双折射现象
晶体双折射原理
晶体双折射原理
两种不同折射率的光波通过一个折射率为n2的介质时，两种不同折射率的光波将发生干涉，这时会产生一个新的介质界面。
这个界面是由两种折射率不同的光波组成的。
这种现象叫晶体双折射。
晶体双折射现象在光学上称为双折射，它是由两种折射率不同的光波在同一介质中相互作用产生的，是一种光学现象。
在晶胞中，每一晶胞由两个平行排列、大小相同、方向相同的晶粒组成。
晶体是由许多晶胞组成的，每一个晶胞中都有一个晶粒，它从中心到边界依次排列，相邻晶胞之间通过一个特定的空间角度相连接。
一个晶粒与另一个晶粒之间在空间上是互相垂直的。
晶体中任意两个晶粒间都存在着一种特殊关系：当光波从晶体中某一方向射入晶体时，当入射角大于某一特定值时，晶体中两个晶粒就会发生干涉。
如果入射角大于某一特定值时，在入射角和入射方向都相同的情况下，晶体中每一晶粒都会与另一晶粒发生干涉，同时出现两个折射光线：当入射角大于某一特定值时，折射光线互相平行。
—— 1 —1 —。
磁光双折射现象
磁光双折射现象磁光双折射现象是指在磁场作用下，光在晶体中发生折射时，会出现两个不同方向的折射光线。
这一现象是由于磁场对光的传播速度产生了影响，导致光线的传播方向发生改变。
磁光双折射现象的发现和研究为光学和磁学领域提供了重要的理论基础和实验依据。
磁光双折射现象最早是由法国物理学家夏尔·克尔什鲁恩（Charles Kerr）在19世纪70年代末观察到的。
他发现在某些晶体中，当施加磁场时，光线会分成两束，并且沿着不同的方向传播。
这一现象引起了科学家们的极大兴趣，随后进行了大量的研究工作。
磁光双折射现象的解释是基于磁场对晶体的电磁性质产生的影响。
晶体是由一系列有序排列的原子或分子构成的，其中的电子在磁场的作用下会发生运动。
这种运动会使得晶体的折射率发生变化，从而导致光线的传播速度和传播方向发生改变。
具体来说，磁场作用下的晶体可以分为正常磁光双折射和反常磁光双折射两种情况。
正常磁光双折射是指磁场使得晶体的折射率变大，导致光线的传播速度增加。
而反常磁光双折射则是指磁场使得晶体的折射率变小，导致光线的传播速度减小。
磁光双折射现象在实际应用中具有重要的意义。
例如，它可以用于制造磁光器件，如磁光隔离器和磁光调制器。
磁光隔离器可以实现单向光传输，防止光信号的反射和干扰，广泛应用于光通信和激光器系统中。
磁光调制器则可以根据外界磁场的变化来调节光的强度或相位，用于光通信和光信息处理等领域。
磁光双折射现象还在科学研究中发挥着重要作用。
通过研究磁光双折射现象，可以深入理解光与物质相互作用的机制，为材料的设计和合成提供指导。
同时，磁光双折射也为研究磁场的性质和磁场对物质的影响提供了一种新的手段。
磁光双折射现象是光学和磁学领域的重要现象之一。
它的发现和研究为我们深入理解光与物质相互作用的规律提供了重要的实验基础和理论依据。
在实际应用中，磁光双折射现象也有着广泛的应用前景。
随着科学技术的不断进步，我们对磁光双折射现象的认识和应用也会不断深化和拓展。
光通过单轴晶体时的双折射现象ppt课件
3、o光和e光的振动方向 o 光和 e光都是线偏振光，其振动方向如何？
o 光轴
e 光轴
o 光主截面
e 光主截面
用检偏器检验知
o 光的振动垂直 o光的主截面 e 光的振动在 e 光的主截面内
光轴在入射面内时， 两条光线的主截面就是入射面 o光的振动垂直入射面 两光偏振方向垂直 e光的振动在入射面内
4、o光和e光的主折射率（仅讨论单轴晶体） 光轴 o光的主折射率 两个主折射率
注意：在晶体内光轴是一个方向 实验上怎么操作呢？令入射表面垂直光轴，光线沿光轴方向入射，光线在晶体内 部传播不发生双折射。
光轴方向
空气
方解石 不发生双折射
方解石晶体的光轴（方向）
两钝隅连线方向为 光轴方向
101°52′
78°8′
78°8′
三个角度均为 101°52′的顶点 称为钝隅
单轴晶体 单轴晶体（uniaxis crystal） 只有一个光轴方向： 方解石 (冰洲石)、石英（quartz）、红宝石 人工拉制单轴晶体、ADP(磷酸二氢氨)、铌酸锂(LiNiO3） 方解石晶体的演示 双轴晶体（biaxis crystal）
方解石 晶体
纸面
双 折 射
光 光
当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转
方解石 晶体
纸面
双 折 射
光 光
当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转
方解石 晶体
纸面
双 折 射
光 光
当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转
方解石 晶体
纸面
双 折 射
光 光
当方解石晶体旋转时，o 光不动，e 光围绕o 光旋转
方解石晶体实物照 片 纸面
晶体的自然双折射
1. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射
· ·
光轴
· ·
晶体
e
· o o e · · ·
o光和e光在方向上虽没分开，但速度上是
分开的。产生双折射现象。
2. 光轴平行晶体表面，且垂直入射面， 自然光斜入射
oΔ t e Δ t
· · · · cΔ t · i · · ·
r0 o
sin i c n0 sin r o o
102° A
例如，方解石晶体
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。
•
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
方解石
方解石的光轴
通过A或B，并 与三个会合钝角的 界面成等角的直线 方向，就是方解石 晶体的光轴方向
（对于严格等棱长的方解
石菱体，即AB连线方向）
与此平行通过晶 体的直线都是光 轴方向，常用 表示
e光折射线也不一定在入射面内。
o光
e光
方解石晶体
折射现象 双 折射现
CaCO 3
纸面
当方解石晶体旋转时，o光不 动，e光围绕o光旋转
纸面
e
o
双 折 射
光 光
方解石 晶体
当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转
纸面
双 折 射
光 光
方解石 晶体
当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转
光轴
· · v t · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ··
o
光轴 v t o
vet
o光: n0
c
0
e光 :
物理 光的双折射
I = I0 cos θ
2
i
玻璃片堆反射
ib
n2
0
ib
n2
ib + r = 90
r
o光沿原来方Βιβλιοθήκη 传播 光沿原来方向传播(ro = 0)
e光不沿原来方向传播 光不沿原来方向传播
re ≠ 0
o
e
③ o光、e光在晶体中具有不同的传播速度 光 光在晶体中具有不同的传播速度
c o光： vo = 光 no c e光：ve = 光 ne
④
no常数 , v o常数
说明： 光的传播速度在各个方向是相同的 说明：o光的传播速度在各个方向是相同的
纸面
双 折 射
光 光
方解石 晶体
当方解石晶体旋转时 o光不动，e光围绕 光旋转 光不动， 光围绕o光旋转 光不动 光围绕
纸面
双 折 射
光 光
方解石 晶体
当方解石晶体旋转时 o光不动，e光围绕 光旋转 光不动， 光围绕o光旋转 光不动 光围绕
纸面
双 折 射
方解石 晶体
光 光
② 在入射角
i = 0时
双 折
1.双折射现象 双折射现象 (1) o光、e光特征 光 光特征
i
射 现 象
① O光: 始终在入射面内 光 始终在入射面内, 并遵守折射定律。 并遵守折射定律。
re
方解石 晶体
各向异性
ro e o
sin i = n0 sin r0
寻常光 非常光
n0为常数
注意：寻常、非 注意 寻常、
常指光在折射时 是否遵守折射定 律，o光、e光也 光 光也 只在晶体内部才 有意义。 有意义。
晶体的光轴与晶体表面 法线所构成的平面。 法线所构成的平面。
双折射现象
厚度 d 均匀，白光 亮；暗；亮暗色互补 厚度 d 不均匀，白光 彩色条纹。
蓝色相消→黄色
§ 17
人工双折射现象
介质：天然各向异性 人为各向异性
S
F C
有机玻璃
一．人工双折射现象
1. 应力双折射效应
〃 〃
P1
P2
干涉
d
F
光弹性效应
2. 电光效应
克尔效应 (1875年)
45 P1
b. 光轴平行晶体表面， 自然光斜入射
c. 光轴与晶体表面斜交，
自然光斜入射
一．椭圆偏振光和圆偏振光
1. 实验装置 P 为偏振片 C 单轴晶片 光轴平行晶面 与 P 的偏振化方向成α夹角 厚度 d ，主折射率为 no 和 ne
P
C
α
d
合成
2. 椭圆偏振光原理
P
C
e
o
α
单色自然光，成为线偏光
d
(no ne )d
d ：旋光物质的厚度
旋光率
cd
二．应用
c 溶液浓度
量糖术
感谢您的观看 古艺袋古玩社区
d
A1
A o
P1
C Ae
A1 sin cos A2o
A2 e 与 A2 o
反 方向相
A 2o
A2e
P2
3. 位相差
P
1
C
e
o
α
P
2
c
2d
ne no 2d ne no
d
c
A1
P1
C
A o 2k 1 P2 2k d 相长干涉 A2o A 2e ne no 2 k (2k 1) d 相消干涉 n e no
晶体双折射现象的原因和现象
晶体双折射现象的原因和现象晶体双折射现象，听起来好像很高大上，其实呢，就是一块玻璃或者水晶，透过光线看，会有两条不同的光线相互交叉，就像眼睛里有两只眼睛一样。
这个现象啊，不仅有趣，还有很多科学道理呢。
咱们来聊聊为什么会出现晶体双折射现象吧。
这是因为晶体的结构有点像一个迷宫，光线在进入晶体的时候，不是一条直线走的，而是会分成两条路，分别沿着不同的路径传播。
当光线从一个方向射入晶体后，再从另一个方向出来时，就会发生折射，而且还会互相干扰，形成双折射现象。
那么，为什么有些晶体会发生双折射现象呢？这是因为晶体的结构不同。
比如说，一些常见的水晶饰品，如水晶球、水晶瓶等，就是因为它们的结构比较特殊，容易发生双折射现象。
而一些普通的玻璃杯子啊，就不会有这个现象了。
接下来，咱们来说说晶体双折射现象有哪些有趣的应用吧。
其实啊，这个现象在科学实验室里经常被用来研究光的性质和行为。
另外呢，一些光学仪器啊，如显微镜、望远镜等，也利用了这个原理来放大物体的图像。
还有一些装饰品啊、玩具啊等等，也会利用这个原理来制造出一些有趣的效果。
最后呢，咱们再来聊聊晶体双折射现象背后的科学道理吧。
其实啊，这个现象背后涉及到很多物理学的知识，如光的波动性和粒子性、晶体的结构和性质等等。
要想真正理解这个现象背后的科学道理啊，还需要学习更多的知识才行。
总之呢，晶体双折射现象虽然看起来很神奇，但实际上只是物理学的一个小小分支而已。
只要我们用心去学习和探索，就能发现更多有趣的事情哦！。
晶体的双折射现象(精)
方解石
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 1. 尼科耳棱镜 2. 渥拉斯顿棱镜
no (1.658) n(1.55) ne (1.486)
光轴
v o t
v e t
( 平行光轴截面 )
( 平行光轴截面 )
ve
vo
( 垂直光轴截面 )
ve
vo
( 垂直光轴截面 )
二. 单轴晶体中的波面 ( 惠更斯作图法(ve>vo) )
1. 光轴平行入射面，自然光斜入射负晶体中 B
光轴
A
光轴
B'
方解石
o光 e光
2. 光轴平行入射面，自然光垂直入射负晶体中
光轴
o光
负晶体 no ne
加拿大树胶
o光 e光
e光 o光
o光 ie,o e光
e光
e
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。
o
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 。 出射 o 光 e 光的相差为
《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。
光通过单轴晶体时的双折射现象
非常光( 非常光 extraordinary light e光): 光 (1) 是振动面平行于自己的主平面的线偏振光 是振动面平行于自己的主平面的线偏振光; (2) 一般不符合折射定律 在垂直于光轴的方向 一般不符合折射定律,在垂直于光轴的方向 传播时符合折射定律. 传播时符合折射定律 (3) 沿不同的方向折射率不同 传播速度不同 沿不同的方向折射率不同, 传播速度不同. 沿光轴的方向折射率和速度与O光相同 沿光轴的方向折射率和速度与 光相同. 光相同 光和e光的主平面相互平行时 两光的振动面互相垂直. 当o光和 光的主平面相互平行时 两光的振动面互相垂直 光和 光的主平面相互平行时,两光的振动面互相垂直 对于e光 沿垂直于光轴的方向的折射率称为主折射率,记为 记为n 对于 光, 沿垂直于光轴的方向的折射率称为主折射率 记为 e.
o
e
晶体主 截面 O
晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化 O’ 入射光 振动面
o e
晶体主 截面 O
晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化 O’ 入射光 振动面
o
e
O
晶体主 截面
晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化 O’ 入射光 振动面
o
e
O
晶体主 截面
晶体绕入射光方向旋转时两束光的相对光强不断变化 O’ 入射光 振动面
方解石晶体实 物照片 纸面 方解石晶体 CaCO3
折射现 双 折射现 象
1、双折射现象 用眼睛观看发光点， 会看到两个像点，透 过方解石晶体，纸面 上的字成了的双字
O光和e光
自然光进入各向异性晶体中，光线怎样传播？
两束折射光
▲ 服从折射定律寻常光线
ordinary ray— O光 extra —e光
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作业
• 无
同，不发生双折射现象。
光轴 vo ve vo ve 光轴
(a) 正晶体
(b) 负晶体
单轴晶体中的波面——惠更斯假设
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
(3) 单轴晶体中的光线方向 （以负单轴晶体为例：vo<ve，no>ne）
① 光轴平行于入射面，并与界面相交一角度。
n1 晶 c 体 c
n1 晶 c 体
o
e (a) 垂直入射
o
e
o
e
o
e
(b) 倾斜入射
图6.1-7 光轴平行入射面时负单轴晶体内的光线方向
结论：无论是垂直入射还是斜入射，o光与e光分开，但因主截面与入射面 重合，故o光主平面与e光主平面重合，e光仍位于入射面内。o光光 线方向与波面正交，e光则不一定垂直于波面。
(a) 方解石晶体
(b) 石英晶体
图6.1-2 晶体的解理面形式
石英： 又称水晶，属三角晶系晶体，其化学成分为二氧化硅（SiO2），结构
上易解理成角锥状。纯质的石英晶体呈无色透明状，因而也是制造偏振光
学器件的重要材料之一。
7.1.2 双折射现象
双折射：同一束入射光同时出现两个偏折方向的现象
晶体的双ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ射现象
自然光
自然光
光轴
主 截 面
主平面 主平面 光轴 主平面
主截面与主平面
说明：主截面的方位由晶体自身特性决定，且始终垂直于晶体的表面；主 平面的方位则取决于光线及晶体光轴的取向；当主平面平行于入 射面时，主截面也平行于入射面。
(3) 单轴晶体中的寻常光与非常光
寻常光（o光）：单轴晶体中始终满足折射定律的光束
(a) 方解石晶体
(b) 石英晶体
天然晶体矿
自然界中存在的七大晶系（按晶体的空间对称性分类）：
立方晶系；正方（四方，四角）晶系；六角（六方）晶系；三角
（三方）晶系；正交（斜方）晶系；单斜晶系；三斜晶系。 非晶态：如玻璃、熔融石英等，一般不具有长程有序的内在结构，并且由于 其原子或分子的热运动以及在空间排列上的随机性，其光学性质一
最常用的两种各向异性晶体
方解石： 又称冰洲石，属六角晶系晶体，其 化学成分为碳酸钙（CaCO3），结构上
光轴 102o 102o 102o 78o 78o 102o 光轴
易解理成菱体（斜六面体），菱面的锐
角为78o08'，钝角为101o52'。纯质的方 解石晶体呈无色透明状，且在天然状态 下可以形成较大尺寸，是制造偏振光学 器件的重要材料之一。
§7.1 晶体的双折射现象
主要内容
1. 晶体的结构特征 2. 各向异性晶体的双折射现象 3. 双折射现象的理论解释
7.1.1 晶体的结构特征
光学器件最常用的透明固体介质材料：晶体和非晶体 晶体：内在结构长程有序的固体，其原子（离子或分子）在空间排列上 具有一定的规则性，生长良好的单晶体具有规则的几何外形。
等晶体,如云母（单斜）、黄玉（正交）、铌酸钾（正交）等。
自然界中的晶体大多是双轴的。
说明：晶体的光轴与光学系统的光轴不同，仅仅表示了晶体中的一个特定
方向，并非沿该方向上的某些特殊光线。
(2) 单轴晶体中的主截面与主平面
主截面：包含晶体光轴与界面法线的平面
主平面：包含光轴及所考察光线的平面
法 线 晶体 法 线 主截面 入射面 主平面 晶体
(1) 单轴晶体与双轴晶体
光轴：各向异性晶体中的一些特定方向，沿此方向入射的自然光不发生双 折射现象。 单轴晶体：只有一个光轴的晶体。主要为四方晶系、六角晶系、三角晶系
等晶体,如方解石（六角）、石英（三角）、铌酸锂（三角）、
冰（三角）、红宝石（三角）、金红石（四方）等。 双轴晶体：包含两个光轴的晶体。主要为正交晶系、单斜晶系、三斜晶系
非常光（e光）：单轴晶体中一般不满足折射定律的光束（折射角的正弦
与入射角的正弦之比不为常数，取决于入射光线和晶体 的取向） 说明： o光光线始终位于入射面内，而偏振面垂直于o光主平面；e光光线可能 不在入射面内，但其偏振面始终平行于e光主平面。
光轴位于入射面内（主截面与入射面重合）时，o光与e光主平面重合
且与主截面重合，因而两折射光线的偏振面严格正交。 光轴不在入射面内（主截面与入射面不重合）时，o光与e光主平面严 格讲并不平行，但其夹角一般很小，故可近似认为其偏振面正交。
7.1.3 双折射现象的理论解释
(1) 晶体中波面的形状
① 惠更斯假设 在单轴晶体中，o光子波的波面为球面，因而沿各个方向的传播速度 相等；e子波的波面为旋转椭球面，因而沿各个方向的传播速度不相等； 两个波面在晶体的光轴方向相切，因而任何子波沿光轴方向的传播速度相
透过食盐和方解石晶体的线条
透过方解石晶体及正交偏振片的线条
结论：由于双折射，一束自然光通过某种各向异性晶体制成的平行平板后， 将分解成两束相互错开但方向平行的透射光波，导致出现相互错开 的双重折射影像。当以入射光线为轴线旋转该介质平板时，至少有 一束透射光或一个影像的位臵会随之旋转，两束透射光波或两个重 叠的折射影像均表现为平面偏振特性，且振动方向正交。 说明：折射定律一般仅适用于各向同性介质。对于各向异性晶体，一般情 况下，由双折射产生的两束折射光波中至少有一束不满足折射定律。 入射光的方向不同，晶体结构及空间取向不同，则双折射性质不同。
③ 光轴平行于入射面，但与界面垂直，平行光入射。
n1 晶 体
n1 晶 体
c o e (a) 垂直入射 o e
c o e (b) 倾斜入射 o e
图6.1-9 光轴平行入射面但垂直于界面时负单轴晶体内的光线方向
结论：o光和e光波面与入射面的交线分别为圆和椭圆，主平面、主截面与入 射面重合，o光与e光振动方向正交。垂直入射时，o光与e光不分开， 且速度均为vo。斜入射时，o光与e光分开，e光不满足折射定律。
般在宏观上呈现出各向同性。
说明： 除立方晶系的单晶体具有空间各向同性的光学性质外，一般单晶体的光
学性质均具有空间上的各向异性。
在一定的外界物理场（如机械或热应力、电场、磁场等）作用下，某些 非晶态介质（甚至立方晶晶体）会在宏观上由各向同性转变为各向异性。
这种场致各向异性与晶体的自然各向异性具有类似的特点。