晶体的双折射现象
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。
晶体的双折射现象讲解
正晶体
v0 ve
负晶体
v0 ve
几点说明：
1、以上讨论的是自然光入射情形，双折射总是存在的；
2、若入射的光是线偏振光，当偏振方向垂直入射面，则 在晶体中只能引起o光的次波波面，折射光只有o光；
3、若入射的光是线偏振光，当偏振方向在入射面内，则 在晶体中只能引起e光的次波波面，折射光只有e光；
单轴晶体中的波面——惠更斯假设
e光:
o
no
c
o
e
ne
c
e
n0 ，ne称为晶体的主折射率
正晶体 : ne> no (ve< vo)
负晶体 : ne< no (ve > vo)
光轴 vet
vot 子波源
光轴
vot vet
子波源
正晶体 (vo > ve)
负晶体 (vo < ve )
位相差 作为补偿，目的是使 与入，的总和等于o
或 。
入 附 补 0或
（2、巴俾涅补偿器
由两块光轴互相垂直的楔形石英组成，上楔中o光进入下 楔，变为e光；……
2
[(n0
ne )d1
(ne
n0 )d2 ]
2
(n0
ne )(d1
光光
方解石 晶体
纸面
光光
方解石 晶体
纸面
光光
方解石 晶体
纸面
光光
方解石 晶体
纸面
光光
方解石 晶体
纸面
光光
方解石 晶体
纸面
光 光
方解石 晶体
1、放玻璃板时看到一个字。
玻璃是各向同性介质。 光射到各向同性介质的表面时它将按折射定 律向某一方向折射，这是一般常见的折射现象。
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
晶体的双折射和二向色性
6.3 晶体的双折射和二向色性一束单色光在晶体表面折射时（图6-5），一般可以产生两束折射光，这种现象叫做双折射。
两束折射光中，有一束总是遵守折射定律，称为寻常光，用符号o 表示；另一束一般不遵守折射定律，称为非常光，用符号e 表示。
o 光和e 光都是线偏振光。
为了说明o 光和e 光的振动方向和传播方向，需要了解晶体内某些特殊的方向和平面：光轴——晶体内一个特殊的方向，当光沿这个方向传播时，不发生双折射现象，并且o 光和e 光的传播速度相等。
只有一个光轴方向的晶体，称为单轴晶体（如方解石、石英、红宝石等）。
有两个光轴方向的晶体，称为双轴晶体（如云母、霰石、蓝宝石等）。
主平面——由o 光和光轴组成的面称o 主平面；由e 光和光轴组成的面称e 主平面。
o 光的电矢量振动方向垂直于o 主平面，e 光的电矢量振动方向则在e 主平面内。
主截面——由光轴和晶体表面法线组成的面。
可以证明，当光线以主截面为入射面时，o 光和e 光都在主截面内，这时主截面也是o 光和e 光的共同主平面。
晶体产生双折射的原因，在于晶体在光学上的各向异性。
由电磁理论可以证明，对于晶体内除光轴外的一个给定的方向，允许两束电矢量互相垂直的线偏振光以不同的速度传播。
对于单轴晶体，其中一束光的速度不随传播方向改变，这就是o 光。
它的波面是一个球面。
另一束光的速度随传播方向改变，这就是e 光，它的波面是一个以光轴为对称的回转椭球面，其方程为θθ222222s i n c o s e o on n c v += （6-3） 式中o n 是o 光折射率，e n 是e 光沿垂直于光轴方向传播时的折射率，θ是e 光线与光轴的夹角，c 是真空中光速。
负晶体（e o n n >）和正晶体（e o n n <）的o 光、e 光波面分别如图6-6a)和b)所示。
利用波面的概念，由惠更斯作图法便可求出晶体中o 光和e 光的折射方向。
应该注意，晶体中e 光线的传播速度和方向一般地与它的波阵面的传播速度和方向（沿波阵面法线方向）不同（见图6-7），后者称为法线速度。
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 :
第七章 光在晶体中的传播
合振动是正椭圆偏振态。
y E0 y
E0 x
右 旋
y E0 y
左 旋
E x E0 x Ex O E Px O E Px
Ay
右旋： / 2
Ay
左旋： / 2
E0 x E0 y E0时，椭圆偏振态退化为圆偏振态。
y
右 旋
左 旋
y
O
E P x
O
E P x
/ 2
6）单轴晶体和双轴晶体 单轴晶体：只有一个光轴方向的晶体， 如冰洲石和石英等。 双轴晶体：具有两个光轴方向的晶体， 如云母、蓝宝石和硫磺等。 7）单轴晶体的波面 （1）v o：o 光沿各个方向的传播速度， e 光沿光轴方向的传播速度。 （2）v e： 光沿垂直光轴方向的传播速度 e （3） ve vo
3）相位差 o光和 e光在晶体中经历的光程：
Lo no d , Le ne d
刚入射时相位相同，刚出射与刚入射 相比的相位落后量分别为：
，
o
2
刚出射时 o光与 e光相比的相位落后量为：
no d ,
e
2
2
ne d
o e
(no ne )d
4）刚出射时的振动表达式 （1）坐标架： （2）振动表达式：
4）平行光斜入射到光轴垂直入射面 的晶体上，求晶体中的折射光线？
作图步骤：
（1）过A点做边缘光线的垂线 AB t BB '/ c ， （2）以A为中心、v e t 和 v t o 为半径做两个圆形波面 ' ' （3）过 B 点做切线，切点分别为 Ao 和 Ae '
' （4）连接 AAo两点，即为 o 光的折射光线
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
o光 : 遵从折射定律
n1 sin i n2 sin ro
e
e光 : 一般不遵从折射定律
e光折射线也不一定在入射面内.
const 为线偏振光 sin r
o 光 与 e 光 均 sin i
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。
102° A
例如，方解石晶体(冰洲石)
即 : 线偏振光 椭圆偏振光
1 波片 4
2、半波片 能使o光和e光的光程差等于 2 奇数倍的晶片，称半波 片，其厚度
( no ne ) d (2k 1)
2
(2k 1)
2
d (2k 1)
2(no ne )
线偏振光垂直入射到半波片而透射后，仍为线偏振光。 如果入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为θ，则 透射光仍为线偏振光，振动面从原来的方位转动2θ角， 振动方向从一三象限转到二四象限。
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
半波片常用于改变或调整线偏振光的振动方向。
3、补偿器 （1、为什么要使用补偿器？ 上述检验椭圆偏振光的实验中，若不用补偿器，必须事 先知道 片的光轴方向，而且在实验过程中，必须使 4 的光轴精确地平行于椭圆的主轴（ 2 ），这是很难 办到的。为了克服这些困难，比较好的方法是采用补偿 器。因为任何位置的椭圆可认为是由两个互相垂直的振 动在位相差 2 的情况下合成的。要使这种椭圆偏振 光变成平面偏振光，则应另行设法引进可以任意变更的 位相差 作为补偿，目的是使 与入，的总和等于 o 或 。
即 : 线偏振光 圆偏振光
1 波片且光轴与透振方向夹角45 4
椭圆偏振光与部分偏振光的检定：
让椭圆偏振光和部分偏振光通过一个偏振片时，旋转中均 会出现光强大小变化但无消光的相同现象，无法区分。 方法：在偏振片前放入一块四分之一波片，并设法使椭圆的 一个轴与四分之一波片的光轴平行；以入射光为轴旋转偏振 片。旋转一周过程中，若有消光现象出现者是椭圆偏振光； 否则为部分偏振光。
光轴
光轴是一特殊的方向,凡平行于此 方向的直线均为光轴.
B
单轴晶体：只有一个光轴的晶体。如方解石、石英、 红宝石等。 双轴晶体：包含两个光轴的晶体。如云母、蓝宝石、 结晶硫磺等。
4 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 光轴 主 截 面 主平面
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。
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 o
e
· · ·
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)
二、渥拉斯顿棱镜：将两个直角的方解石棱镜沿斜边胶合起来。 光在第一棱镜中不分开，但光线垂直于光轴，因而两束光传播 速度不同。第二棱镜的光轴垂直于第一棱镜，所以第一棱镜中 的E光为第二棱镜中的O光，由于ne＜no，相当于光由光疏介质 入射光密介质，折射线近法线； A 而第一棱镜的O光为第二棱镜 中的e光，相当于光由光密介 质入射光疏介质，折射线远 离法线，如图所示。
纸面
方解石 晶体
光 光
纸面
方解石 晶体
光 光
纸面
方解石 晶体
光 光
纸面
光 光
方解石 晶体
纸面
光 光
方解石 晶体
纸面
光 光
பைடு நூலகம்
方解石 晶体
纸面
光 光
方解石 晶体
1、放玻璃板时看到一个字。
玻璃是各向同性介质。 光射到各向同性介质的表面时它将按折射定 律向某一方向折射，这是一般常见的折射现象。
获得线偏振光的器件——偏振棱镜
一.尼科耳棱镜 由方解石切 割再用树胶 粘合而成.
B A A(D) D 102º
C
o光 :
sin i0 n 1.551 sin 90 no 1.658
B(C)
i0 69
而i =76º> 69º ，全反射. 尼科耳棱镜工作原理 : 自然光在 AB 面折射为 o 光和 e 光，o光以约76º 入射到AC的加拿大树胶层上 . 被AC 面全反射，只有e光出射，产生偏振光.
入 附 补 0或
（2、巴俾涅补偿器 由两块光轴互相垂直的楔形石英组成，上楔中o光进入下 楔，变为e光；……
2
[(n0 ne )d1 (ne n0 )d 2 ]
2
(n0 ne )(d1 d 2 )
分别是光在上楔和下楔通过厚度 缺点：必须用极窄的光束。对于宽光束，互补偿器不同位 置，位相差不同。 （3、索列尔补偿器 上楔可以左、右移动，从而改变d1厚度，可以用宽光束。
晶体的双折射现象
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。
(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
(no ne )d
2
波片的厚度
( no ne ) d
( no ne ) d 当两束光射出晶体面， 1、四分之一波片 (1)定义：能使o光和e 光的光程差等于 的晶片称四 4 分之一波片 (2)四分之一波片的厚度
2
(no ne )d
双折射现象的理论解释
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光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
光
纸面
玻璃
光
纸面
玻璃
光
纸面
玻璃
光
纸面
光 光
方解石 晶体
纸面
光 光
方解石 晶体
纸面
光 光
方解石 晶体
纸面
光 光
方解石 晶体
纸面
光 光
方解石 晶体
纸面
方解石 晶体
光 光
纸面
方解石 晶体
光 光
纸面
方解石 晶体
光 光
纸面
方解石 晶体
光 光
纸面
方解石 晶体
光 光
纸面
方解石 晶体
光 光
器件的重要材料之一。 石英：
(a) 方解石晶体
(b) 石英晶体
图 晶体的解理面形式
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。
纸面
玻璃
光
纸面
玻璃
光
纸面
玻璃
光
纸面
玻璃
光
纸面
玻璃
光
纸面
玻璃
自然光
晶体
主截面与主平面
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；
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.
e光
o光
• 光轴
法线
• • •
e光
法线
• • • o光 光轴
当光轴在入射面内时，主截面、o主平面、e主平面都重合。
偏振光的干涉
人为双折射在应力无损检测中的应用
END
祝同学们顺利 通过考试^_^
单轴晶体中的波面——惠更斯假设
e光: o no
c
o
(ve< vo)
e ne
c
e
n0 ，ne称为晶体的主折射率 正晶体 : ne> no
负晶体 : ne< no
光轴
(ve > vo)
vet 光轴
vot
vot
子波源
vet
子波源
正晶体 (vo > ve)
负晶体 (vo < ve )
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。
正晶体
v0 ve