双折射现象
晶体的双折射现象(精)
•
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
no (1.658) n(1.55) ne (1.486)
1. 尼科耳棱镜
••
•
•
2. 渥拉斯顿棱镜
•
光轴 o光
•
••
••
o光
e光
e光
o光Biblioteka ••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。
负晶体 no ne
o光 ie,o
••
e光
加拿大树胶
••
e
o
•
• e光 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 。
§14.13 晶体的双折射现象
一. 双折射现象
1.双折射
双折射现象 一束光入射到
各向异性的介质后出现两
s
束折射光线的现象。
方解石
R2
R1
2. 寻常光和非寻常光
两折射光线中有一条始终在入 射面内，并遵从折射定律，称 为寻常光，简称 o 光
i n1
n2
e o
e光
o光
另一条光一般不遵从折射定律，称非常光，简称 e 光
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。 例如 方解石晶体(冰洲石)
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。
线双折射和圆双折射
线双折射和圆双折射
线双折射和圆双折射是光学中两种重要的双折射现象，它们各自具有独特的特点和产生机制。
线双折射，主要是由于应力场的作用，使得两束正交方向线偏振光的折射率不同。
在传输一定距离后，由于两个正交电场传播速度不等，演变为光线经光纤中的传播后相位差变化，原本以线偏振光形态传导的光线，在上述影响下发生变化，部分以椭圆偏振光的形式传导，这种现象称之为线性双折射。
而圆双折射则是另一种重要的双折射现象。
当线偏振光在旋光晶体中沿光轴传播时，它可以分解为左旋和右旋圆偏振光，这种现象就被称为圆双折射。
圆双折射的一个显著特点是，对于输入的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的折射率不相等，这会导致在其中传播的线偏振光的偏振方向沿着波行进方向发生旋转，即偏振面旋转（或旋光）。
总的来说，线双折射和圆双折射都是由于光在特定介质中传播时，由于介质的不同特性（如应力场、旋光性）导致的偏振光的性质发生改变的现象。
这些现象在光学、光纤通信、光学仪器等领域有着广泛的应用。
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
光的双折射现象分析
光的双折射现象分析摘要一束入射光射入各向异性的晶体时，产生两束折射光的现象称为双折射现象。
在介质内，这两束光被称为O光与E光。
O光遵从折射定律，E光不遵从折射定律。
双折射现象表明，E光在各向异性介质（一般为晶体）内，各个方向的折射率不相等，而折射率与传播速度有关，因而，E光在晶体内的传播速度是随光线的传播方向的不同而变化的。
O光则不同，在晶体内各个方向上的折射率及传播速度都是相同的。
关键词：晶体；折射；光速。
正文：让平行的自然光束正入射在方解石晶体的一个表面上，我们就会发现光束分解为两束。
按照光的折射定律，正入射时光线不应该偏折。
而上述的两束光的一束在晶体内沿原方向传播，另一束却偏离了原来的方向，后者显然是违反了普通的折射定律。
进一步对各种入射方向进行研究，结果表明，晶体内的两条折射线中的一条总是符合普通的折射定律，另一条却总是违反它。
所以晶体内的前一条叫寻常光（简称o光），后一条折射线叫非常光（简称e 光）。
应当注意，这里所有的o光和e光，只在双折射晶体的内部才有意义，射出晶体以后，就无所谓了o光和e光。
在方解石中存在着一特殊的方向，光线沿这个方向传播时o光和e光不分开，这个特殊的方向称为晶体的光轴为了说明光轴的方向我们稍详细的研究一下方解石的晶体。
方解石是天然的晶体，如图所示，它呈平行六面体状，每个表面都是平行四边形，它的一对锐角约为78度，一对钝角约为102度。
大家可以看出每三个表面汇合成一个顶点，在八个顶点中有彼此对着的两个顶点是由三个钝角面汇合而成的。
通过这样的顶点并与三个界面成等角的直线方向，就是方解石晶体的光轴方向。
晶体中任何与上述直线平行的直线，都是光轴。
光轴代表晶体中的一个特定方向。
只有一个光轴的晶体称为单晶体，如方解石石英等。
有些晶体具有两个光轴方向，称为双轴晶体，如云母蓝宝石等。
晶体中某条光线与晶体的光轴所组成的平面称为该光线的主平面。
O光和e光各有自己的主平面，实验发现，o光的光振动垂直于o光的主平面，e光的光振动在e光的主平面内，一般情况下，o光和e光的主平面并不重合，他们之间有一不大的夹角。
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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
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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
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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
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双 折 射
光 光
方解石 晶体
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纸面
双 折 射
方解石 晶体
光 光
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当纸面
双 折 射
方解石 晶体
光 光
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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
方解石 晶体
C
i
A
E. . .. F . o D .. .. . o
光轴
e
e
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2. 平面波垂直入射方解石晶体
A B
E 光轴 o . . . . C D . . . . e o
F
e
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3. 平面波垂直入射方解石晶体 光轴平行于晶面
A B
光轴 . . . e . o
C
D . . .e o.
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纸面
双 折 射
方解石 晶体
光 光
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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
方解石 晶体
光 光
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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
方解石 晶体
光 光
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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
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四、惠更斯原理在对双折射现象中的应用 光轴 e 波面 光轴
ve * vo
o 波面
vo ve *
正晶体 负晶体 vo ve vo ve no ne no ne 产生双折射现象的根本原因是晶体光学 结束 性质的各向异性。
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1. 平 面 波 倾 斜 入 射 方 解 石 晶 体
用惠更斯原理解释双折射现象
.. e o. . D C ...
. . o. e . . .
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不服从折射定律指的是：
1. 折射光线一般不在入射面内；
2. 入射角的正弦与折射角正弦之比不是 常量，即折射率和入射光线的方向有关。
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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
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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
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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
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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
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当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转
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d
同样，调整厚度可以制成二分之一波片。
π 振光的振动面旋转
如果 a = π 4
，使用二分之一波片可以使偏 2 。
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返回17章
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= Asina cos a
... A´ e= A o
N´
M´
A´ Ao ´是一对振幅相等的相干光 e、 π 亮 k 2 n ( ) n d o e π π ={ + ΔΦ = 2 ( 2 k + 1) λ π 暗
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通过波片后两光的光程差为： δ = (no n e ) d
晶片厚度 l 若： δ = (no n e ) d = 4 l 则： d = 4 (no n e ) 经过这样厚度的晶片，非常光和寻常光的光 l 程差为 4 ，称为四分之一波片。
双 折 射 现 象
结束
返回17章
§17-16 光的双折射 一、双折射现象
o光
e光
方解石晶体 CaCO 3
纸面
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折射现象 双 折射现
二、寻常光与非常光 寻常光线（o光）(ordinary rays) 服从折射定律的光线 非常光线（e光） (extraordinray rays) A 不服从折射定律的光线 B
尼科耳棱镜的制作过程
71
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尼科耳棱镜的制作过程
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尼科耳棱镜的制作过程
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尼科耳棱镜的制作过程
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尼科耳棱镜的制作过程
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尼科耳棱镜的制作过程
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涂上加拿大树胶
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尼科耳棱镜的制作过程
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五、尼科耳棱镜 A M 22 自然光 90 加拿大树胶 ..... e. . . o 光 φ .. 68 . 轴 C . N
光 光
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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
方解石 晶体
光 光
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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
方解石 晶体
光 光
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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
方解石 晶体
光 光
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当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转
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
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Ae = A cos a
Ao = A sina
A´ a e = Ae sin
= A cosa sina ´= Ao cos a Ao Ao N A´ o 轴 光
A
M Ae
a a
a
a
A´ e
0
102 78
0
78
0
单轴晶体：只有一个光轴（方解石、石英）
双轴晶体：有两个光轴（云母、硫磺） 主截面：光轴与自然晶面法线所组成的平面。 主平面：某一光线与光轴所组成的平面 结束
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O光及E光 都为线偏振光。
光轴方向 . . 光 . e.
面 平 主 e光
. 一般来说， 平面 主 光 o O光主平面和 E 光 . o . . 光主平面并不 重合。 当入射光线在主截面内时，O光、E 光 以及它们的主平面都在主截面内。此时，两 光的振动方向相互垂直。O光垂直于主截面 振动，E光在主截面内振动。
纸面
双 折 射
光 光
方解石 晶体
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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
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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
0 0 0
e
ne = 1.4864 ~1.6584
加
o
n =1.55 ne = 1.516 no =1.6584 n 加 n o 且 φ =77 0 > 临界角，o 光发生全反射 因为 n 加 > no >
所以 e 光不会发生全反射
尼可耳棱镜可以用作起偏器与检偏器。 ....
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§17-17 偏振光干涉