双折射晶体.ppt
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《晶体的自然双折射》课件
2 入射光线的振动方向
解释入射光线在晶体中的行为以及其两个不同的振动方向。
3 特殊光线的现象
揭示特殊光线在晶体中产生双折射的现象和效应。
自然双折射的应用
光学器件
探索自然双折射在设计和制造 光学器件中的重要应用。
实验室应用
展示自然双折射在科学研究和 实验室实践中的广泛应用。
生物医学应用
介绍自然双折射在生物医学领 域的创新应用。
- Smith, J., & Johnson, L. (2018). Applications of natural birefringence in biomedical research. Biophysical Reviews, 15(4), 345-362.
《晶体的自然双折射》 PPT课件
这个PPT课件将介绍晶体的自然双折射现象。我们将探讨晶体的结构、入射 光线的振动方向以及自然双折射在光学器件、实验室和生物医学中的应用。
简介
晶体基本概念
探讨晶体的基本特征和组成结构。
自然双折射现象
介绍自然双折射的发生和观察到的效应。
自然双折射的原理
1 晶体的结构
详细阐述晶体的内部结构和晶格。
自然双折射的常见晶体
1 石英晶体
解释石英晶体的特性和 其在双折射现象中的重 要作用。
2 冰晶体
探讨冰晶体的双折射效 应及其在地质和气象学 中的重要性。
3 钠长石晶体
介绍钠长石晶体的双折 射特性和在岩石学中的 应用。
自然双折射的测量方法
波度。
束缚光法
探索使用束缚光法来测量晶 体的双折射。
精密的光电测量
介绍精密光电测量技术在测 量双折射中的应用。
结论
总结自然双折射的基本原理和广泛应用，并展示未来研究方向的潜力。
解释入射光线在晶体中的行为以及其两个不同的振动方向。
3 特殊光线的现象
揭示特殊光线在晶体中产生双折射的现象和效应。
自然双折射的应用
光学器件
探索自然双折射在设计和制造 光学器件中的重要应用。
实验室应用
展示自然双折射在科学研究和 实验室实践中的广泛应用。
生物医学应用
介绍自然双折射在生物医学领 域的创新应用。
- Smith, J., & Johnson, L. (2018). Applications of natural birefringence in biomedical research. Biophysical Reviews, 15(4), 345-362.
《晶体的自然双折射》 PPT课件
这个PPT课件将介绍晶体的自然双折射现象。我们将探讨晶体的结构、入射 光线的振动方向以及自然双折射在光学器件、实验室和生物医学中的应用。
简介
晶体基本概念
探讨晶体的基本特征和组成结构。
自然双折射现象
介绍自然双折射的发生和观察到的效应。
自然双折射的原理
1 晶体的结构
详细阐述晶体的内部结构和晶格。
自然双折射的常见晶体
1 石英晶体
解释石英晶体的特性和 其在双折射现象中的重 要作用。
2 冰晶体
探讨冰晶体的双折射效 应及其在地质和气象学 中的重要性。
3 钠长石晶体
介绍钠长石晶体的双折 射特性和在岩石学中的 应用。
自然双折射的测量方法
波度。
束缚光法
探索使用束缚光法来测量晶 体的双折射。
精密的光电测量
介绍精密光电测量技术在测 量双折射中的应用。
结论
总结自然双折射的基本原理和广泛应用，并展示未来研究方向的潜力。
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
光在晶体中的双折射30页PPT
光在晶体中的双折射
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈
《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。
晶体的双折射.ppt
光在晶体中的双折射现象就是光学各向异性的表现。
一.双折射现象 光线进入光学各向异性媒质(如方解石)后产生两条折射
光线的现象，称为双折射现象。
天然的方解石晶体 是双折射晶体
B A
o 光 e光
双 折折射射现现象
方解石晶体 CaCO 3
纸面
方解石
晶体中的双折射现象
e
e
··· o ···
o
以入射线为轴转方解石，光点o不动，e 绕o转，用偏振
晶体的双折射
有些透明媒质，如玻璃、水、肥皂液等，不论光沿哪个 方向，传播速度都是相同的，媒质只有一个折射率，这样的 媒质称为光学各向同性媒质
同时还存在另一类媒质，主要是透明晶体物质，如方解 石(化学成分是CaCO3)、石英、云母、硫磺等，光在其中 传播时，沿着不同方向有不同的传播速率，这样的媒质 称为光学各向异性媒质。
e 波面
O 波面
正晶体
负晶体
小结
o光在各个方向的传播速度相同，子波面应为球面。 e光的传播速度随方向变化，但可以证明子波面为旋转
椭球面。
o光和e光在光轴方向传播速度相同，故子波面在光轴 方向相切；实验表明，在垂直于光轴的方向上速度相差最 大。 对负晶体(如方解石)，在垂直于光轴的方向上, o<e , no>ne ,故e光的子波面(旋转椭球面)应包围o光 的子波面(球面)。
片检验，二者都是偏振光，且偏振方向互相垂直。
所以，利用双折射现象也可以获得线偏振光。
二、o光和e光
自然光 n1 n2
(各向异 性媒质)
i
ie
io
e光 o光
一条遵守通常的折射定律(n1sini =n2sinr)，折射光线在
入射面内，这条光线称为寻常光线(ordinary rays)，简 称o光。
一.双折射现象 光线进入光学各向异性媒质(如方解石)后产生两条折射
光线的现象，称为双折射现象。
天然的方解石晶体 是双折射晶体
B A
o 光 e光
双 折折射射现现象
方解石晶体 CaCO 3
纸面
方解石
晶体中的双折射现象
e
e
··· o ···
o
以入射线为轴转方解石，光点o不动，e 绕o转，用偏振
晶体的双折射
有些透明媒质，如玻璃、水、肥皂液等，不论光沿哪个 方向，传播速度都是相同的，媒质只有一个折射率，这样的 媒质称为光学各向同性媒质
同时还存在另一类媒质，主要是透明晶体物质，如方解 石(化学成分是CaCO3)、石英、云母、硫磺等，光在其中 传播时，沿着不同方向有不同的传播速率，这样的媒质 称为光学各向异性媒质。
e 波面
O 波面
正晶体
负晶体
小结
o光在各个方向的传播速度相同，子波面应为球面。 e光的传播速度随方向变化，但可以证明子波面为旋转
椭球面。
o光和e光在光轴方向传播速度相同，故子波面在光轴 方向相切；实验表明，在垂直于光轴的方向上速度相差最 大。 对负晶体(如方解石)，在垂直于光轴的方向上, o<e , no>ne ,故e光的子波面(旋转椭球面)应包围o光 的子波面(球面)。
片检验，二者都是偏振光，且偏振方向互相垂直。
所以，利用双折射现象也可以获得线偏振光。
二、o光和e光
自然光 n1 n2
(各向异 性媒质)
i
ie
io
e光 o光
一条遵守通常的折射定律(n1sini =n2sinr)，折射光线在
入射面内，这条光线称为寻常光线(ordinary rays)，简 称o光。
光通过双折射晶体ppt课件
A
O
光轴
•
E
O
B E’ F
•
•
F’
出射光沿同方向传 e 播，具有相互垂直的 出射光沿同方向传播，具有 偏振方向，传播速度 相互垂直的偏振方向，但传播速 相同，不产生双折射 度不相同，我们认为产生了双折 现象。 射现象。δ＝（no-ne)d 20
3)光轴垂直入射面
平行光倾斜入射 平行光垂直入射
A 光轴 O E O
光，这种现象称为双折射 (Double Refraction)。
7
8
2. 寻常光（Ordinary light, o光）和非寻常 光 （ Extraordinary light ,e光） 两束折射光中，有一束光遵守折射定律， 称为寻常光（o光）；另外一束一般不遵守 折射定律，称为非寻常光（e光）。 说明：1〕o光和e光与晶体密不可分 2〕折射定律的含义 折射定律有两个含义： A. 折射角的关系，B. 入射光线和折射光线与 法线同在一个平面。
17
六.用惠更斯原理解释光的双折射现象
惠更斯 原理： O 光在晶体内任意点所引起的波阵面是球 面。即具有各向同性的传播速率。
e 光在晶体内任意点所引起的波阵面是旋转椭 球面。沿光轴方向与O光具有相同的速率。
O光波面 A 光轴方向
e 光波面
O光波面
A
e 光波面
光轴方向
负晶如方解石CaCO3
正晶如石英SiO2
光通过双折射晶 体
一
双折射的寻常光和非寻常光
双折射： 一束入射光线进入晶体后，有两束折射光. 寻常光线O光，折射率 n o 为恒量.
非常光线 e 光，折射率随光的传播方向 不同而不同.
2
方解石晶体
102 A
人大附中高中物理竞赛辅导课件(波动光学)晶体的双折射(共16张ppt)
(no ne )d
o
d
2
(no
)d
从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向相互垂
直、频率相等、相Ao位差Asin的线偏振光，它们合成为 一束椭圆偏振光。Ae Acos
12
(no ne )d (1) 四分之一波片
o
d
2
(no
nd )d
从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反） —— 线偏振光→圆偏振光 —— 线偏振光→线偏振光 ——线偏振光→椭圆偏振光
9
双折射现象的应用
3. 尼科耳棱镜 两块特殊要求加工的直角方解石，如图：
光轴在ABCD平面内方向与AB成480，入射面取ABCD面
A
220
C
•
480
e
•O 760
B 680
D
方解石的折射率n0=1.658, ne 1.486
加拿大树胶的折射率n=1.55，O光入射角大于其临界角arc sin(1.55/1.658)=69012’，被全反射，在BD处为涂黑层所吸收。
o光和e光都是线偏振光。
7
2 、光轴与主平面
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。
“光轴”是一特殊的“方向”,不是指一条直线。
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
102° A 光轴
B
8
主平面：晶体中某条光线与晶体光轴构成的平面。
出射偏振方向在ABCD平面内的偏振光。
10
六.晶体相移器件， 圆和椭圆偏振光的起偏
波片(波晶片) ─相位延迟片 波片是光轴平行表面的晶体薄片。
C 光轴 P1
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晶体主轴坐标系内 D 与 E 关系
一、折射率椭球
1、折射率椭球方程
x2 y2 z2 1
x /0 y /0 z /0
x2
1
2、折射率椭球的性质
a.任意一条矢径的方向表示光波D矢量 的一个方向；
r=nd
b.平面与椭球的截面为椭圆。
由原点o作平行于k0的直 线op，再过o作一平面与 op垂直，该平面与椭球的 截面为一椭圆。椭圆的长 轴，短轴方向即对应于k0 的两个允许存在的光波D 矢量方向，其长度分别等 于两个光波的折射率。
1、物质方程
由方解石的双折射看出，晶体对不同 D 方向的光波呈现 不同的折射率。因而是光学各向异性媒质，这种光学各 向异性来源于晶体原子结构的各向异性。晶体是由带电 粒子组成的（如原子，分子，晶胞）。每个带电粒子正 负电荷中心不重合，形成电偶极子。由于各电偶极子定 向排列，产生了极化（用电极化强度 P 表示）。因而对 不同 D 的电磁场能区别对待，产生不同的光学性质。
0 I X 称为介电常数张量 I 为单位矩阵。由于晶格排列的对称性，
X 和 都是对称矩阵。因而有：
Dx Dy
xx yx
xy yy
xz yz
Ex Ey
Dz zx zy zz Ez
9 个矩阵元素中只有 6 个是独立的。
任何对称矩阵经坐标旋转，成为对角矩阵， 即在晶体中总能找到一个直角坐标系 xyz， 使得物质方程成为：
3、物理意义
表征了对应某一波长的晶体主折射率在椭 球空间各个方向上全部取值分布的几何图 形。椭球的三个半轴长分别等于三个主介 电常数的平方根，其方向分别与介电主轴 方向一致。也称为（r,d）曲面。
晶体的双折射double refraction of light in Crystals
1. 一束入射光在各向异性介质中折射为两束光的现象称 为双折射现象。
方解石（CaCO3） 双折射现象
晶体的双折射现象
方解石晶体实 物照片 纸面
双 折折射射现现象
方解石晶体 CaCO3
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
寻常光线 在晶体中
各方向上传播速度
相同.
nΟ
c vΟ
常量
7
光轴 O光波阵面
ve
vO
e 光波阵面
非常光线 晶体中 各方向上传播速度 不同,随方向改变 而改变.
ne
c ve
ne 为主折射率
8
光轴 O光波阵面
ve
vO
e 光波阵面
方解石晶体
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. 只有一个速度。
均匀性及各向异性
2 晶体的介电张量(The dielectric tensor)
张量的基础知识：
零阶张量(标量Scalar):
如果一个物理量在坐标移动时数值不变 则称为标量(T, m, …) 例如：标量衍射理论基尔霍夫衍射积分将电场E看做标量。 P153
一阶张量(矢量vector)：
如果一个物理量由三个数表示，而且在坐标移动时如同坐标 一样变换，则此物理量称为矢量…
描述晶体的光学各向异性，可利用物质方程。 （也可利用各种几何曲面） 各向同性媒质：D=εE B=μH
对于晶体： D 0E P ， P C X E
X ：电极化系数张量， P:电极化强度矢量
于是： D 0E X E 0 I E X E
0 I X E E
光通过双折射晶体
4
寻常光线 (ordinary rays) 服从折射定律的光线
非常光线 (extraordinray rays) 不服从折射定律的光线
（一般情况，非常光不在入射面内）
5
实验证明： O 光和 e 光均为偏振光.
AB
o
e D
C
oe
6
产生双折射的原因
•双折射反映的是晶体 内各方向上同种光的传 播速度不同。
二阶张量(Matrix):
如果一个物理量由九个数表示，而且变换关系为
Tij ' aik alj Tkl
则称此量为二阶张量
n 阶张量:（Tensor)
如果一个物理量由3n个数表示且满足变换关系：
Tijk... ' air als akt Trst...
则称此量为n 阶张量。
3.晶体的光学各向异性及其描述
Dx x 0 0 Ex
Dy
0
y
0
E
y
（6－35）
Dz 0 0 z Ez
或 Dx x Ex , Dy y Ey , Dz z Ez （6－36）
此时的坐标系 x,y,z 称为主轴坐标系 ，
x , y , z 称为主介电常数。
虽然在每个主轴坐标 方向上，D 分量与 E 分 量之间的关系均同于 各向同性媒质的关系。 但由于晶体的εx、εy、 εz 一般互不相等，所 以晶体内光波的 D、E 关系与 E 的方向有关， 或者说，晶体对不同方 向的 E 会作出不同的 “反应”。
扩大入射光束使两束光相互重叠，由于
e
Io Ie I(sin2 cos2 ) I
o
无论晶体怎样转动，
重叠部分光强度不变
12
晶体光学概论
晶体各向异性及介电张量 1.晶体的各向异性:不同的方向上具有不同物理性质。
晶体的双折射现象表示晶体在光学上是各向异性的，即它对 不同方向的光振动表现出不同性质 在周期性结构中，不同方向上原子或分子的排列情况是不同 的，因而反映出物理性质具有异向性。
自然光入射，光强为I，在晶体内部，o光和
e光光强相等。
Io
Ie
I 2
线偏振光垂直入射发生双折射
Ao Asin Ae Acos Io tg2 Ie
讨论：
当晶体绕入射光方向旋转时，两束光的相对光强不断变化
Io tg2
Ie
0 90
I0 0 Ie I I0 I Ie 0
o光完全消失 e光强度最大 o光强度最大 e光完全消失
9
102 A 光轴
102 102
78
78
78
B 光轴
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.
当入射面（入射光线与入射点处法线的组 成的面）是主截面时， O 光的振动垂直 主截面；e光的振动平行于主截面.
光轴
109 0
710
10
光轴
1090
710
e光
o光
双折射晶体的作用类似于两个透振方向互相垂 直的起偏器。