光的双折射解析
光的双折射
光的双折射
操作方法：
1.取下大偏振片，打开激光器电源，调节光路使激光束对准双折射
晶体的入射窗口，在屏上可观察到两个光点；
2.旋转双折射晶体，可看到一个光点不动，另一个光点饶着不动的
光点转，即E光绕着O光转；
3.在双折射晶体与屏幕之间插入大偏振片，并适当调整大偏振片的
前后位置，使得E光和O光两个光点都呈现在偏振片上；
4.旋转偏振片可观察到O光和E光交替消失；
5.旋转大偏振片，使E光消失，记下此时偏振片的偏振化方向；再
旋转大偏振片，使O光消失，观察此时偏振片的偏振化方向正好转过90度。
注意事项：
1.大偏振片拿上、拿下时要小心保护，以免掉地摔坏；
原理提示：
一束自然光入射到各向异性媒质上时，
在媒质中有两束折射光出现，称作双折
射现象。
一束遵守折射定律，称寻常光
（O光）；另一束不遵守折射定律，
称非寻常光(E光)。
两束折射光都是线
偏振光，满足一定的条件时其偏振方向
互相垂直。
为了使两束光分得更开，常常做成特殊
的光学器件，如：沃拉斯顿棱镜就是由两
方解石直角棱镜胶合而成
(方解石n0＞ne )
沃拉斯顿棱镜。
双折射折射率
双折射折射率
双折射折射率是指各向异性晶体中不同偏振方向的光具有不同的折射率。
双折射是光学中一个重要现象，它发生在非均质的各向异性介质中，如某些晶体（例如方解石、石英等）。
当光线入射到这些材料上时，会分解成两束沿着不同方向折射且振动方向互相垂直的偏振光。
这两束光的传播速度和折射率不相同，因此称为双折射。
以下是一些关于双折射的重要信息：
1. 各向异性：在各向异性介质中，折射率值不止一个，而是随振动方向的不同而改变。
2. 两种偏振光：除了特殊方向以外，光波入射到非均质体通常都会发生双折射，分解成两种偏振光。
3. 永久与暂时双折射：双折射分为永久性双折射和暂时性双折射。
永久性双折射是由于材料的固有结构，如晶体的结构导致的；而暂时性双折射是由于外部因素如应力、电场等造成的。
4. 量化指标：双折射效应的大小通常被量化为材料表现的最大和最小折射率之间的差异。
5. 光学应用：双折射材料在光学中有广泛的应用，例如用于制作偏振器、光波导以及各种光学传感器。
6. 影响因素：具有非立方晶体结构的晶体通常是双折射的，此外，某些塑料在受到机械应力时也会表现出双折射性质。
综上所述，了解双折射折射率对于光学设计和材料科学的研究人员来说是非常重要的，因为它关系到材料如何处理穿过它们的光线，以及如何利用这一特性来设计光学元件和应用。
光双折射效应讲解与应用
5.1.2 光的双折射效应
• 任何非偏振光线进入各向异性晶体后，将折射分 成两束正交的线性偏振光，以不同的偏振态和相 速度经历不同的折射率传输，如图5.1.3所示，这 种现象称为双折射；
• 在单轴晶体中，两个正交的偏振光称为寻常光（o） 和非寻常光（e）。寻常光在所有的方向具有相同 的相速度，它的表现就像普通的电磁波，电场垂 直于相速度传输的方向。非寻常光的相速度与传 输方向和它的偏振态有关，而且电场也不垂直于 相速度传输的方向。
图5.1.4 入射光与光轴方向不同出现两种不 同的情况
光的双折射效应讲解和应用
e光和o光 的波前
非偏振光 光轴
（a）入射光与光轴平行，不发生双折射， 也没有速度差
o光 的波前
非偏振光
e光 的波前
o光 的波前
非偏振光
e光 的波前
光轴
（b）入射光与光轴垂直，不发生双折射， 但又速度差
非偏振光
光轴
（c）入射光与光轴成一定角度， 发生双折射，并有速度差
E
寻常光
光轴(在该页 纸平面内)
• 方解石是一种负单轴晶体，沿一定的晶体平面把 晶体切成菱面体，晶面是一个平行四边形（相邻 两角的角度是78.08o和101.92o），包含光轴并与 一对晶体表面垂直的方解石菱晶平面叫主截面。
• 当非偏振光或自然光以法线射入方解石晶体时， 于是也与主截面成法线，而于光轴成一定的角度。 入射光分成相互正交的寻常光和非寻常光两束光， 在主截面平面内也包含入射光。寻常光具有垂直 于光轴的场振荡，它遵守斯奈耳定律，即光进入 晶体不偏转，于是E场振荡的方向必须从该页纸 出来或进去（用黑点表示），是寻常光。
• 利用双折射可制成偏振分束器（PBS）。
双折射率和复折射率
双折射率和复折射率
1关于双折射率和复折射率
双折射率，也称为双向折射率，是指物体的表面被照射的一束光线，它需要被折射两次，然后才能进入它的内部。
在双折射的现象中，光线有两个半球：即平行于物体表面的光线，以及物体表面外弯折的光线。
平行于物体表面的折射率称为正折射率（正折射），而物体表面外弯折的折射率则称为负折射率（负折射）。
复折射率指一束光线在多个半球之间反复折射的现象。
在复折射中发生的是光线被多次折射，而不仅仅是可见光线两次折射。
每次折射后，光线的能量都会衰减，变得更加柔和。
这样，光线从不同的半球被折射出来，出现了复折射的现象。
因此，双折射率和复折射率是光线折射过程中出现的不同现象：双折射率是指光线从一个半球折射两次，而在复折射率中，光线可以从不同的半球被折射多次。
第5章--光的双折射及应用PPT课件
x
（a）通过半波长片
椭圆偏振光 z
x
0 < < 45o z E x
圆偏振光 z
45o
x
45o z E x（b）通过四分之一波长片 /2 Nhomakorabea.
（c）通过四分之一波长片 /2
18
1/4波片能使寻常光线与非寻常光线的
相位差变化/4
• 相位差不同，通过晶体的光波偏振态就不同。
• 例如，四分之一波片能使寻常光线与非寻常光线
半波延迟片 π
使线偏振光两个正交分量的相位差为180o
• 半波延迟片的厚度L使线偏振光两个正交分
量的相位差 π ，对应波长一半（/2）
的 延迟，其结果是分量E//与E 相比延迟了 180o。
• 此时，如果输入E与光轴的夹角是，那么 输出 E 与光轴的夹角就是 ，输出光与输
入光一样仍然是线偏振光，只是 E 逆时针
.
1
5.1 光的双折射效应
• 5.1.1 各向同性材料和各向异性材料 • 5.1.2 光的双折射效应 • 5.1.3 双折射的几种特例 • 5.1.4 晶体的双色性 • 5.1.5 光纤双折射效应
.
2
5.1.1 各向同性材料和各向异性材料
• 晶体的一个重要特征是它的许多特性与晶体的方
向有关。因为折射率 n r ，介电质常数 r 与
• 利用双折射可制成偏振分束器（PBS）。
.
6
图5.1.3 非极化光进入各向异性晶体方解石后 将发生双折射，产生相互正交偏振的寻常光(o)
和非寻常光(e)，以不同的速度传播
.
7
方解石 晶体的双折射
101.92o 主截面 非寻常光
入射光
E//
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。
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
偏振片M
...
单色 自然光
波片 A Ao
偏振片N
a Ae
Ao Ae 主截面
一对 相干光
d
光轴
偏振化方向
结束 返回
Ae = A cos a
Ao = A sina
A´ = Ae sina e
= A cosa sina ´ Ao = Ao cos a Ao N A´ o 轴 光
A
M Ae
a a
a
a
A´ e
纸面
双 折 射
光 光
方解石 晶体
结束 返回
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
结束 返回
三、光轴、主平面 光轴：在方解石这类晶体 中存在一个特殊的方向， 当光线沿这一方向传播时 不发生双折射现象。称这 一方向为晶体的光轴。
102 78
0 0
102
0
光轴
尼科耳棱镜的制作过程
71
0
结束 返回
尼科耳棱镜的制作过程
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0
结束 返回
尼科耳棱镜的制作过程
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结束 返回
尼科耳棱镜的制作过程
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结束 返回
尼科耳棱镜的制作过程
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结束 返回
尼科耳棱镜的制作过程
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涂上加拿大树胶
结束 返回
尼科耳棱镜的制作过程
68
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结束 返回
五、尼科耳棱镜 A M 22 自然光 90 加拿大树胶 ..... e. . . o 光 φ .. 68 .. N 轴 C
结束 返回
d
《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。
大学物理03双折射现象
对于主截面和入射面重合的情况，o光、e光都在入 射面内，并且o光垂直于主截面，e光平行于主截面。 在晶体内，振动方向垂直于主平面的光称为o光。
在晶体内，振动方向平行于主平面的光称为e光。
注意：我们所说的o光和e光是对晶体而言的。只有在
晶体内才可以说o光和e光。在离开晶体后它们就只有 振动方向的区别，而无o光和e光的区别了，这时只能 说它们是振动方向不同的两束线偏振光。
12
• 渥拉斯顿棱镜
两块直 角方解 石光轴 相互垂 直，如 图：
D O C
• ••
A
O
• •e
•e
B
•
光从光密到光 疏折射光要偏 离法线。
方解石 ne 1.4864 no 1.6584
二寻常光和非常光另一条折射光不服从折射定律沿各方向的光的传播速度不相同各向折射率不相同并且不一定在入射面内传播这一条光称为非常光简称在双折射晶体内存在一个固定的方向在该方向上o光e光的传播速度相同折射率相同两光线重合
双折射现象
1
一、双折射现象
例如：白纸上涂一个黑点，将方解石放在 纸上，可观察到两个黑点，旋转方解石， 一个黑点不动，另一个黑点旋转。
Ve主 V0
在棱镜BCD中，传播的 O光和e光波面与入射面 相截成两个同心圆。
O 光振动垂直
于光线和光轴 组成的平面。
O
•e
e
光振动平行于光线和 光轴组成的平面。
13
• 尼克尔棱镜
原理：把自然光分成寻 常光和非寻常光，然后 利用全反射把寻常光反 射到棱镜侧壁上，，只 让非寻常光通过，从而 获得一束振动方向固定 的线偏振光。 加工后将两块方解石用 加拿大胶粘合起来， 对于o光 对于e光
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o光：双折射的两束折射光中，一束遵循折射定律，传播速度v o沿各个方向都相同，折射率n o=si n i/si n t o=c/v o=常量，称作寻常光，记为o光。
e光：通常不遵循折射定律，折射方向通常在入射面之外，传播速度随传播方向而改变，si n i/si n t e≠常量，称作非寻常光，记为e光
o光和e光都是传播光线在双折射晶体内部定义的，双折射晶体外没有o光和e光
光轴：晶体中的一个方向，光沿此方向传播不发生双折射，且折射光遵循折射定律
光轴仅代表一个特殊的方向，凡平行于此方向的直线均为光轴
只有一个光轴方向的晶体称作单轴晶体，有两个光轴方向的晶体称作双轴晶体
在单轴晶体内，光线的传播方向与晶体光轴构成的平面称作该光线的主平面
o主平面：光轴+o光线
e主平面：光轴+e光线
主截面：光轴+晶体表面法线。
入射面：入射光+晶体表面在入射点处的法线
o光和e光都是线偏振光
o光的电矢量垂直于o主平面，振动方向始终与光轴垂直。
e光的电矢量平行于e主平面，振动方向平行于e主平面
通常e光不在入射面内，即e光和o光不共面。
只有当光轴在入射面内(也即入射光在主截面内)时，入射面、主截面、o主平面和e主平面四个面重合，此时o光和e光都在入射面内。
若入射光与光轴重合，则不再发生双折射。
若入射光与光轴共面但不重合，则有折射角t e≠t o，sin t e≠si n t o，发生双折射
在双折射晶体中，o光沿各个方向传播的速度相同，o光的波面为半径为球面，o光的传播方向始终垂直于波面。
e光沿各个方向的传播速度不同，e光的波面为椭球面，传播方向仅在椭球的长短轴处垂直于波面。
o光和e光沿光轴方向的传播速度相同，沿垂直于光轴的方向传播速度相差最大
n e称作晶体的主折射率。
n o为恒量，n e定义为e光沿垂直于光轴方向的折射率，其数学表达式中的v e也为同一方向的传播速度
n e=c
v e n o=c
v o
正晶体和负晶体：满足v o>v e→n o<n e的称作正晶体，e光波面在o光波面之内，椭球面内切于球面，切点为长轴(2v o t)的顶点，长轴方向即光轴，短轴(2v e t)。
满足v o<v e→n o>n e的称作负晶体，o光波面在e光波面之内，椭球面外切于球面，
切点是短轴(2v o t)的顶点，短轴方向即光轴，长轴(2v e t)
波片：有两个表面互相平行且光轴平行于这两个表面的单轴晶体薄片称为波片。
光垂直入射到波片上，在波片内部只能分解成传播方向相同、频率相同、电矢量互相垂直的o 光和e光。
两束光中传播速度快的光矢量方向定义为快轴，与快轴垂直的方向为慢轴光以任意角度入射双折射晶体表面，光轴与o光波面的交点即光轴与e光波面的交点光轴平行晶体表面和入射面，光斜入射晶体表面，o光和e光都在入射面内
光轴平行晶体表面和入射面，光垂直入射晶体表面，o光和e光的传播方向与入射光相同，椭球主轴(是长轴还是短轴由晶体的正负性决定)即传播方向，偏振方向互相垂直，传播速度大小不同，发生双折射
光轴平行晶体表面并垂直入射面，光斜入射晶体表面，e光波面在入射平面内的投影面是半径为v e t的圆，sin i/si n t e=c/v e=n e (n e是主折射率)，故此情况下e光遵循其自身的折射定律，但v e t≠v o t，仍发生双折射
平行光斜入射晶体表面的惠更斯作图法：
(1)选取某一条入射光线的入射点，记为点O
(2)过O点做相邻入射光线的垂线，垂足为A∗
(3)以O为圆心，v o t为半径画出e光波面的截面圆
(4)记相邻光线的入射点为A,过A点做截面圆的切线 ,切点为B
(5)以O为中心，长度v o t为一半主轴，垂直于此半主轴且长度为v e t的线段为另一半主
轴，画出e光波面的椭圆截面
光偏振状态的检验。