物理光學-第4章 晶體光學基礎(chǔ)ppt課件.ppt

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1、第4章晶體光學基礎(chǔ)4-1晶體的介電張量各向同性：是指在有些物質(zhì)中，組成它的原子或分子之間的相互作用各方向均等，這種物質(zhì)就是各向同性的；各向異性：是指在某些物質(zhì)中，原子或分子間的相互作用隨方向而變，這些物質(zhì)就是各向異性的。雙折射現(xiàn)象：因為方解石能產(chǎn)生雙折射，所以如果透過它去看紙上的一行字，每個字都變成了互相錯開的兩個字。4-1晶體的介電張量雙折射的電磁理論帶負電的球殼表示電子云，它被三對剛度不同的彈簧連接到質(zhì)量很大的正電中心上。當受到電場作用時，由于電子云相對于正電中心移動，產(chǎn)生極化。將電場強度E按三對彈簧方向（亦即X、Y、Z軸）分解為三個分量，相應(yīng)地得到極化強度P的三個分量為：（三個方向上的極

2、化率）各向異性的偶極子模型稱為極化張量：4-1晶體的介電張量雙折射的電磁理論如果三對彈簧的剛度相同,三個極化率相等P與E就同向,D與E也同向，晶體表現(xiàn)出各向同性的光學性質(zhì)，光在其中的傳播就與在普通介質(zhì)中傳播一樣。如果三對彈簧的剛度都不同：如果三對彈簧中有兩對剛度相同：4-2單色平面光波在晶體中的傳播特性單色平面光波在各向異性媒質(zhì)中的傳播對于沒有自由電荷存在的均勻透明電介質(zhì)，麥克斯韋方程組為E，D，H=（E0，D0，H0）是波法線方向的單位矢量。4-2單色平面光波在晶體中的傳播特性在非磁性晶體中的單色平面波，有以下特點：1、D垂直于H和（k方向），D、H、k組成右手螺旋正交關(guān)系，k方向就是光波波

3、法線方向，光波的振動是D不是E。2、H垂直于E和（k方向），H、E、k組成另一套矢量正交關(guān)系。是光能流S的單位矢量。3、D、E、lk、ls均位于與矢量H垂直的同一平面內(nèi)。4-2單色平面光波在晶體中的傳播特性因為一般晶體中三個主折射率不完全相等，導致D和E在一般情況下不平行，使得光能流方向(光線方向)與光波法線方向一般不重合，即光能不沿波法線方向而是沿光線方向傳播，等相面前進的方向（法線方向）既然與光能傳播方向（光線方向）不同，其對應(yīng)的速度—相速度與光線速度也就不同，兩者在方向上有一夾角為α（D，E間夾角）大小關(guān)系如下：4-2單色平面光波在晶體中的傳播特性4.2.2單色平面光波在晶體中傳播的解析

4、法麥氏方程組推出晶體光學性質(zhì)的基本方程或4-2單色平面光波在晶體中的傳播特性菲涅耳波法線方程4-2單色平面光波在晶體中的傳播特性運用菲涅耳波法線方程可以解決以下幾個問題。(1)已知—晶體給定和波法線方向可求n（）（2）已知—晶體給定和波法線方向可求E,D方向由：菲涅耳波法線方程：由菲涅耳波法線方程或其變形方程解出值代入下式即可求出兩組相應(yīng)的比值從而定出E的方向，從而定出分別對應(yīng)的D方向。4-2單色平面光波在晶體中的傳播特性(3)可求出兩方向之間的一般關(guān)系。(4)可求E兩方向之間的一般關(guān)系。4-2單色平面光波在晶體中的傳播特性下面舉例說明菲涅耳方程的應(yīng)用例一：求立方晶體中，波法線方向上兩偏振光的

5、折射率。能流方向與波法線方向一致。說明同性媒質(zhì)或立方晶體中E與D矢量方向一致。4-2單色平面光波在晶體中的傳播特性例二：求單軸晶體中，波法線方向上兩偏振光的折射率。尋常光線簡稱“o”光，定義為：不論入射光束的方位如何折射光線總在入射面內(nèi)，且遵守折射定律，我們把這束折射光稱為尋常光用符號“o”表示，簡稱o光?！胺菍こ９饩€”，或簡稱“e”光，定義為：折射光線隨入射光束的方位而變，不遵守折射定律，因此稱為非尋常光用符號“e”表示，簡稱e光。4-2單色平面光波在晶體中的傳播特性“光軸”，定義為：當光在晶體中沿某方向傳播時不發(fā)生雙折射，晶體內(nèi)這種特殊的方向稱為光軸。應(yīng)該注意的是光軸不是特定的直線而是一個

6、方向。當晶體中只有一個光軸時，稱為單軸晶體。下面具體討論一下“o”光和“e”光的特點：代入基本方程的線性方程組4-2單色平面光波在晶體中的傳播特性2、“e”光說明“e”光的E矢量位于X2X3面內(nèi)，即在lk與光軸所確定的平面內(nèi)。4-2單色平面光波在晶體中的傳播特性討論：通過上面討論可以得出下列結(jié)論(1)在各向同性媒質(zhì)中，E∥D且垂直于K方向。(2)在各向異性媒質(zhì)中，“o”光的E也平行于D但垂直于K（）與x所確定的平面。只有當即K（）與x方向重合時，這時o光的傳播才與在各向同性媒質(zhì)中的一樣，且此時“o”光與“e”光也都重合了。4-2-3單色平面光波在晶體中傳播的幾何法4-2-3-1折射率橢球（光

7、率體）定義：為了表示屬于給定的波法線方向K的兩個折射率以及矢量D的兩個振動方向，菲涅耳提出一個單層的空間曲面，叫折射率橢球，或者叫做光率球。表達式：4-2-3-1折射率橢球（光率體）證明：4-2-3-1折射率橢球（光率體）證明：4-2-3-1折射率橢球（光率體）物理意義：用折射率橢球表示晶體的折射率（對某個確定的頻率）在晶體空間各方向（光波的D方向）上的全部取值分布的幾何圖形。通過橢球中心的每一個