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第四章：光的偏振与晶体光学基础 光的干涉和衍射现象充分显示了光的波动性质，但是它们不 涉及光是横波还是纵波的问题，光的偏振现象则从实验上证 实了光波是横波，这正是麦克斯韦电磁理论所预言的结果。 电磁波是一种矢量波，大量的干涉和衍射问题可以用标量近 似处理。然而本章所要讨论的偏振和双折射，却是矢量波所 特有的现象，不能再按标量处理。 光的偏振现象与各向异性晶体有着密切联系，光在其中传播 时，有双折射现象，最为重要的偏振器件是由晶体制成的。 如同光的干涉和衍射现象一样，光的偏振现象在激光技术、 光信息处理、光通信等领域有着重要应用。 4.1晶体双折射 4.2晶体光学器件 4.3晶体的偏光干涉 4.4旋光效应 4.5磁光效应 4.6电光效应 4.1晶体的双折射 一、双折射现象 当一束单色光在各向异性晶体的界面折射时，一般可以产生两束折射光，这种现象称为双折射。双折射现象比较显著的是方解石（CaCO3）. 实验现象：取一块冰洲石（方解石的一种）放在一张有字的纸上，我们将看到双重的像，且冰洲石内的两个像浮起的高度是不同的，（此是光的折射引起的，折射率越大，像浮起的高度越大）。 这表明，光在这种晶体内成了两束，它们的折射程度不同。此为双折射。 二、几个术语的定义 1、寻常光线和非常光线 让一束单色光正入射在冰洲石晶体的表面，就会发现光束分解成两束。 按照折射定律，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。 进一步的研究表明，晶体内的两条折射光线中一条总是符合普通的折射定律，此折射光线叫做寻常光（o光，来源为ordinary），另一条折射光线却违背它，叫做非常光（e光，来源为extraordinary）。 注：所谓的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o光和e光了。 2、晶体的光轴 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。 注：晶体的光轴并不是经过晶体的某一条特定的直线，而是一个方向。在晶体内的每一点都可以作出一条光轴来。 单轴晶体：只有一个光轴方向的晶体：方解石、石英及KDP（磷酸二氢钾） 双轴晶体：有二个光轴方向的晶体，云母，石膏，蓝宝石等。 3、主平面与主截面 主平面：在单轴晶体内，由o光线和光轴组成的面为o主平面。由e光线和光轴组成的面称为e主平面。一般情况下，o主光平面和e主平面不重合。 主截面：在单轴晶体内当光线沿晶体的某界面入射时，此界面的法线与晶体的光轴组成的平面。称为主截面（不一定与入射面重合），方解石晶体的主截面如图所示，有3个。 当入射光线在主截面内，即入射面与主截面重合时，两折射线皆在入射面内（o、e主平面与此面重合）；否则，非常光可能不在入射面内。 在实用中，都有意选择入射面与主截面重合以使所研究的双折射现象大为简化。（o光与e光都在入射面内） 三、双折射的电磁理论 晶体的双折射现象，表明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的性质。具体地说，对于振动方向互相垂直的两个线偏振光，在晶体中有着不同的传播速度（或折射率），因而产生双折射现象。 从光的电磁理论的观点看，晶体的这种持殊的光学性质是光波电磁场与晶体相互作用的结果。晶体在光学上的各向异性，实质上表示晶体与入射光电磁场相互作用的各向异性。 在麦克斯韦电磁场理论中，用介电常数ε来表征物质的极化状况。在各向同性媒质中，电位移矢量与电场强度关系是： ，这里ε是介电常数，是一标量，此式表明D与E的方向一致。 在各向异性媒质中， D与E在一般情况下方向是不一致的， 为一张量，将麦克斯韦方程组和物质方程应用于晶体，可得出单色平面波在晶体中的传播特性。 结论： 在给定的晶体中，相应于一个给定的波法线方向k0 ，允许有两个特定振动方向的线偏光传播，这两个光的E矢量互相垂直，并且有不同的光线速度，不同的光线方向和不同的折射率。 四、惠更斯作图法 在各向同性介质中，可以利用惠更斯原理来求折射光线的方向。此方法也可以应用到晶体中来，从而直接得到晶体中两个折射光波的光线方向。 先把各向同性介质中惠更斯作图法的基本步骤归纳如下： （1）画出平行的入射光束，令两边缘光线与界面的交点分别为A，B’ （2）由先到界面的A点作另一边缘入射线的垂线AB，它便是入射线的波面。求出B到B’的时间 （3）以A为中心，νt为半径（ ν为光在折射介质中的波 速）在折射介质中作半圆（实际上是半球面）,这就是另一边缘入射线到达B’点时由A点发出的次波面。 （4）通过B’点作上述半圆的切线（实际上是切面）