第6章光的双折射与光调制
第六章 无源与有源光器件—3
个来回，则偏振方向将一共旋 转90度，这是其实现光隔离功 能的本质特征；位相延迟波片 当光从一个方向通过它时，将 使偏振方向旋转45度；而光从 另一个方向通过它时，将使偏 振方向旋转-45度。这意味着 光束通过波片往返一次，其初 始的偏振状态将不被改变。有 了上述对三个关键器件功能的 分析，参考光隔离器的工作机 理，则易于理解图6.31所示的 三端口光环形器的工作原理。
光纤光栅
光纤光栅的功能与机理
光纤光栅是一类重要的无源光器件，也是一类重要的特种光 纤，它能有选择地反射和透射某此波长的光。 1.基本概念 光纤光栅的结构特征是，一段光纤其纤芯玻璃的折射率沿光纤 长度方向呈周期性的变化(如先增大，后减小，再次增大)。纤芯折 射率的周期性变化将导致通过光纤的光发生散射，这种效应与分布 在反射性表面上一排高度平行的条纹或槽构成的衍射光栅所产生的 不同波长光谱展开的现象类似。光纤光栅中“条纹”处的折射率高 于纤芯中其他部分的折射率，这种折射率变化的分布结构，将使通 过其中的光发生布拉格散射效应，最终使光纤光栅能选择性地反射 某些选定的波长，而使其他波长的光波透射。为此，光纤光栅又称 为反射型或短周期光栅，亦称为“光纤布拉格光栅”(Fiber Bragg Grating，BFG)。1990年光纤布拉格光栅开始出现。
图6.31 光环形器原理结构示意图
6.3.3 光衰减器
为防止强光可能使接收机过载(例如发射机距接收机很时， 接收机接收的光信号可能很强)，光路中需要使用光衰减器。 光衰减器是光滤波器的一种，但它又区别于其他类型的光 滤波器。在光纤系统中，光滤波器是指光透过率随波长而显著 变化的光器件。例如，一个滤波器可以对1530~1565nm掺铒放 大器工作波段的光透过，而对980nm泵浦波段的光却衰减50dB； 但光衰减器的功能却是在整个光谱范围内均匀地减小光强，去 掉多余的光能量。衰减器若对某一波长光衰减了3dB，则对其 他所有波长的衰减也都应为3dB。具体衰减方法通常是通过衰 减器吸收掉多余的光能量，由于光信号的这些能量相对于衰减 器来说很弱，因而不会引起衰减器显著的发热现象。由于衰减 器对光信号能量的吸收，因而减小了由于反射、散射等返回光 对激光发射机可能产生的噪声影响。
高二物理竞赛课件：光的双折射现象
B
E’
• F’
出射光沿相同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，传播速度 相同，不产生双折射现象。
4、平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴平行晶体表面
光轴
A
B
E F
O垂直的偏振方向，但传播 速度不相同，我们认为产生了双折射现象。
双折射晶体的分类：
e波面 光轴
单轴晶体: 只有一个光轴的晶体：方解石、石英、红宝石等 双轴晶体：有两个光轴方向的晶体：云母、硫磺、黄玉等
2、主截面(主平面) ：
晶体中由某光线与晶体光轴构成的平面 称为与该光线相对应的主截面。
o光的振动方向垂直于自己的主截面 e光的振动方向平行于自己的主截面
光轴 e光 o光 对于主截面和入射面重合的情况，o光、e光都在入射面内， 它们的振动相互垂直。
tg n1 1 36 56
n2 1.33
又因 i2 是布儒斯特角，由布儒斯
特定律可得：
tgi2
n3 n2
1.5 1.33
i2 48 26
i2 4826 3656 1130
光轴
正晶体：vo ve 如石英 no ne 负晶体：vo ve如方解石 no ne
ve o
v0
o
v0 ve
正晶体
o波面
负晶体
四、双折射现象的应用
利用晶体制成一些棱镜或者器件可以从自然光中获得 高质量的线偏振光。
1、尼科耳棱镜
no (1.658) n(1.55) ne (1.486)
出射的是一束振动方向在屏幕面内的线偏振光
光的双折射现象
一、双折射 ：当一束自然光射向各向异性的介质时，从界面折入介质内部的折射光分 为传播方向不同的两束光的现象
方解石的一物双像
双折射实验中的光路调整方法
双折射实验中的光路调整方法双折射是一种光的行为，在光通过具有双折射性质的物质时，会发生折射光线沿不同路径传播的现象。
双折射实验是一种常用的实验方法，用来观察和研究这种奇特的光学现象。
在进行双折射实验时，光的路径调整是非常重要的，下面将介绍一些常见的光路调整方法。
首先，我们需要准备一些实验装置，如一束激光器、一块双折射晶体、一面偏振镜和一块平行光板。
在进行实验前，我们需要确保实验装置的稳定性和准确性，以保证实验结果的可靠性。
进入实验室后，首先我们需要将激光器与双折射晶体适当地放置在光路中。
通常情况下，我们将激光器垂直朝向晶体，确保光线垂直入射。
然后，我们可以观察到光线在晶体中的双折射现象。
接下来，我们可以通过调整晶体的位置来改变光线的传播路径。
通常情况下，我们可以通过移动晶体的位置，使得光线以不同的角度进入晶体中，从而改变光线的折射方向。
这种方法可以帮助我们观察到更多的双折射现象，并研究其规律。
此外，我们还可以通过调整偏振镜的角度来改变光线的偏振方向。
偏振镜是一种具有特殊光学性质的镜子，可以将非偏振光转换为偏振光，或改变偏振光的偏振方向。
通过调整偏振镜的角度，我们可以改变光线经过晶体后的偏振状态，从而影响到光线的传播方向和路径。
最后，我们可以引入平行光板来调整光线的相位差。
平行光板是一种具有特殊光学性质的透明板，可以引入相位差，从而改变光线的传播状态。
通过调整平行光板的位置，我们可以改变光线在晶体中的传播速度和路径，从而观察到更多的双折射现象。
通过上述的光路调整方法，我们可以更加全面地观察到双折射现象，并深入研究其规律。
双折射实验不仅可以帮助我们理解和探索光的行为，还可以应用于光学器件的设计和制造中。
因此，在进行双折射实验时，我们需要注重光路的调整，以确保实验的准确性和可靠性。
总结起来，双折射实验中的光路调整方法包括调整晶体的位置、调整偏振镜的角度和引入平行光板等。
这些方法能够帮助我们观察到更多的双折射现象，并深入研究光的行为。
《光学》课程教学电子教案 第0章 前言绪论(32P)
绪论
目录
1. 光学的研究对象、地位和特点 2. 光的本性 3. 现代光学的主要标志 4. 光学的发展趋势——光子学的崛起 5. 光学课程的学习方法
绪论
1. 光学的研究对象、地位和特点
光是一种重要的自然现象 光学是物理学的一个重要分支 光学学科是一门应用性极强的基础学科
第8章激光基础第0章第1章第2章第3章第4章绪论光波光线与光子光学成像的几何学原理光的干涉与相干性光的衍射与变换第5章第6章光学成像的波动学原理光的双折射与光调制第7章光的吸收色散及散射目录光学教案简介绪论光学教案赵建林编著普通高等教育十五国家级规划教材高等教育出版社高等教育出版社高等教育电子音像出版社目录1
光学 教案
简介
致谢
本教案中给出的所有插图仅供用于课堂教学参考。其中绝大多数 插图中系作者自己制作，个别图片取自网络共享文献，在此向原作者表 示感谢。
在本电子教案的编写和出版过程中，高等教育出版社胡凯飞、庞 永江、王文颖、郭亚嫘等编辑付出了辛勤的努力，西北工业大学教务处 为作者提供了精神和经费上的重要支持，西北工业大学教材建设委员会 的诸位专家对提出了许多宝贵的建设性修改意见。此外，作者的研究生 徐宏来曾协助作者编制教案的PPT版初稿，谢嘉宁、曲伟娟、陆红强、 王军等曾协助制作了部分仿真实验图片。作者在此一并表示衷心感谢。
(8) 量子论的提出
普朗克（M. Planck）的黑体辐射公式 爱因斯坦的光电效应方程 “光子（photon）”概念的提出
(9) 光的本性的再认识
激光与新效应 光是一种特殊的客体，具有波粒二象性
绪论
3. 现代光学的主要标志
传统光学的研究对象：
以望远镜、显微镜、光谱仪、干涉仪、照相机等为代表的各种光学仪 器及其在精密测量、光谱分析以及成像等方面的应用
高二物理竞赛课件：光的双折射
1）去掉 p, p' 保留 p1, p2 无（两振动互相垂直）
2）去掉 p' 保留 p, p1, p2 无（两振动互相垂直）
3）去掉 p 保留 p', p1, p2 无（无恒定相位差）
4） p1, p2 , p, p' 都保留 . 有
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光轴 主平面 在晶体中存在一个特殊的方向，沿该方向不会
有反射光干扰的橱窗 在照相机镜头前加偏振 片消除了反射光的干扰
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讨论 讨论下列光线的反射和折射（起偏角 i0）.
i0
i0
i0
i
i
i
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讨论 如图的装置 p1, p2 , p, p' 为偏振片，
问下列四种情况，屏上有无干涉条纹？
p2 s1 p' s
p2
p
p'
p 45 1
p p1 s2
实验证明：o光的光振动方向垂直于它的主平面， e光的光振动方向平行于它的主平面。
o光的光矢量总与光轴垂直， e光的光矢量可与光轴有不同的夹角。
光轴方向
e o
光轴方向
e光主平面
e光 o光
o光主平面
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单轴晶体的子波波阵面
各向异性晶体
e 与方向有关 v 1 e
晶体内光的传播速度与光的传播方向有关 光在晶体内传播速度的大小和光矢量与光轴间的 相对取向密切相关。
光的双折射
光的双折射 一、寻常光和非常光
一束光经各向异性晶体（如方解石、 石英等） 折射后可分成两束光线的现象称为双折射。
若旋转晶体， o光不动，e光 随晶体转动。
寻常光（o光） ：恒遵守折射定律的光线。 非常光（e光） ：不遵守折射定律的光线。 o光与e光都是线偏振光，但光振动的方向不相同。
双折射的原理和应用
双折射的原理和应用一、什么是双折射？双折射，也被称为双光折射或双折光现象，是光在某些晶体中传播时，由于晶体的结构特性而引起的一种现象。
当光线穿过这些晶体时，会发生光线的分离，形成两个不同方向的光线，具有不同的传播速度和折射角度。
二、双折射的原理双折射现象的产生与晶体结构的对称性有关。
在对称性较高的晶体中，由于晶体内部存在两个或多个不同的折射率，光线在传播过程中会被分为两束，每束光线的传播速度和方向都不同。
对于某些晶体来说，折射率是一个标量，即无论光线入射的角度如何，折射率都保持不变。
这种晶体称为单折射晶体。
而双折射晶体则是由于晶体的结构对光具有不同的折射率，在光的传播过程中产生双折射现象。
双折射现象与晶体的结构无关，而是与晶体的对称性有关。
晶体的对称性越低，双折射现象越明显。
双折射晶体中的两束光线分别称为普通光线和特殊光线。
普通光线的传播速度较慢，折射率较大；特殊光线的传播速度较快，折射率较小。
三、双折射的应用1. 光学器件双折射现象在光学器件的设计和制造中起到重要的作用。
通过合理利用双折射晶体，可以制造出各种光学器件，如偏振片、光波导、光偏转器等。
这些器件在光通信、光传感、光学显微镜等领域有广泛的应用。
2. 偏振光传输双折射现象使得晶体可以对光进行偏振处理。
在光传输中，可以利用双折射晶体来选择性地传输特定方向的偏振光。
这种特性在光通信和光显示技术中有重要的应用。
3. 光学显微镜双折射现象在光学显微镜中也有广泛的应用。
通过使用双折射晶体，可以观察到样品中的双折射现象，从而获得更多关于样品结构和性质的信息。
4. 光学传感双折射现象在光学传感领域也有重要的应用。
通过使用双折射晶体，可以设计出各种光学传感器，用于测量光的强度、相位和偏振等参数。
这种传感器在光通信、环境监测和生物医学领域都有广泛的应用。
5. 光学调制器双折射现象可以被用于制造光学调制器，用于调控光的相位或振幅。
光学调制器在光通信和光学成像等领域有重要的应用。
第6章光电显示技术
它由晶体基质所决定的价带和导带、制备发 光体掺入的激活剂离子所产生的局部能级 G(一般为基态能级)以及晶体结构缺陷或加 入的协同激活剂而产生的局部能级T（一般 为电子陷阱能级）等几部分组成。其发光 的微观过程包括：
(1) 吸收激发能电离过程
晶体吸收外界激发能，引起基质价带电子 和激活剂G能级上的电子（远少于基质电子） 激发、电离而到达导带，从而在价带中引 入空穴，导带中引入电子。
• 电视彩色图像的获得需经过景物彩色画面的分色、 摄像器件的光电转换、电信号的处理和传输、显 像器件的电光转换等主要过程。
• 彩色显像管利用红、绿、蓝三种荧光粉作为显像 三基色，采用空间相加混色法实现彩色重现。
• 对图像的亮度、色调和饱和度三参量的电信号进 行色度编码，通过矩阵电路使其成为发送端的编 码矩阵。
人眼彩色视觉特性包括：
(1)人眼有三种锥状色感细胞，分别对红、绿、蓝最 敏感；
(2)人眼具有空间混色特性，指同一时刻当空间三种 不同颜色的点靠得足够近，使得人眼不能分辨出 其各自颜色，而只能感觉到其混合色的特性
(3)人眼具有时间混色特性，指同一空间不同颜色的 变换时间小于人眼的视觉惰性时，人眼不能分辨 出其各自颜色，而只能感觉到他们的混合色；
任一彩色光F总可以通过下列配色方程配出：
F R(R) G(G) B(B) mr(R) g(G) b(B)
式中，R(R)、G(G)、B(B)称为F的三色分量， R、G、B称为三色系数，m称为色模，代
表F所含三基色单位的总量，r、g、b称为
色度坐标或相对色系数，分别代表F所用三 基色单位总量为１时所需的各基色量的数 值，且
(2) 电子和空穴的中介运动过程
电离产生的电子和空穴分别在导带和价带中
双折射现象实验
双折射现象实验引言：双折射是指当光线从一个介质进入另一个具有不同折射率的介质时，会发生折射方向发生改变的现象。
这种现象的研究对于理解光的性质和物质特性非常重要。
本文将详细介绍双折射现象实验的定律、实验准备和过程，并讨论它的应用和其他专业性角度。
一、定律：1. 双折射定律：当光线进入具有双折射性质的介质时，其折射方向会发生改变。
在某些情况下，光线甚至会分裂成两束互相垂直的光线，这被称为双折射。
2. 双折射的特征：双折射现象主要发生在具有非中心对称晶体结构的材料中，如石英、长石等。
双折射材料分为正负双折射，其特征为光线进入材料后会分裂成两束不同方向的光线，其中一束光线速度较慢，被称为普通光线；另一束光线速度较快，被称为快光线。
3. 双折射的原理：双折射现象是由于材料的晶格结构对光的响应不同引起的。
不同的晶格结构会导致光的振动在晶体中以不同的速度传播，从而产生双折射现象。
二、实验准备：1. 实验器材：- 光源：可选择激光器或白光LED作为光源，激光器光线更为集中，有利于获得清晰的双折射图案。
- 双折射样品：如石英晶体或长石切片。
- 旋转平台：用于调整和测量样品的角度。
- 偏光片：用于调整光的振动方向。
- 探测器或观察镜：用于观察和测量光的方向和强度。
2. 实验环境：为了减小外界光线对实验的干扰，可以选择在暗室或遮光箱中进行实验。
此外，为了保证测量的准确性，可采用稳定的温度和湿度条件。
三、实验过程：1. 调整光源：将光源放置在适当的位置，确保光线直射样品。
2. 放置偏光片：将一块偏光片放在光源与样品之间，调整偏光片的角度，使得透过的光线只有一个方向的振动。
3. 观察双折射图案：将双折射样品放置在光源和观察器之间，观察双折射图案。
可以通过调整样品的角度和偏光片的角度来观察光线的变化。
不同的样品和角度可能会显示出不同的双折射图案，如一束光线分裂成两束或一个光束分裂成多束等。
4. 测量双折射角度：使用旋转平台调整样品的角度，同时观察双折射图案，测量双折射角度的变化。
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第6章光的双折射与光调制
1. 一块水晶平板厚0.85mm，光轴与表面平行。
用汞灯的绿光（λ=546.1nm）垂直照射，求o光和e光在晶体中的光程以及两者的相位差。
2. 如图所示，单色自然光以θ =60o角由空气入射到某单轴晶体表面，晶体的光轴与其表面平行且垂直于入射面，对该单色光的主折射率分别为n o=1.512，n e=1.470。
（1）试画出透射光及其偏振方向。
（2）设晶体厚度h=1cm，试求晶体出射面上两光束的间距。
3. 如图所示，一束自然光垂直进入由负晶体制成的棱镜，图中虚线为光轴c的方向。
试确定光束在棱镜中以及出射后的传播方向和偏振方向。
4. 用尼科耳棱镜观察部分偏振光，当尼科耳棱镜相对于强度极大值位置转过60°时，透射光强度减为一半，求光束的偏振度。
5. 用一个λ/4片和一个偏振片组合检验一束椭圆偏振光。
达到消光位置时，λ/4片的光轴与偏振片透振方向相差22°，求椭圆的长短轴之比。
6. 强度为I0的单色平行自然光通过两个正交放置的尼科耳棱镜。
现在两个尼科耳棱镜之间插入一个λ/4片，其主截面与第一个尼科耳棱镜的主截面成60°角，求出射光的强度（忽略反射、吸收等损耗）。
7. 一块0.025mm厚的方解石晶片，表面平行于光轴，放在两个正交尼科耳棱镜之间。
晶片的主截面与两个正交尼科耳棱镜主截面均成45°角。
试问：（1）在可见光范围内哪些波长的光不能通过？（2）如果将第二个尼科耳棱镜的主截面转到与第一个平行，哪些波长的光不能通过？
8. 一束强度为I o的自然光垂直穿过三块平行放置的偏振片P1、P2和P3，已知P2和P3的透振方向分别与P1的透振方向成45o和90o角，求出射光强I。
9. 已知强度为I0的自然光依次通过两个尼科耳棱镜，并测得透射光的强度取极大值。
现将其中一个棱镜以光的传播方向为转轴旋转θ 角，假设棱镜材料的吸收损耗可以忽略。
试求：（1）初始时两尼科耳棱镜主截面之间的夹角θ0=？（2）θ=300、600、900时，透射光的强度和振幅。
10. 长度为15cm的左旋葡萄糖溶液使钠黄光的偏振面旋转了25.6°，已知该溶液的比旋光率为[α]=-51.4°/dm(g/cm3)，求溶液浓度。
课外讨论题
1. 若将一束平面偏振光入射到以角速度ω0绕光束方向转动的λ/2片上，问出射光的偏振态如何？其光矢量如何变化？
2. 我们已经知道，利用波前分割、振幅分割以及偏振面分割等方法，可以获得两束相干光波，试分析能否利用旋光效应实现分光并获得两束相干光波？
3. 如图所示，将一块λ/4片放在输出平面偏振光的激光器输出端外侧，并使其光轴与激光器输出光束的偏振面夹角为45o ，则该λ/4片起着“光隔离器”的作用，可以阻止外部反射光再次返回激光器谐振腔。
试说明其原理，并比较基于λ/4片的光隔离器与磁光隔离器的异同点。
反射镜 反射镜λ/4
片。