23.7人为双折射和旋光现象
二 . 晶体的旋光性 对于固体旋光物质
L
为旋光率. 与旋光物质及入射光的波长有关的常量
L为旋光物质的透光长度
例： 1mm 厚的石英对钠黄光（589nm) 对紫光（405nm) 分散在不同的平面内。——旋光色散
在相同实验条件下，波长越短，旋转角越大；
21.7 45.9
§23.7 人为双折射和旋光现象
（了解）
23.7.3 旋光现象
旋光现象 线偏振光通过某些物质后，其振动 面将以光的传播方向为轴线转过 一定的角度.
旋光物质 能产生旋光现象的物质. （如石英晶体、糖溶液、酒石酸溶液等） 一. 溶液的旋光性 旋光仪 观察线偏振光振动面旋转的仪器.
A:
L A L B
起偏器， 检偏器，
B
L A L B
四. 旋光物质的分类 1）右旋物质 面对着光源观察，使光振动面的
旋转为顺时针的旋光物质.（如葡萄糖溶液）
2）左旋物质
面对着光源观察，使光振动面的
旋转为逆时针的旋光物质.（如光的振动面
故偏振光白光通过旋光物质后，紫光旋转角最大，红光旋转角最小。
三. 磁致旋光效应
外加磁感强度为B 的磁场,使某
些不具自然旋光性的物质产生旋光现象（法拉第旋转）.
VLB
样品后其振动面转过了一角度。
V
叫费尔德常量
在两个偏振化方向相互正交的偏振片之间放置某些物质的样品 （如玻璃、汽油），沿光的传播方向加上磁场，发现线偏振光通过
B: L:
A、B是两个偏振化方向相互正交的两偏振片
盛有液体旋光 物质的管子.
设
为线偏振光通过旋光物质后振动面所转过的角度
对于旋光性物质的溶液
Lc
（
一定 ）
L A L B
c L
为旋光物质的浓度 为旋光物质的透光长度 为一与旋光物质、入射 光的波长有关的常量— —旋光率
在制糖工业中，测定糖溶液浓度的糖量计用的是这一原理。
双折射原理
双折射原理
双折射原理是指当光线射入具有非正交晶轴的晶体时，将会发生折射现象。
在晶体内部，光线将会分裂为两束光线，传播方向不同，并且具有不同的折射率。
这种现象称为双折射。
双折射是由晶体的非均匀性引起的，晶体的非正交晶轴导致它的结构不均匀，从而导致光线以不同的速度在不同的方向上传播。
根据双折射原理，光线在进入晶体时会被分成两束光线，分别称为普通光和非普通光。
普通光是垂直于晶体轴的光线，它的传播速度和折射率与在无折射时相同。
非普通光是平行于晶体轴的光线，它的传播速度和折射率与普通光不同。
因此，当光线通过晶体时，它们的传播方向和速度会发生改变。
双折射原理在实际应用中有着广泛的应用。
例如，在光学仪器如显微镜和光学仪表中，双折射原理被用于制造偏光器件，如偏光片和偏光棱镜。
通过利用晶体的双折射性质，可以选择性地分离和控制光线的偏振状态。
此外，双折射原理在材料科学和工程领域也有很多应用。
例如，在材料的应力分析中，通过观察材料中光线的双折射现象，可以判断材料内部的应力分布情况。
双折射原理在光纤通信领域也有应用，例如制造偏光保护器和光纤光栅等。
总之，双折射原理是光学领域的重要原理之一，它描述了光线在晶体中发生双折射现象的规律。
这个原理的应用涉及到光学仪器、材料科学和工程等领域，对于理解和应用光学现象具有重要的意义。
光的偏振ppt课件
自然光
....
线偏振光 .
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化
自然光
....
线偏振光
.
起偏器
检偏器
偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化
自然光
（1） I0 cos2 1 I0
2
32
解得 ＝ 54044
（2） I0 cos2 I0
2
3
解得 ＝ 35016
【例题13-2】光强为 I0 的自然光相继通过偏振片P1、P2、P3 后光强为I0 /8，已知P1 P3，问：P1、P2间夹角为何？
解: 分析
I0
P1
I1
P2
P3
I2
I3=I0/8
e光
线偏振光
3. 晶体的光轴
当光在晶体内沿光轴方向传播时不发生双折射。
光轴是一特殊的方向,凡平行于此 光轴
方向的直线均为光轴。
102o
单轴晶体：只有一个光轴的晶体 双轴晶体: 有两个光轴的晶体
78o 78o 102o
4. 主平面(光的传播方向与晶体光轴构成的平面)
·
光轴
·
o光
光轴
e光
(o光振动垂直o 光主平面)
i0 — 布儒斯特角或起偏角
•
i • n1
•
•
i
b
0
n1 sin i0 n2 sin γ n2 sin(900 i0 ) n2 •
人工双折射2
前 表 面 E
后 表 面 E
ψ
光强最大
旋光物质
固体旋光本领 溶液旋光本领
l
α =ψ
l
α =ψ
cl
光强不是最大 单位: º /mm
c 溶液的浓度
2010-11-30（16）
大连理工大学 余 虹
2
三、磁致旋光 铅玻璃、二硫化碳、汽油等在磁场中呈旋光性
P
I
I
迎着光看：
沿B——振动面右旋Ψ； 逆B——振动面左旋Ψ。
λ
当 ne − no l = 2
克尔盒相当于半波 片——P2 透光最大
有毒，纯 度要求高
高速光开关 光调制器
二 次 电 光 效 应
2010-11-30（16）
大连理工大学 余 虹
4
二、 泡克尔斯效应 (1893年) －－线性电光效应
P1 电光晶体
E
磷酸二氢钾
泡克尔斯盒
P2 不加电场 →单轴晶体 →P2 后面无光 加电场→晶体变双轴晶
往返一次光矢量
共旋转了2Ψ
Ψ = 45º 可制成光隔离器！
2010-11-30（16）
大连理工大学 余 虹
3
14.7 人工双折射
一、 克尔效应（1875年）
+
P1
克尔盒
45o
d
硝基苯
P2
45o
− l
不加电场 → 液体各向同性 → P2 不透光
加电场 → 液体呈单轴晶体性质（Z//E）
ne − no = kE 2（k — 克尔常数）
14.6 旋光效应
一、旋光现象 P1
C
P2 P1 ⊥ P2
I≠=0
Z
Z垂直C表面——排除双折射的干扰。Βιβλιοθήκη 顺 时针转—— 右旋旋光物质
《光学原理与应用》之双折射原理及应用
双折射原理及应用双折射（birefringence ）是光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射的现象。
它们为振动方向互相垂直的线偏振光。
当光射入各向异性晶体（如方解石晶体）后，可以观察到有两束折射光，这种现象称为光的双折射现象。
两束折射线中的一束始终遵守折射定律这一束折射光称为寻常光，通常用o表示，简称o光；另一束折射光不遵守普通的折射定律这束光通常称为非常光，用e表示，简称e光。
晶体内存在着一个特殊方向，光沿这个方向传播时不产生双折射，即o光和e光重合，在该方向o光和e光的折射率相等，光的传播速度相等。
这个特殊的方向称为晶体的光轴。
光轴”不是指一条直线，而是强调其“方向”。
晶体中某条光线与晶体的光轴所组成的平面称为该光线的主平面。
o光的主平面，e光的光振动在e光的主平面内。
如何解释双折射呢？惠更斯有这样的解释。
1寻常光（o光）和非常光（e光）一束光线进入方解石晶体（碳酸钙的天然晶体）后，分裂成两束光能，它们沿不同方向折射，这现象称为双折射，这是由晶体的各向异性造成的。
除立方系晶体（例如岩盐）外，光线进入一般晶体时，都将产生双折射现象。
显然，晶体愈厚，射出的光束分得愈开。
当改变入射角i时，o光恒遵守通常的折射定律，e光不符合折射定律。
2.光轴及主平面。
改变入射光的方向时，我们将发现，在方解石这类晶体内部有一确定的方向，光沿这个方向传播时，寻常光和非常光不再分开，不产生双折现象，这一方向称为晶体的光轴。
天然的方解石晶体，是六面棱体，有八个顶点，其中有两个特殊的顶点A和D,相交于A D两点的棱边之间的夹角，各为102°的钝角.它的光轴方向可以这样来确定，从三个钝角相会合的任一顶点（A或D）引出一条直线，使它和晶体各邻边成等角，这一直线便是光轴方向。
当然，在晶体内任何一条与上述光轴方向平行的直线都是光轴。
晶体中仅具有一个光轴方向的，称为单轴晶体（例如方解石、石英等）。
有些晶体具有两个光轴方向，称为双轴晶体（例如云母、硫磺等）。
旋光效应与圆双折射
1.53917 1.54811 1.53920
nR 1.55810 1.53914
6 光的双折射与光调制
6.6 旋光效应与圆双折射
6.6.3 磁致旋光效应-法拉第效应
法拉第效应：平面偏振光在某些有磁场作用的非旋光物质中传播时，若传 播方向沿磁场作用方向，则光波的偏振面将发生旋转，其转
角y正比于与磁感应强度B和所穿过介质的长度l，即
6.6.1 旋光现象
旋光色散现象： 介质的旋光率与照射光波长有关。在白光照射下，不同颜色光的振动
面旋转的角度不同。透过检偏器观察时，由于各种颜色的光不能同时消光， 故旋转检偏器时将观察不到消光现象，而会看到色彩的变化。
波长/nm a /[(o)·mm-1]
波长/nm a /[(o)·mm-1]
794.76 11.589 586.1 32.773
L 右旋圆偏振光
左旋圆偏振光
R
R
说明：
图6.6-4 菲涅耳复合棱镜
① 旋光效应导致一束平面偏振光被分解为两束圆偏振光，因而也是一种双 折射效应——圆双折射效应。
② 旋光性源于物质中原子排列的螺旋结构。旋光性的严格解释需考虑物质的 微观结构。菲涅耳关于旋光现象的解释仅仅是一种惟象描述，并未涉及 其微观机制，它不能回答为何在旋光介质中两圆偏振光的速度不同。
磁光玻璃SF-57 磁光玻璃SF-6 轻火石玻璃 石英晶体（垂直光轴）
食盐 水
二硫化碳
温度/℃ 室温 室温 室温 18 20 16 20 20
波长/nm 632.8 632.8 632.8 589.3 589.3 589.3 589.3 589.3
V/(o) ·T-1·m-1） 1.797×103 1.115×103 1.017×103 5.28×102 2.77×102 5.98×102 2.18×102 7.05×102
双折射
注：光轴是一个特定的方向，与这个特定
方向平行的直线都是光轴。
3、主截面
当光在一晶体表面入射时，此表面的法线与光 轴所成的平面。
4、主平面
晶体中某一光线(o光或e光)与光轴组成的平面。
寻常光(ordinary
ห้องสมุดไป่ตู้
light
O光)：符合折射定律， e光)：违背折射定
折射光线总在入射面内 。 非常光(extraordinary light
原因:o光在晶体内的速度是各向同性的, e光却是各向异性的。 沿光轴方向o 、e速度相同。
o光：子波波面为球面。
e光：子波波面为旋转椭球面。
正晶体
v0 ve
负晶体
v0 ve
负晶体
负晶体
三、晶体的惠更斯作图法
（1）画出平行的入射光束，令两边缘光线与界面的交点 分别为A，B‘。 （2）由先到界面的A点作另一边缘入射线的垂线AB,它便 是入射线的波面。求出B到B’的时间t=BB‘/c，c为真空或 空气中的光速。 （3）以A为中心、vt为半径(v为光在折射媒质中的波速) 在折射媒质内作半圆(实际上是半球面)，这就是另一边缘 入射线到达B’点时由A点发出的次波面。 （4）通过B‘点作上述半圆的切线(实际上为切面，即第一 章2中所说的包络面)，这就是折射线的波面。 （5）从A联结到切点A'的方向便是折射线的方
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。
第一节双折射
一、双折射现象和基本规律。
一束光穿过各向异性晶体时分成两束光的 现象。
1、寻常光和非常光
寻常光(ordinary light 折射光线总在入射面内 。 O光)：符合折射定律，
《双折射现象》课件
通过利用晶体或塑料等材料制造的特殊透镜，可以实现对不同偏振状态
光的分离和操控。
02
光学通信
在光纤通信中，双折射现象可用于实现光的偏振复用，从而提高通信容
量和传输速率。通过在光纤中引入双折射效应，可以实现信号的并行传
输和信号的解调。
03
光学传感
双折射现象还可以应用于光学传感领域，如压力、温度、磁场等物理量
的测量。通过利用双折射现象对光的偏振状态的影响，可以实现对物理
量的敏感测量。
02
双折射现象的物理原理
光的波动性
光的波动性是指光在传播过程中表现出的振动特性。光波是一种横波，具有振动 方向与传播方向垂直的特性。
当光波通过某些介质时，由于介质中分子或原子对光的振动方向产生影响，导致 光波的振动方向发生变化，从而影响光的传播方向。
光的偏振
光的偏振是指光波的振动方向在某一特定平面内。自然光中 ，光波的振动方向是随机的，但在特定条件下，光波的振动 方向可以被限制在某一特定平面内。
偏振光在某些介质中传播时，其传播方向会受到介质中分子 或原子的影响，从而表现出不同的光学性质。
双折射的物理机制
双折射是指当光线通过某些晶体或其它双折射介质时，光波会分裂成两 个偏振方向相互垂直、传播速度不同的光线，这种现象称为双折射。
双折射现象在光学通信和信息处理中有重要的应用，如光子晶体光纤、量子通信等，利用双折射现象可 以实现高速、大容量的信息传输和处理。
双折射现象的研究趋势与展望
探索新型双折射材料
随着科技的发展，新型材料的不断涌现，探索具有更高双折射 系数、更稳定的新型双折射材料是未来的研究趋势之一。
深入研究双折射机制
目前对双折射机制的理解还不够深入，未来需要进一步深 入研究光与物质相互作用机制，揭示双折射现象的本质。
《光学原理与应用》之双折射原理及应用
双折射原理及应用双折射（birefringence）是光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射的现象。
它们为振动方向互相垂直的线偏振光。
当光射入各向异性晶体(如方解石晶体）后，可以观察到有两束折射光，这种现象称为光的双折射现象。
两束折射线中的一束始终遵守折射定律这一束折射光称为寻常光，通常用o表示，简称o光；另一束折射光不遵守普通的折射定律这束光通常称为非常光，用e表示，简称e光。
晶体内存在着一个特殊方向,光沿这个方向传播时不产生双折射，即o光和e光重合，在该方向o光和e光的折射率相等，光的传播速度相等。
这个特殊的方向称为晶体的光轴.光轴”不是指一条直线，而是强调其“方向"。
晶体中某条光线与晶体的光轴所组成的平面称为该光线的主平面。
o光的主平面，e光的光振动在e光的主平面内。
如何解释双折射呢？惠更斯有这样的解释。
1．寻常光（o光）和非常光（e光）一束光线进入方解石晶体(碳酸钙的天然晶体）后,分裂成两束光能，它们沿不同方向折射，这现象称为双折射，这是由晶体的各向异性造成的。
除立方系晶体（例如岩盐）外，光线进入一般晶体时，都将产生双折射现象。
显然，晶体愈厚,射出的光束分得愈开.当改变入射角i时，o光恒遵守通常的折射定律，e光不符合折射定律。
2．光轴及主平面。
改变入射光的方向时，我们将发现，在方解石这类晶体内部有一确定的方向，光沿这个方向传播时，寻常光和非常光不再分开，不产生双折现象，这一方向称为晶体的光轴。
天然的方解石晶体，是六面棱体，有八个顶点，其中有两个特殊的顶点A和D，相交于A、D两点的棱边之间的夹角，各为102°的钝角．它的光轴方向可以这样来确定，从三个钝角相会合的任一顶点（A或D)引出一条直线，使它和晶体各邻边成等角，这一直线便是光轴方向.当然，在晶体内任何一条与上述光轴方向平行的直线都是光轴.晶体中仅具有一个光轴方向的,称为单轴晶体(例如方解石、石英等）。
双折射 偏振光干涉 旋光 06
§5.4 双折射现象 宝石和双折射：从不同的方向看双折射的宝石，有机会看到 不同深浅的颜色，甚至不同颜色。切磨专家 在选择宝石的「台面方向」时，要顾及其不 同的色泽，选择颜色最美丽的方向作为台 面。
红宝石（含铬或铁)
赵言诚
ห้องสมุดไป่ตู้
猫眼石
化学成分: 结晶晶系: 晶体形状: 物理性质: 比重: 折射率: 双折射率:
2
no ne d
投影
晶体双折射
I ( P) A2 e A2 o 2 A2 e A2o cos
2 2
A1 sin 2 2 1 cos 2 no ne d 2k 1，干涉相长，亮条纹。 当： 2k，即 2 no ne d 2k，干涉相消，暗条纹。 当： (2k 1)，即
赵言诚
E y
y
E x
O
x
E x E0 x cos t E y E0 y cos t
E (t ) E0 cost EL (t ) ER (t ) E0 EL ER 2 L t L 0， R t R 0
任何线偏振光可以分解成两个同频的左 右旋、振幅相等、并且有稳定的相位关 系的圆偏振光。
*散射光偏振和导航
赵言诚
太阳光本身并不是偏振光，但当它穿过大气层，受到大气分子或尘埃等颗 粒的散射后，便变成了部分偏振光。根据天空偏振光的图形，就可以确定 太阳的位置。蜜蜂的偏光导航仪是在头部的复眼中。它的复眼是由6300只 小眼组成的，每只小眼里有8个作辐射状排列的感光细胞，蜜蜂就是靠这 些小眼来感受天空偏振光的。
散射光的偏振
赵言诚
赵言诚
圆偏振光、波片、克尔效应、电光效应和旋光现象
c+
I0 2
N
•• I
0
光轴沿电场强度的方向
c'
当外电场撤消时，这种性质立即消失，因此，也称 当外电场撤消时，这种性质立即消失，因此， 为电致双折射现象。 为电致双折射现象。 的液体时，光程差为： 两光通过厚度为 l的液体时，光程差为：
l (ne − no ) = klE λ
2
13
若入射光的线偏振方向与外电场方向成45 若入射光的线偏振方向与外电场方向成 0角，且M与N 与 偏振方向相互垂直，调节电压使其发生相长干涉， 偏振方向相互垂直，调节电压使其发生相长干涉，有：
圆偏振光 波片 克尔 电光效应和旋光现象
1
一、椭圆偏振光和圆偏振光
当两个同频率、有固定位相差、 当两个同频率、有固定位相差、相互垂直的振动 同时作用于一点时，则该点的合成轨迹呈椭圆状。 同时作用于一点时，则该点的合成轨迹呈椭圆状。 在光学中，各向异性晶体内所产生的 光和 光和e光 在光学中，各向异性晶体内所产生的O光和 光 是同频率且振动方向相互垂直的两偏振光， 是同频率且振动方向相互垂直的两偏振光，假如能 使它们之间存在一个固定的位相差，则这样的O光和 使它们之间存在一个固定的位相差，则这样的 光和 e 光在其相遇点的合成光矢量的末端的轨迹，一般来 光在其相遇点的合成光矢量的末端的轨迹， 呈椭圆形，这种合成光称为椭圆偏振光 椭圆偏振光。 说，呈椭圆形，这种合成光称为椭圆偏振光。 当合成光矢量的末端的轨迹呈圆形时， 当合成光矢量的末端的轨迹呈圆形时，该合成 光称为圆偏振光 圆偏振光。 光称为圆偏振光。 椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光，均可 椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光 均可 等效为两个具有恒定相位差、相同振动频率、 等效为两个具有恒定相位差、相同振动频率、振动 方向相互垂直的线偏振光。 方向相互垂直的线偏振光