光在晶体中的传播

晶体的双折射现象
晶体的双折射现象，也称为光学二轴性，是指光线在晶体中传播时，由于晶体的非均匀结构和各向异性特性，会发生折射光线的分离现象。

在晶体中，光线传播的速度和方向与光线的偏振方向和入射角度有关。

晶体的双折射现象主要源自以下原因：
1.各向异性：晶体的结构和物理性质在不同方向上可能会有所不
同。

这种各向异性导致光线在晶体内部以不同速度传播，从而
产生不同的折射角。

2.双折射轴：晶体中存在特定方向，称为双折射轴或光轴。

在双
折射轴上，光线的传播速度不受晶体结构的影响，沿着这个方
向传播的光线不发生分离。

当平行入射的自然光线（未偏振光）或偏振光通过晶体时，如果其传播方向与晶体的双折射轴垂直，则不会发生分离现象。

但是，如果入射方向与双折射轴不垂直，则光线会分成两束，沿不同方向传播，分别称为普通光和非普通光。

•普通光（o光）：普通光以与入射方向相同的速度传播，遵循常规的折射规律，其折射率与入射角度有关。

•非普通光（e光）：非普通光以与入射方向不同的速度传播，其折射率也与入射角度不同。

非普通光的传播速度取决于晶体的
结构和物理性质。

由于普通光和非普通光的传播速度和折射率不同，它们在晶体内
部传播时路径会发生偏离，导致折射光线的分离现象。

这种分离可以通过观察晶体上的双折射干涉图案或使用特殊的光学仪器（如偏振光显微镜）来观察和测量。

晶体的双折射现象在光学领域具有重要的应用，例如偏振光显微镜、波片、光学调制器等。

通过利用晶体的双折射特性，可以实现光的分离、调制和测量等功能。

光在光子晶体中的传播特性及应用研究引言光是一种电磁波，在很多科学领域中都具有重要的应用价值。

光子晶体是一种具有周期性结构的材料，可以有效地控制光的传播特性。

本文将探讨光在光子晶体中的传播特性以及相关的实验研究。

一、光子晶体的定义与特性1. 光子晶体的定义光子晶体是一种具有周期性结构的材料，其周期性结构与晶体类似，但其单位结构是光学尺寸尺度的。

光子晶体具有光子能带结构，可以通过调节结构参数来控制光的传播特性。

2. 光子晶体的特性光子晶体具有以下特性：（1）光子禁带：光子禁带是指在光子晶体中某些频率范围内，光无法传播。

这是由于光在光子晶体中发生了布里渊散射，使得能量无法传递到下一个晶格位置。

（2）光子晶体色散：光子晶体中的光的色散性质与传统材料有所不同。

光子晶体中的光可以具有负色散性质，即频率随波矢增大而减小，或具有正色散性质，即频率随波矢增大而增大。

二、光在光子晶体中的传播特性1. 光传输模型光子晶体中的光可以通过两种方式传播：光子晶体的空穴、等离子体波。

（1）空穴模式：在光子禁带中，光无法沿着传统的光线传播，但可以通过空穴传播。

空穴模式是一种介于禁带和能带之间的传播模式，在光子晶体中垂直于周期性结构传播。

（2）等离子体波模式：等离子体波是一种在光子晶体表面传播的模式，其与光子晶体禁带中的模式相耦合，可以在光子晶体边界上产生表面等离子体波。

2. 实验准备及过程（1）材料准备：制备光子晶体需要具有高透明度和周期性结构的材料，如二氧化硅。

可以通过化学气相沉积、溶胶-凝胶法等方法制备具有所需结构的光子晶体。

（2）制备光子晶体结构：根据所需的结构参数，通过光刻、干涉曝光等方法在光子晶体材料上制备周期性结构。

（3）测量光传播特性：在实验中，可以使用光纤光谱仪、激光器等设备测量光在光子晶体中的传播特性。

例如，可以通过改变入射光的角度、波长等参数，测量光子禁带的带宽和频率响应等。

三、光在光子晶体中的应用研究1. 光子晶体光纤传感器光子晶体光纤传感器可以通过改变传感器内部的周期性结构实现对环境参数的高度敏感。

第六章光在晶体中的传播第六章光在晶体中的传播光的⼲涉和衍射现象说明光具有波动性，但这不能说明光波的横波性。

1809年Malus 在实验上发现光的偏振现象，后来Maxwell 的电磁理论给出了⾃由空间传播的电磁波是⼀种纯碎的横波。

当光在各向异性的介质中如晶体中传播时，能观察到光的偏振现象。

⼈们能够利⽤光的偏振特性制成各种光学元件，如偏振⽚、波晶⽚、⼲涉仪器、电光调制器、光隔离器等，这些器件在⽣产实践和科学研究中得到了⼴泛应⽤，利⽤光的偏振特性还能够进⾏各种测量。

主要内容：1光波的偏振态；2光在电介质表⾯的反射和折射菲涅⽿公式；3光在各向异性介质中的传播；4晶体光学元件偏振光的获得和检偏；5偏振光的⼲涉及其应⽤；6旋光§ 1 光的偏振态光的偏振现象可以⽤⼀个简单实验来说明。

如图所⽰，让光依次通过两个偏振⽚（polaroid ）P 1和P 2，当不动，以光线为轴旋转P 2逆着光的传播⽅向看去，会发现透过P 2的光强会随着P 2的旋转⽽变化。

当P 2处于某⼀位置时透射的光强最⼤，由此为转过900后，透射的光强减⼩到0，现偏振光完全被挡住。

这种现象称为消光现象（extinction ）。

当继续旋转时，⼜会重复以上现象。

上述实验同时也反映了光波本⾝的性质，即它的振动⽅向与传播⽅向垂直，光波是横波。

历史上，早在电磁波理论建⽴之前的1809年，马吕斯（E.L.Malus)就在实验上发现了光的偏振现象，电磁波理论建⽴之后，⼈们才认识到⾃由空间传播的光波是纯粹的横波，其电⽮量和磁⽮量都垂直于光的传播⽅向。

在与光波的传播的⽅向垂直的平⾯内电⽮量有多种振动状态，我们称之为偏振态（Polarization ），实际中光的偏振态⼤体可分五种，⾃然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光，1.2 偏振⽚（polaroid)检偏器有些晶体对不同⽅向的电磁振动具有选择吸收的性质。

当光线射在这种晶体的表⾯上时，振动的电⽮量（光⽮量）与光轴平⾏时被吸收的较少，光可以较多的通过，如图(a) 所⽰；电⽮量与光轴垂直时被吸收的较多，光通过的很少，如图(b)所⽰，这种性质叫⼆向⾊性（dichroism)。

光在单轴晶体中的传播与惠更斯作图法
惠更斯作图法（Huygens’ Constructive Interference）是一种用来解释单轴晶体中的光传播的物理原理，它由名哲学家和科学家希特加·惠更斯发明。

惠更斯作图法描述了光沿着特定方向无穷远地传播，其中会产生极小的波前，称为极小点源。

在这种情况下，一个极小点源上会形成一系列小前阵，每个小前阵又会形成新的极小点源。

根据惠更斯作图法，当前阵小于波长时，光有可能沿着传播方向，形成一列极小点源。

它们可以非整数倍的波长间距构成一条直线，这条直线的顶点能形成连续的增强点。

如果源不在任何一条轴上，则从某一轴到源之间可能会出现额外的极小点源。

这就会形成更多的增强点，因此会使得光传播变得更高。

当源足够多时，惠更斯作图法能够正常工作。

此时，前阵就会在光的传播方向形成一条沿着单轴的极小点源线，该线上的各个点可以是透射光的增强点。

这就描述了从晶体边缘传播出的光的行为。

由于前阵的位置不同，因此它们的增强点也会有所不同，这就导致了从晶体不同边缘发出的光的行为也有很大的不同。

惠更斯作图法对于解释单轴晶体中光的传播有重要意义，它清楚地描述了光在单轴晶体中透射的过程，并且能够提示我们如何改变因果，从而提高单轴晶体中光的传播。

因此，惠更斯作图法被认为是所有光学理论中最为重要和最有用的一种。