第七章 光在晶体中传播.docx

第七章? 光在晶体中的传播Chap.7?Optical Propagation in Crystals目的要求：通过本章的学习，使同学们： 1、 熟悉光在晶体的传播规律，理解o光和e 光；2、了解常见的偏振元件，掌握1/4波片的功用；3 、熟悉偏振光的干涉；4?、了解光弹性效应、电光效应和1/4旋光现象。重? 点：?五种偏振态及检定、两个定律及应用、偏振光的干涉、波片难? 点：? 光轴和主截面、双折射、偏振光的检定教? 法：? 由浅入深，循序渐进，启发诱导，化繁为简注? 意：? 新知识的引入、与Chap.2的联系、在科研等方面的应用。 电光效应→克尔盒→两弹一星→瞬态光学学? 时：章节学时页数习题§1-23P165-187P181/ 4§3-54P187-226P202/ 4; P214/ 1; P226/ 2习题课2?? ---------------由清华大学杨氏教授撰写第七章 光在晶体中的传播 第一课§7.1 晶体的双折射1. 晶体的双折射概念取一块冰洲石(方解石的一种，化学成分是CaCO3),放在一张有字的纸上，我们将看到双重的像。平常我们把一块厚玻璃砖在字纸上，我们只看到一个像，这个像好象比实际的物体浮起了一点，这是因为光的折射引起的，折射率越大，像浮起来的高度越大，我们可以看到，在冰洲石内的两个像浮起的高度是不同的，这表明，光在这种晶体内成了两束，它们的折射程度不同。这种现象叫做双折射。下面我们通过一系列实验来说明双折射现象的特点和规律。(1)o光和e光 如下图，让一束平等的自然光束正入射在冰洲石晶体的一个表面上，我们就会发现光束分解成两束。按照光的折射定律，正入射时光线不应偏折。而上述两束折射光中的一束确实在晶体中沿原方向传播，但另一束却偏离了原来的方向，后者显然是违背普通的折射定律的。如果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一条总符合普通的折射定律，另一条却常常违背它。所以晶体内的前一条折射线叫做寻常光(简称o光),后一条折射线叫做非常光(简称e光)。应当注意，这里所谓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o光和e光了。(2)晶体的光轴在冰洲石中存在着一个特殊的方向，光线沿这个方向传播时o光和e光不分开(即它们的传播速度和传播方向都一样),这个特殊方向称为晶体的光轴。为了说明光轴的方向，我们稍详细地研究一下冰洲石的晶体。冰洲石的天然晶体，如下图所示，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78，一对钝角约为102。读者对照冰洲石晶体的实物或其模型可以看出，每三个表面会合成一个顶点，在八个顶点中有两个彼此对前的顶点(图中的A,B)是由三个钝角面会合而成的。通过这样的顶点并与三个界面成等角的直线方向，就是冰洲石晶体的光轴方向。我们总是强调方向二字，因为光轴不是指一条线，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。(3)主截面光线沿晶体的某界面入射，此界面的法线与晶体的光轴组成的平面，称为主截面。当入射线在主截面内，即入射面与主截面重合时，两折射线皆在入射面内；否则，非常光可能不在入射面内。(4)双折射光的偏振如果在上图所示的实验中用检偏器来考察从晶体射出的两光束时，就会发现它们都是线偏振光，且两光束的振动方向相互垂直　2.光在单轴晶体中的波面图 　除冰洲石外，许多晶体具有双折射的性能。双折射晶体有两类，象冰洲石、石英、红宝石、冰等一类晶体只有一个光轴方向，它们叫做单轴晶体；象云母、蓝宝石、橄榄石、硫磺等一类晶体有两个光轴方向，它们叫做双轴晶体。光在双轴晶体内的传播规律复杂，这里只讨论单轴晶体。单轴晶体分为两类：一类以冰洲石为代表，υeυo，e光的波面是扁椭球，这类晶体叫做负晶体。另一类以石英为代表，υeυo，e光的波面是长椭球，这类晶体叫做正晶体。对于负晶体，none；对于正晶体，none。冰洲石和石英对于几条特征谱线的值如下图。真空中光速c与媒质中光速υ之比，等于该媒质的折射率n，即n=c/υ。对于o光，晶体的折射率no=c/υ。但对e光，因为它不服从普通的折射定律，我们不能简单地用一个折射率来反映它折射的规律。但是通常仍把真空光速c与e光沿垂直于光轴传播时的速度之比叫做它的折射率，即ne=c/υe。这个虽不具有普通折射率的含义，但它与一样是晶体的一个重要光学参量。和合称为晶体的主折射率。在第一章中我们利用惠更斯的波面作图法讨论了光束在各向同性媒质中传播和折射的规律。要研究光在各向异性的双折射晶体中传播和折射的规律，也需要知道波面的情况。在各向同性媒质中的一个点光源(它可以是真正的点光源，也可以是惠更斯原理中的次波中心)发出的波