光线会发生双折射现象。
在第四步中，我们在双折射晶体中加入特定介质物，观察到透射光线的双折射现象随介质物种类不同而改变。
结论：本次实验中，我们验证了偏振和双折射现象的存在，并深入了解其基本原理和应用。
我们也掌握了相关实验操作技能，并通过实验得到了有价值的数据和结论。
光的偏振与光的双折射实验研究
实验原理及步骤简介
3. 观察双折射现象
将线偏振光投射到双折射晶体上，观 察并记录寻常光和非常光的传播方向 和光强变化。
4. 数据采集与分析
使用测量仪器记录实验数据，并通过 计算机进行数据处理和分析，得出实 验结果。
03
光的双折射实验
双折射现象产生条件及原理
产生条件
当一束光通过某些晶体时，会分成两束光沿着不同方向传播，这种现象称为双折 射现象。
原理
双折射现象是由于晶体内部存在各向异性，导致光在晶体中传播时速度不同，从 而分成两束光。这两束光的振动方向相互垂直，分别称为寻常光（o光）和非寻 常光（e光）。
双折射晶体选择及实验装置搭建
在实验过程中需要记录光源的波长、晶 体的厚度和双折射率等参数，以及接收 屏上干涉条纹的位置和形状等信息。
VS
数据处理
通过对实验数据的分析处理，可以得到晶 体的双折射率、光在晶体中的传播速度等 重要物理量。同时，还可以通过比较不同 晶体或不同条件下的实验结果，进一步探 究双折射现象的规律和特点。
04
实验结果分析与讨论
偏振实验结果分析
01
在偏振实验中，通过旋转偏振片观察到光强的周期性变化，验 证了光的横波性质。
02
通过测量不同角度下的光强，得到了马吕斯定发现，当入射光为非偏振光时，透射光的光强随偏振
03
片旋转而发生变化，但不会出现完全消光现象。
05
误差来源及减小方法
系统误差来源分析
01
实验仪器误差
包括光源、偏振片、双折射晶 体等元件的制造精度和装配误
差。
02
环境因素
偏振与晶体双折射(精)
状和取向，并在以后的传播中不再改变。
• 线偏光垂直入射到波晶片时，出射光是椭圆偏振光；当θ=450
（AO=Ae）且波晶片为1/4波片（ =+π/2）时，出射光是圆偏 振光。
• 由自然光得到椭圆（园）偏振光：
e
A
椭圆偏振器： 园偏振器：
N1
N2
I0
o
I
起偏器
波晶片
§5.8 偏振态的实验检定
一、平面偏振光的检定：
方法：让被检定的光通过一块偏振片（如尼科耳棱镜），以入 射光为轴旋转偏振片。
第五章 光的偏振
1、阐明自然光、平面偏振光、部份偏振光、圆偏振光 和椭圆偏振光的概念及其检验方法。 2、了解由反射、折射和二向色性晶体所产生的偏振； 掌握布儒斯特定律的马吕斯定律。 3、叙述单晶体双折射的特点，说明惠更斯作图法，阐 明几种偏振仪器的作用。 4、叙述1/4波晶片的作用，分析平行平面偏振光干涉的 条件及其实现的方法。 阐明偏振光的干涉及应用。
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.
当光轴在入射面内时,主截面,o主平面,e主平面都重合.
• 光轴 e光
法线
• • • o光
法线
e光 • • • o光 光轴
二.惠更斯原理对双折射的解释 1.晶体的主折射率，正晶体、负晶体
在双折射晶体中,o光沿各向传播的速度相同,故 o波波面为球面;e光沿各向的传播速度不同,e波面
振幅分别为： AO A sin ,
Ae A cos
e
A
o
在晶片内两个 振动分别为：
Eo
Ao
cost
o
Ao
cos2
光纤的双折射及偏振特性(精)
L LB 2
LB
2 L
0
B
双折射越厉害, 拍长越短。如光纤的拍长远小于某种外界
干扰的长度周期, 它就可抵御这种干扰而有保持偏振状态
的能力。
4.消光比和功率耦合系数
在传输过程中，两个正交的线偏振模之间存在耦合，如在光
纤输入端激发x方向的线偏振模，其功率为P x ，由于耦合， 在光纤的输出端出现了y方向的线偏振模，其功率为 P y。用
Optical fiber communications
§3 光纤的双折射及偏振特性
Copyright Wang Yan
1-1 2024/8/17
一、Introduction
1. SMF实际上有两个简并模：LP0y1, LP0x1
2. 实际光纤并不完善（光纤芯子的椭圆变形，光纤内部
的残余应力），两个模式并不简并，纵向相位常数β略有
幅度比 R Ey0 / Ex0 相位差 y x ( y x )z
E
Ex
EyEx0 exp NhomakorabeaE
y
0
exp
j(t x z) j(t y z)
1
Ex Re xp( j)
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications 1-3 2024/8/17
L
)
R L L R L
2
2
Optical fiber communications
1-12 2024/8/17
Copyright Wang Yan
2.旋光率：单位长度上旋过的角度
R L L R
L2
2
HW1
1.平板波导 n1 1.5, n2 1.45, n3 1.4, d 5m。
大学物理实验偏振与双折射
三、装置
旋转式光学综合放视频
四、现象演示
（1）将光源、方解石晶体、接收屏共轴放置。
（2）将光射到方解石晶体上，光进入晶体后，分解为o、e两束光并从晶体中射出来，在屏上形成两个光斑。
（3）以光的传播方向为轴旋转方解石，会发现一个光斑不动，而另一个光点会绕其旋转。不动光斑对应着寻常光，旋转光斑对应着非寻常光。
双折射现象与双折射的偏振
一、演示目的
观察光通过方解石晶体后发生的双折射现象
二、原理
当光进入各向异性介质（晶体）时，介质中出现两束折射光线的现象叫做双折射。双折射现象具有以下特点：
（1）其中一束折射光始终在入射面内，遵守折射定律，称为寻常光，简称为o光；另一束折射光一般不在入射面内，不遵守折射定律，寻非常光，简称为e光。
（4）用偏振片可检验两束光的偏振化方向。在光路中垂直插入检偏器（偏振片），旋转偏振片可观察到两个光斑的亮度交替变化，并交替消光，说明它们所对应的光（即双折射的两束光）都是偏振光。实验表明，这两束光的消光位置互相直，说明两束光的偏振化方向互相垂直。
五、讨论与思考
方解石越厚，两个光斑分得越开还是越近？
（2）光沿晶体的光轴方向传播时，o光和e光不分开，即不发生双折射。
（3）晶体中光线与光轴构成的平面叫该光线的主平面。o光光振动垂直于自己的主平面，而e光的光振动平行于自己的主平面，也就是说，o光和e光都是线偏振光。
（4）当光线入射在晶体的某一晶面上时，该晶面的法线于晶体的光轴组成的平面叫做晶体的主截面。当入射光线在主截面内时，两折射光线均在入射面内。即此情况下，入射面、主截面和o光和e光的主平面重合；o光和e光的光振动互相垂直。
光的偏振与双折射现象
光的偏振与双折射现象光是一种电磁波，可以在真空中以及各种介质中传播。
而在传播过程中，光的偏振与双折射现象是光波特性中非常重要的内容。
本文将介绍光的偏振与双折射现象的基本概念和原理。
一、光的偏振偏振是指光波中的电场矢量在传播方向上的振动方式。
光波可分为非偏振光、偏振光和部分偏振光。
1. 非偏振光：光波中的电场矢量在各个方向上均匀分布，没有特定的振动方向。
2. 偏振光：光波中的电场矢量在某一特定方向上振动，而在其他方向上几乎无振动。
常见的偏振光有线偏振光和圆偏振光。
3. 部分偏振光：光波中的电场矢量在多个方向上振动，但是其中有一个主要的振动方向。
光的偏振可以通过偏振片进行实验观察和分析。
偏振片是由特殊材料制成的，在某一方向上只允许特定方向的电场矢量通过。
当非偏振光通过偏振片时，只有与偏振片振动方向一致的电场矢量能通过，其他方向上的电场矢量则被滤除，从而得到偏振光。
二、双折射现象双折射指的是某些特定材料在光线入射时会发生两个不同速度的折射现象。
这是由于光在这些材料中的传播速度与光的偏振方向有关。
具有双折射现象的材料被称为双折射材料，其中最常见的是石英晶体。
当光线垂直于晶体的光轴方向传播时，不会发生双折射现象；但当光线不垂直于光轴时，就会发生双折射现象。
双折射材料可以通过偏振光的传播方向和光轴方向之间的夹角来进行分类。
根据夹角的不同，可以分为正常双折射和畸变双折射。
1. 正常双折射：在该类材料中，晶体的光轴方向与偏振光的振动方向垂直。
在光线通过材料时，会出现两个折射光束，一个按照正常的折射定律折射（常光），另一个则不按照常规定律折射（特光）。
2. 畸变双折射：在该类材料中，晶体的光轴方向与偏振光的振动方向不垂直。
在光线通过材料时，除了产生两个折射光束外，还会出现不同程度的畸变现象，导致光的传播路径变得复杂。
三、应用领域1. 光学器件：光的偏振与双折射现象在光学器件的设计中起着重要作用。
例如，偏振片可以用于光的调节、滤波和分析等方面。
光的偏振和晶体的双折射
第五章 光的偏振和晶体的双折射§ 5.1光的偏振态偏振：振动方向相对于传播方向的不对称性。
一．光是横波1、 光是电磁波——横波2、 用二向色性晶体（电气石晶体、硫酸碘奎宁晶体）检验——横波。
最初的器件是用细导线做成的密排线栅（金质线栅，d=5.08×10-4mm ），光通过时，由于与导线同方向的电场被吸收，留下与其垂直的振动。
1928年，Harvaed 大学的Land （19岁）发明了人造偏振片，用聚乙烯醇膜浸碘制得。
到1938年，出现了H 型偏振片，原理相同。
3、名词起偏：使光变为具有偏振特性。
检偏：检验光的偏振特性。
透振方向：通过偏振仪器光的电矢量的振动方向。
二．光的偏振态偏振：振动方向相对于传播方向的不对称性。
对可见光，只考虑其电矢量。
1．自然光振动方向随机，相对于波矢对称。
光的叠加是按强度相加。
可沿任意方向正交分解，在任一方向的强度为总强度之半。
021I I自然光是大量原子同时发出的光波的集合。
其中的每一列是由一个原子发出的，有一个偏振方向和相位，但光波之间是没有任何关系的。
所以，他们的集合，就是在各个方向振动相等、相位差随机的自然光。
在直角坐标系中，一列沿z 向传播、振动方向与X 轴夹角为θ的光，在X 方向的振幅为θθcos A A x =，由于各个光波在X 方向的总强度是光强相加，故有22022220cos )(A d A d A I x x πθθθππθ===⎰⎰同理2A I y π= 而总光强22022A d A I πθπ==⎰，故021I I I y x == 2．平面偏振光（线偏振光）只包含单一振动方向的电矢量。
在任一方向的光强θθ20cos I I =，马吕斯定律。
用偏振片可以获得平面偏振光。
偏振仪器（起偏器）的消光比=最小透射光强/最大透射光强 3．部分偏振光 介于自然光和线偏光之间。
偏振度=（I MAX -I MIN ）/（I MAX +I MIN ） 4．圆偏振光电矢量端点轨迹的投影为圆。
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解:由马吕斯定律
I10
• • I10/2 I1
I10 I1 cos 2 30 2
I 20 I2 cos 2 600 2
同理:
取 I 1 = I2
I10 I 20 2 2 cos 30 cos 60 2 2
两束单色自然光的强度比为:
I 10 cos 2 60 1 2 I 20 cos 30 3
§5-2 反射和折射光的偏振 一. 反射时光的偏振 自然光反射和折射 后产生部分偏振光
n1 n2
••
• • • • i i •• r •
线偏振光 · · i = i0 时，反射光只有 ·S · n1 · · ·i0 i0· 垂直于入射面的光振
动.
n2
r0
·
起偏振角
且
n2 tg i0 n21 n1
•部分偏振光的表示法：
· ·
平行板面的光振动较强 垂直板面的光振动较强
· ·· · ··
4.圆偏振光和椭圆偏振光
偏振面随时间旋转的光为圆或椭圆偏振光.
迎着光线看,光矢量顺时针旋转为右旋偏振光.
右旋椭圆 偏振光
y
E
0
传播方向 x
y
x
/2
某时刻左旋圆偏振光E随z的变化
z
二. 偏振片的起偏和检偏 1. 起偏和检偏 •起偏:从自然光获得偏振光.
§5-3 双折射 偏振棱镜 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
· · ·
方解石
自然光 n
(各向异 性媒质)
i
1
o
n2
re ro o光
e光
2.寻常光(o光)和非寻常光(e光) n1 sin i n2 sin ro o光 : 遵从折射定律
I 0 E 02 ,
IE
2
E 02 cos
2
I I 0 cos
2
马吕斯定律（1809）
0，I I max I 0
，I 0
2
——消
光
例题 有两个偏振片,一个用作起偏器,一个用作检偏器. 当它们的偏振化方向之间的夹角为30º 时,一束单色自 然光穿过它们,出射光强为I1;当它们的偏振化方向之 间的夹角为60º 时,另一束单色自然光穿过它们,出射强 度为I2, 且I 1=I2 . 求两束单色自然光的强度之比.
§5-1 光的偏振性
一.光的偏振状态 1. 线偏振光传播方向看
面 动 振
•线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解
E x E cos
y
Ey E
E y E sin
Ex
x
•线偏振光的表示法：
···· ·
光振动垂直板面
光振动平行板面
2. 自然光 自然光的光矢量在所有可能的方向上,且振幅E相等.
—布儒斯特定律(1812年)
i 0—布儒斯特角或起偏角
sin i0 n2 tgi0 由 sin r0 n1
sin r0 cos i0
有: i0+r0=90O 若 n1 =1.00 (空气)，n2 =1.50 (玻璃)，
则：
空气 → 玻璃 i0 5618 互余 玻璃 → 空气 i0 3342
第五章
光的偏振
1、阐明自然光、平面偏振光、部份偏振光、圆偏振光 和椭圆偏振光的概念及其检验方法。 2、了解由反射、折射和二向色性晶体所产生的偏振； 掌握布儒斯特定律的马吕斯定律。 3、叙述单晶体双折射的特点，说明惠更斯作图法，阐 明几种偏振仪器的作用。 4、叙述1/4波晶片的作用，分析平行平面偏振光干涉的 条件及其实现的方法。 阐明偏振光的干涉及应用。
•起偏原理:利用某种光学的不对称性. •起偏器: 起偏的光学器件. •检偏:检验偏振光,起偏器也就是检偏器. 2. 偏振片 如利用某些物质能吸收某一方向的光振动,而让 与这个方向垂直的光振动通过的性质(二向色性)制 成起偏器.
这种起偏器叫偏振片.
非偏振光
· · ·
光轴 线偏振光 电气石晶片
3. 起偏示意图
没有优势方向
自然光的分解
一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、 等幅的、不相干的线偏振光。
Ex E y
•自然光的表示法：
I Ix Iy
· · ·
3. 部分偏振光
某一方向的光振动比与之相垂直方向的光振动占优 势的光.
部分偏振光
部分偏振光的分解
•部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不 等幅的、不相干的线偏振光.
• 光轴
法线 e光
• • •
o光 e光
法线
• • • o光 光轴
二.惠更斯原理对双折射的解释
1.晶体的主折射率，正晶体、负晶体
在双折射晶体中 ,o 光沿各向传播的速度相同 , 故o波波面为球面;e光沿各向的传播速度不同,e波 面为椭球面.两者沿光轴方向传播速度相同. o光 :
n0
c
光轴
二. 玻璃片堆折射的偏振 当 i = i0 时
I 1 sin 2 ( i0 r0 ) I0 2
I · I · · · i0 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·· ·· · · ·
0
玻璃片堆
自然光从空气→玻璃
I 7% I0
(接近线偏振光)
自然光I0 P
···
线偏振光 I
偏振化方向 (透光方向)
1 I I0 2
4. 检偏 用偏振器件分析、检验光的偏振态.
P 待检光 I
偏振化方向 (透光方向)
?
思考：
当偏振片旋转时. I不变？是什么光 I变，有消光？是什么光
I变，无消光？是什么光
三. 马吕斯定律
I0
P
I
E0
P E=E0cos
4. 主平面和主截面
光轴
法线
主平面:
晶体中光的传播方向 与晶体光轴构成的平面.
109º
入射线 71º 主截面
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.
当光轴在入射面内时,主截面,o主平面,e主平面都重合.
e光 : 一般不遵从折射定律 sin i const sin re
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。
e光折射线也不一定在入射面内.
102° A
例如，方解石晶体(冰洲石)
光轴
B
光轴是一特殊的方向,凡平行于此方向的直线均为光轴. 4. 主平面和主截面 主截面 : 晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面 . 如 图入射时,入射面就是主截面.