12-15 光的双折射

1.寻常光和非常光

     一束光由一种介质进人另一介质时,在界面上发生的折射光通常只有一束。但是,如果把一块透明的方解石晶体(即碳酸钙 的天然晶体),放在有字的纸面上,可以看到晶体下的双折射字呈现双像[如图12-56(a)]。一束光线进人方解石晶体后,分裂成两束光线,它们沿不同方向折射,这现象称为双折射。图12-56(b)表示光束在方解石晶体内的双折射,显然,晶体愈厚,射出的光束分得愈开。

(a)

(b)
图12-56
    实验证明,当改变入射角 时,两束折射光之一恒遵守通常的折射定律,对于方解石等晶体这束光称为寻常光,通常用o表示(简称o光)。另一束光不遵守折射定律,(即折射光线不一定在入射面内,而且对不同的入射角,入射角的正弦与折射角的正弦之比不是恒量,这束光称为非常光,用e表示(简称e光),参看图12-57(a)。甚至在入射角时,寻常光沿原方向前进,而非常光一般不沿原方向前进,如图12-57(b)所示,这时,如果把方解石晶体以入射光线为轴旋转,将发现o光不动,而e光却随着晶体的旋转而转动起来。

(a)

(b)
图12-57

2.光轴 主平面

    改变入射光的方向时,我们将发现,在方解石这类晶体内部有一确定的方向,光沿这个方向传播时,寻常光和非常光不再分开,不产生双折现象,这一方向称为晶体的光轴
    应该指出,光轴仅表示晶体内的一个方向,因此在晶体内任何一条与上述光轴方向平行的直线都是光轴。
    在晶体中,我们把包含光轴和任一已知光线所组成的平面称为晶体中该光线的主平面。由光和光轴所组成的平面,就是光的主平面;由e光和光轴所组成的平面,就是e光的主平面。
    实验指出,o光和e光都是线偏振光,它们的光矢量的振动方向不同,光的振动方向垂直于它对应的主平面;光的振动方向平行于与它对应的主平面。在一般情况情况下,对应于一给定的入射光来说,光和e光的主平面通常并不重合,但当光轴位于入射面内时,这两个主平面是重合的。在大多数情况下,这两个主平面之间的夹角很小,因而光和光的振动方向可以认为是互相垂直的。

图12-58

3.单轴晶体的子波波阵面

    一般地说,在晶体中寻常光和非常光是以不同的速率传播的。寻常光的速率在各个方向上是相同的,所以在晶体中任意一点所引起的子波波面是一球面。非常光的速率在各个方向上是不同的,在晶体中同一点所引起的子波波面可以证明是旋转椭球面。两束光只有在沿光轴方向上传播时,它们的速率才是相等的,因此上述两子波波面在光轴上相切。在垂直于光轴的方向上,两束光的速率相差最大。
   用 表示光在晶体中的传播速率,表示e光在晶体中沿垂直于光轴方向的传播速率,对于>的晶体,球面包围椭球面,如图中(a)所示,这类晶体,例如石英,称为正晶体。另一类晶体,<,那么椭球面包围球面,如图中(b)所示,这类晶体,例如方解石,称为负晶体
    根据折射率的定义,对于光,晶体的则射率 ,由于各方向的相同,所以光的折射率是由晶体材料决定的常数,与方向无关。对于e光,各方向的传播速率不同,不存在普通意义的折射率,通常把真空中的光速与e光沿垂直于光轴方向的传播速率之比,称为e光的主折射率,即是晶体的两个重要光学参量。对于正晶体> ,对于负晶体,<

4.惠更斯原理在双折射现象中的应用

    根据上述球面波和旋转椭球面波的概念,在下述三种特殊情况下(其中晶体的光轴都在入射面内),我们能够简单地用作图法求出单轴晶体中寻常光和非常光的波阵面。
    (1) 倾斜入射的平面波 如图中(a)所示,AC是平面入射波的波阵面,当入射波由C传到D点时,自A已向晶体内发出球形和椭球形两个子波波阵面。这两个子波波阵面相切于光轴上的G点。从D点画出两个平面DEDF分别与球面和椭球面相切。在晶体中,DE是寻常光的新波阵面,DF是非常光的新波阵面。引AEAF两线,就得到表示光在晶体中传播方向的两条光线。由图可以看到,非常光AF与非常光的波阵面并不垂直,这是在各向异性介质中才发生的现象。
     (2) 垂直入射的平面波(晶体的光轴与晶体表面斜交) 当平面波射到晶体的表面时,自平面波波阵面上任意两点BD向晶体内发出球形和椭球形两个子波波阵面(如图中(b))。这两个子波波阵面相切于光轴上的GG'点。作EE'和FF'面分别与上述两子波波阵面相切,即得寻常光与非常光在晶体中的波阵面。引BEBF两线,就得到在晶体中两条光线的方向。
    (3) 垂直入射的平面波(晶体的光轴平行于晶体表面) 这里,晶体中两种光线仍沿原入射方向(如图中(c))。但应该注意,两者的传播速率不相等,因而和光在晶体中沿光轴方向传播时只有一种传播速率、无双折射的情况,是有根本区别的。

5.晶体偏振器件

    利用晶体的双折射现象,从一束自然光可以获得振动相互垂直的两束偏振光,这两束偏振光的分开程度决定于晶体的厚度。纯净天然晶体的厚度一般都较小,因而两偏振光的分开程度很小,实用价值不大。但通过将双折射晶体作一定的组合,可以制成常用的获得偏振光的器件。

图12-59
    尼科耳(Nicol)棱镜就是一种典型的器件,在这棱镜中,一束偏振光透过,另一束偏振光受到全反射而被移去。尼科耳棱镜可用作起偏振器,也可用作检偏振器,除尼科耳棱镜外,还有沃拉斯特(Wollaston)梭镜和洛匈(Rochon)棱镜等,它们都是由光轴垂直的两块方解石直角棱镜粘合而成的,利用这两种棱镜可获得两束分得很开的线偏振光。它们是很好的偏振光分束元件。

6.晶体的二向色性和偏振片

    单轴晶体(如方解石、石英)对寻常光和非常光的吸收性能一般是相同的,而且吸收甚少,但也有一些晶体,例如电气石,吸收寻常光的性能显得特别强,在lmm厚的电气石晶体内,寻常光几乎全被吸收。晶体对互相垂直的两个电矢量分量具有选择吸收的这种性能,称为二向色性。利用二向色性可以产生偏振光。最常用的偏振片,是利用二向色性很强的细微晶体物质的涂层制成的。
    偏振片的制造工艺简单,成本低,且面积可以做得很大,重量又轻,因此有较大的实用价值。