第五章光的偏振晶体内o光和e光.ppt

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第五章光的偏振晶体内o光和e光

5.4 光在单轴晶体中的波面 光学 为什么各向异性的晶体会发生双折射? 光的电磁理论可对光在晶体中的双折射现象作出全面的解释。但早在光的电磁理论诞生之前,惠更斯于1690年在他的《论光》(共22卷)一书中对单轴晶体内的双折射现象就给出了解释。 惠更斯假设在晶体中从一个发光点发出的o光的波面是球面;e光的波面是旋转椭球面。 惠更斯的这个假设,虽然没有深入到光与物质相互作用的本质,而且缺乏理论上的严格性,但可对双折射现象作出初步说明,其结果与电磁理论及实验事实是相符合的,并具有简单、直观的优点。在此我们介绍惠更斯的方法。 根据惠更斯原理,在各向同性介质中,一子波源发出的光波沿各方向传播的速度均为υ=c/n,是和光的传播方向、光矢量振动方向无关的常数。经?t后,形成的波面是一个半径为υ?t的球面。因此在各向同性介质中光波的波面是球面。 在各向异性的晶体内,传播速度既和振动方向(指o,e)有关,又和传播方向(是否沿光轴)有关。 实验表明,o光的振动方向总是与光轴垂直,且遵守折射定律,折射率是常数。 o光的子波面 所以o光的速度与传播方向无关,o光的次波波面与各向同性介质中的波面一样是球面。 o光的光矢量垂直于o光的主平面, 半径为υo?t e光的子波面 对e光,其光振动在包含光轴的平面内,振动方向与光轴的夹角随传播方向而改变,e光不遵守折射定律,其折射率也不是一个常数, 所以e光的传播速度随方向而变化。可见e光的波面不是球面。 惠更斯设想,它是环绕光轴的旋转椭球面,实际也是如此。 e光沿各个方向传播速度不同。沿光轴方向的传播速度与o光一样也是υo;垂直于光轴方向的速度是υe。 e光的光矢量平行于e光的主平面。 e光沿沿光轴方向的折射率与o光一样也是 ;垂直于光轴方向的折射率是 。 由此可见,晶体的光轴具有特别重要的地位,o光和e光的传播速度之所以不同,以及e光的速度之所以随方向而变,正是由于它们的振动方向相对于光轴方向的取向不同所致。 光沿光轴方向传播时,e光的振动方向和o光的振动方向都与光轴垂直,因而e光具有与o光相同的传播速度 v0 。 当光垂直于光轴方向传播时,e光的振动方向与光轴平行,在该方向上,e光的传播速度为?e,o光仍为? 0 。此时, ? e与? 0相差最大。 当光的振动方向与光轴成一定角度时,则e光的速度介于? o和? e之间。 o光和e光的子波面在光轴方向上相切;在垂直光轴方向上,两波面相距最远。 在垂直于光轴的方向上: 正晶体和负晶体 若:? e< ? o(或ne>no), e光的波面在o光波面内,称为正晶体,如石英、冰等。 vo?t ve?t 光轴 负晶体 (vo ve ) ? 子波源 子波源 vo?t ve?t 光轴 正晶体 (vo ve) ? 正晶体是球面包椭球面。 若:? e> ? o (或ne<no ), e光的波面在o光波面外,称为负晶体,如如方解石、红宝石等。 负晶体是椭球面包球面。 本节结束 5.5 光在晶体中的传播 光学 1.惠更斯原理的表述 ①光扰动同时到达的空间曲面被称为波面或波前; ②任何时刻波面上的每一点都可作为次波的波源,各自发出球面次波; ③下一时刻的波前应当是所有这些次波波面的公共切面(也称其为包络面)。 ④次波中心与其次波波面上的那个 切点的连线方向,给出了该处光传 播方向,即光射线方向。 2、惠更斯原理的图示如下: S Σ1 Σ2 r 5.5 光在晶体中的传播 光学 一.晶体内o光和e光的传播方向 当光束在单轴晶体中传播时,波面上的每一点都可视为次波波源,并同时发出波面为球面和旋转椭球面的次波。在特殊情况下(入射面包含光轴或垂直于光轴),利用惠更斯作图法,可以确定在晶体内o光和e光的传播方向。 下面以负晶体(ve >vo) 为例: (1)画出入射波的波前 (2)画子波的波面 (3)画子波波面的包络面,即折射光的波面 (4)画折射波的传播方向 作图法大致分四步(至少画出两条入射光线): 例1,平行光从空气斜入射到方解石等负晶体表面上,作图步骤如下: (1)画出平行的入射光束,它的两条边缘光线与界面分别交于B点和C点。 空气 晶体 光轴 (2)由先到达界面的B点作另一条边缘光线的垂线BA,它就是入射的波面;求出光从A点到达C点所需时间,t=AC/c,令t=AC/c=1。 (3)对于方解石晶体 以B为圆心,以?ot=1.486为半径,在晶体内作半圆,

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