第4章 晶体光学及元器件概要

第4章 光的偏振与晶体光学器件本章内容4.1 从自然光获得线偏振光4.2 晶体的双折射4.3 晶体光学器件4.4 椭圆偏振光和圆偏振4.5 偏振光和偏振器件的矩阵表示4.6 偏振光的干涉及其应用4.7 旋光zy振动面ZE∙∙∙∙2、线偏振光X3、圆椭圆偏振光和椭圆偏振光光矢量方向不变，其大小随位相变化光矢量大小不变，其方向绕传播方向均匀转动，且矢量末端轨迹为圆4、椭圆偏振光光矢量在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量大小和方向都在有规律地变化，且矢量末端轨迹为椭圆5、部分偏振光彼此无固定相位关系、振动方向任意、不同方向上振幅不同的大量光振动的组合不同的大量光振动的组合,,称部分偏振光，它介于自然光与线偏振光之间。

部分偏振光两垂直方向光振动之间无固定的相位差。

部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量都有，但振幅不对称，在某一方向振动较强，而与它垂直的方向上振动较弱。

二、从自然光获得线偏振光的方法利用反射与折射利用二向色性利用晶体的双折射利用散射布儒斯特窗激光器的激光器的布儒斯特窗为解决这个矛盾，让光通过由多片玻璃叠合而成的片堆，入射角等于布儒斯特角，经过多次的反射和折射，既能获得较高的偏振度，光的强度也比较大。

玻璃片堆玻璃片堆——————偏振分光镜偏振分光镜只用一片玻璃的缺点：以布儒斯特角入射时，反射光虽为线偏振光，但强度太小（以布儒斯特角入射时，反射光虽为线偏振光，但强度太小（≈≈7%7%））透射光的强度虽大，但偏振度太小PI θθPPIθ时，I一般情况下主平面不重合109oo71一般情形下，o主平面和e主平面是不重合的．但若入射面与晶体的主截面重合时，则o光和e光都在这个平面内，即o主平面、e主平面与晶体主截面三者重合为一．o光和e光的电矢量方向互相垂直。

在实际上，都有意选择入射面与晶体主截面重合，以便所研究的双折射现象大为简化．Ce光O光光线透过该厚度为光线透过该厚度为dd 的晶体后， O 光、光、ee 光的光程差为：0()e n n d=-D 出射光沿同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，但传播速度不相同，我们认为产生了折射现象。

晶体光学简介一 晶体的介电常数张量由电磁场理论已知，介电常数是表征介质电学特性的参量。

在各向同性介质中，电位移矢量D 与电场矢量E满足如下关系： E E D rεεε0== （1）由于介电常数r εεε0=是标量，所以电位移矢量D 与电场矢量E 的方向相同，即D矢量的每个分量只与E矢量的相应分量线性相关。

对于各向异性晶体，D 和E间的关系为E E D r⋅=⋅=εεε0 （2） 介量常数r εεε0=是二阶张量，该关系的分量形式为 ),,,(0z y x j i E D jjji i ==∑εε （3）这里的j i ε是相对介电常数张量元素。

由该式可见，电位移矢量D 的每个分量与电场矢量E的各个分量均线性相关，在一般情况下，D 与E的方向不同。

因此，晶体的相对介电常数张量可以写为[]⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+++=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=)1()1()1()1()1()1()1()1()1(111z z y z x z z y y y x y zx y x x x zz zy zx yz yy yx xz xy xx ji χχχχχχχχχεεεεεεεεεε （4）由于[])1(ji χ是对称张量，因而晶体的相对介电张量[]ji ε是一个对称张量，因此它有六个独立分量，经过主轴变换后的介电常数张量是对角张量，只有三个非零的对角元素，为[]⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=zz yy xx ji εεεε000000（5）式中，xx ε、yy ε、zz ε称为相对主介电常数。

由麦克斯韦关系式r n ε=，还可以相应地定义三个主折射率xx x n ε=，yy y n ε=，zz z n ε= （6）在主轴坐标系中，电位移矢量与电场强度矢量的分量关系可表示为 ),,(0z y x i E D ii i i ==εε （7）对于自然界中存在的七大晶系：立方晶系、四方晶系、六方晶系、三方晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系，由于它们的空间对称性不同，其相对介电常数张量的形式也不同。

第4章 光的偏振与晶体光学器件本章内容4.1 从自然光获得线偏振光4.2 晶体的双折射4.3 晶体光学器件4.4 椭圆偏振光和圆偏振4.5 偏振光和偏振器件的矩阵表示4.6 偏振光的干涉及其应用4.7 旋光zy振动面ZE∙∙∙∙2、线偏振光X3、圆椭圆偏振光和椭圆偏振光光矢量方向不变，其大小随位相变化光矢量大小不变，其方向绕传播方向均匀转动，且矢量末端轨迹为圆4、椭圆偏振光光矢量在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量大小和方向都在有规律地变化，且矢量末端轨迹为椭圆5、部分偏振光彼此无固定相位关系、振动方向任意、不同方向上振幅不同的大量光振动的组合不同的大量光振动的组合,,称部分偏振光，它介于自然光与线偏振光之间。

部分偏振光两垂直方向光振动之间无固定的相位差。

部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量都有，但振幅不对称，在某一方向振动较强，而与它垂直的方向上振动较弱。

二、从自然光获得线偏振光的方法利用反射与折射利用二向色性利用晶体的双折射利用散射布儒斯特窗激光器的激光器的布儒斯特窗为解决这个矛盾，让光通过由多片玻璃叠合而成的片堆，入射角等于布儒斯特角，经过多次的反射和折射，既能获得较高的偏振度，光的强度也比较大。

玻璃片堆玻璃片堆——————偏振分光镜偏振分光镜只用一片玻璃的缺点：以布儒斯特角入射时，反射光虽为线偏振光，但强度太小（以布儒斯特角入射时，反射光虽为线偏振光，但强度太小（≈≈7%7%））透射光的强度虽大，但偏振度太小PI θθPPIθ时，I一般情况下主平面不重合109oo71一般情形下，o主平面和e主平面是不重合的．但若入射面与晶体的主截面重合时，则o光和e光都在这个平面内，即o主平面、e主平面与晶体主截面三者重合为一．o光和e光的电矢量方向互相垂直。

在实际上，都有意选择入射面与晶体主截面重合，以便所研究的双折射现象大为简化．Ce光O光光线透过该厚度为光线透过该厚度为dd 的晶体后， O 光、光、ee 光的光程差为：0()e n n d=-D 出射光沿同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，但传播速度不相同，我们认为产生了折射现象。

晶体光学—必备知识点以上是吉林大学鸽子楼老师多年课件总结经典内容。

第一章晶体光学基础晶体光学涉及某些重要的物理光学原理和结晶矿物学基础知识，本章要求学生重点掌握光的偏振现象、折射及折射率、光在晶体中的传播特性、晶体中的双折射现象、光率体和光性方位。

其中重点是晶体中的双折射现象和光率体的构成；难点是光性方位。

一、光的基本性质及有关术语·光具有“波粒”两相性。

晶体光学主要利用的是光的波动理论.·光波是一种横波。

光的传播方向与振动方向互相垂直.晶体中许多光学现象与此有关。

·可见光：电磁波谱中波长范围390—770nm的一个区段，由波长不同的七色光组成。

·自然光：在垂直光波传播方向的断面内，光波作任意方向的振动，且振幅相等。

·偏振光：在垂直光波传播方向的断面内，光波只在某一固定方向上振动。

自然光转化为偏振光的过程称偏振化。

·折射定律：Sin i（入射角）/ Sin a（折射角)= V i(入射速度）/ V a（折射速度)=N i-a N i-a为介质a对介质i的相对折射律。

当介质i为真空时,N i-a称介质的（绝对）折射律,以N表示。

N是介质微观特征的宏观反映,是物质的固有属性之一，因此它是鉴定矿物的重要光学常数之一。

·全反射临界角和全反射：当光波从光密介质入射到光疏介质时，入射角i总是小于折射角a ，当a = 90 °时，i =φ，此时入射角φ称为全反射临界角.当入射角i> φ时，折射光波不再进入折射介质而全部返回到入射介质,这种能量的突变称为全反射。

二、光在晶体中的传播根据光在物质中的传播特点,可以把自然界的物质分为光性均质体和光性非均质体。

性均质体:指光学性质各方向相同的晶体。

包括等轴晶系的矿物和非晶质物质。

·光波在均质体中的传播特点：光的传播速度不因光的振动方向不同而发生改变(各向同性），联系折射定律可知,均质体的折射率只有一个。