晶体光学性质的观测分析

晶体光学性质的观测分析实验人：李洁芸中山大学.物理学实验中山大学实验报告：晶体光学性质的观测分析理工学院光学工程系05级光信2班05323057号参加人实验人：李洁芸日期：2007.10.15.温度：气压：[引言]在晶体中，除立方晶系晶体外，都表现出光学各向异性（双折射现象）。当光经过各向异性晶体时，光的性质会随着晶体的取向不同而发生改变，并表现出各种有趣的光学现象．利用晶体的各向异性，可以制成光学偏振器，应用分析器，电光调制器等．观测和研究晶体的光学性质，对我们充分认识晶体的光学性质有十分重要的意义。[实验目的]1.熟悉单轴晶体光学性质，晶体的消光现象，干涉色级序；2.了解偏光显微镜原理并掌握其使用方法；3.观察晶体的类别，轴向和光性正负等过程，估计晶片的光程差[实验仪器]透射偏光显微种类很多，但基本原理都大同小异。图11为本实验所用的XP-201型透射偏光显微镜的构造图，主要结构包括：1.光源：卤素灯12V/20W,亮度可调节。2．起偏镜：用于产生偏振光，可转动调节方向。3．聚光镜：位于物台下面，有一组透镜组成，可以把来自下偏光镜的平行光聚敛成锥形偏光，聚光镜连有手柄，可根据需要旋入或旋出光路。4．旋转载物台：用于放置观察样品，可360度旋转。5．物镜：由四个放大倍数分别我为4x,10x,40x,60x的物镜，物镜的前镜片与样品之间的距离称为工作距离，图11XP-201型透射偏光显微镜物镜的工作距离随着放大倍数的增加而减小，所以用高倍物镜时要特别小心，应先将物镜调至最低，然后晶体光学性质的观测分析实验人：李洁芸中山大学.物理学实验逐步升高对焦。6．补偿器插口：补偿器插口用于插入各种补偿器，通常仪器带有2，及石英楔子等补偿器。7．检偏镜：摆动式，可移出光路，进行单偏光观察。8．勃氏镜：位于目镜与上偏光镜之间，为一小凸透镜，与目镜联合组成一望远镜，勃氏镜可左右移动，分别移入、移出光路。9．目镜：目镜中装有十字丝和刻度尺。[实验基本原理]（一）晶体的双折射和光率体折射率与光的传播方向和光矢振动方向有关的晶体称为各向异性晶体。除立方晶系的晶体外，所有的晶体都是各向异性晶体。当光通过各向异性晶体时，会产生双折射现象，并表现出偏振性质。当光沿各向异性晶体传播时，总存在一个或两个方向不发生双折射现象，此方向称为晶体的光轴，按晶体的光轴分，各向异性晶体又可分为单轴晶和双轴晶，单轴晶只有一个光轴；而双轴晶则有两个光轴。其中，折射率不随入射光方向而变的称为寻常光或o光（折射率为no），折射率随入射光方向而变的称为非寻常光或e光（折射率为ne）。o光和e光都是偏振光，并且它们的振动方向互相垂直。o光的振动方向垂直于包含光轴和o光波法线所组成的平面，e光的振动方向则平行于包含光轴和e光波法线所组成的平面。折射率椭球（或光率体）是描述晶体光学性质最常用的晶体光学示性曲面，它是以主折射率为主值的椭球。在主轴坐标系，折射率椭球可以表示为:1232322222121nXnXnX（1）1.立方晶系（高级晶族）1230nnnn120232221nXXX（2）2．单轴晶（中级晶族）图1立方体系晶体光率体1203,ennnnn1223202221enXnXX（3）（a）正单轴晶（b）负单轴晶晶体光学性质的观测分析实验人：李洁芸中山大学.物理学实验图2单轴晶光率体图图3单轴晶光率体的三种中心截面单轴晶光率体的光轴（3x），必须与晶体中的主对称轴（唯一的高次轴）一致。oenn的单轴晶称为正光性单轴晶，它的光率体是沿光轴方向拉长了的旋转椭球（图2（a）），oenn的单轴晶称为负光性单轴晶，它的光率体是沿光轴方向压扁了的旋转椭球（图2（b））。由于光速v=c/n，折射率越大，其光速越慢，所以在晶体中，折射率最大的方向成为晶体慢轴方向，而折射率最小的方向成为晶体快轴方向。图3给出了单轴晶光率体中三种中心截面。圆截面：垂直光轴的圆，半径为0n。主截面：包含光轴的椭圆截面，它的一个半径为0n，与光轴垂直，另一个半径为en，与光轴平行。由图可见：o光的振动方向必垂直于主截面，e光的振动方向则平行于主截面。任意截面：是一个椭圆，截面法线N与光轴成θ角。3．双轴晶（低级晶族）123nnn1232322222121nXnXnX（4）在低级晶族光率体中，可以找到两个圆截面，即存在两个光轴。双轴晶的光学性质比较复杂，这里不作详细讨论，以下分析讨论都是单轴晶情况。（二）正交偏光干涉在偏光显微镜中，当上下偏光镜的振动面互相垂直时，称为正交偏光镜。如在正交偏光镜间不放任和介质或放入各相同晶体时，光线无法通过正交偏光镜，所以视阈是黑暗的；当在正交偏光镜间放入各相异晶体时，由于晶体双折射效应和晶片厚度、晶轴取向的不同而产生不同的干涉现象。图4正交偏光镜间的干涉现象如图4，在正交偏光镜中加入一晶片，其中ＰＰ表示起偏镜的振动方向，ＡＡ表示检偏镜的振动方向，ＯＯ表示晶片光轴方向。透过起偏镜的偏振光振幅为oeA，光线到达厚度为d的晶片后，分解成振幅分别为eA和oA的e光和o光：cos,eoeAAsin.ooeAA再经过检偏镜后，e光和o光振幅晶体光学性质的观测分析实验人：李洁芸中山大学.物理学实验分别变为：11sincossin,coscossin.eeoeoooeAAAAAA各向异性晶体的双折射率：eonnn光透过厚度为d的晶片时，必产生光程差：()eodnn相位差：2()/eodnn。由此可见，经过正交偏振片和晶片后产生的两束光满足相干条件：①频率相同②相位差恒定③有相同方向的偏振分量．必然产生干涉。根据平面波迭加原理，两束光的合成光波振幅：])nn(d[sin2sinAcosA2AAAAoe222oeo1e12o12e12（5）合成光强：])nn(d[sin2sinAAIoe222oe2（6）由式（6）可看出：正交偏光干涉光强分布状况与晶片的轴向α，厚度d，双折射率Δn及入射波长λ有关。1．单色光干涉对于单色光，当0,,2，…时，sin20，即当晶片的轴向与两正交偏光镜其中之一的偏振方向一致时，合成光强为零，视野全暗，此现象称为消光现象。此时，晶片的位置称为消光位置。当35,,,444…时，sin21，即当晶片的轴向处于两个偏光镜的偏振方向中间时，合成光强最大，视阈最亮。很显然，如转动晶片360度，会出现四暗、四明现象。当晶片的双折射率Δn不变，厚度变化，这相当于石英锲子的情况。石英锲子是一个磨成一端薄一端厚的石英晶片，长边平行于no，短边平行于ne，双折射率Δn=0.009。当正交偏光镜中插入的是石英锲子，由于石英锲子厚度不同，其不同厚度出的光程差)nn(doe也不相同，所以当石英锲子由薄至厚插入时，就会观察到有规律的明暗相间的干涉条纹。如图5所示。（a）石英楔子（b）石英楔子干涉条纹图5正交偏光下石英楔子干涉2．白光干涉用白光照明时，由于白光是由红橙黄绿蓝靛紫七色组成，且各色光波长范围不同，所以对于某一个d值，不同色的光不可能同时达到相消或相长，干涉条纹也就不再是明暗不同的条纹，而只能是由光强不为零的各种单色光混合组合而成的，称为干涉色。当晶片的双折射率n不变，厚度变化，如石英锲子情况，其折射率随光波变化很小，可看作基本不变。当正交偏光镜中插入的是石英锲子，随着石英锲子厚度得变化其颜色发生有规律的变化，就是干涉色级序，大约每560nm光程差划分一个干涉色级序，通常可分为四个级序，光程差越大则干涉色级序越高。每个干晶体光学性质的观测分析实验人：李洁芸中山大学.物理学实验涉色级序中，颜色的一次明显改变称为一个色序，各色序之间颜色是连续变化的。对于同一石英锲子，波长越短，其明暗条纹间距亦越短。3．光程差补偿原理如果在正交偏光镜间放两块晶片，设光线通过晶片1和晶片2的光程差分别为Δ1和Δ2，当两晶片同名轴（快慢轴）平行时，如图6a所示，则通过两晶片的总光程差Δ=Δ1+Δ2，其干涉色比原来两晶片单独放入时的干涉色都高；当两晶片异名轴平行时，如图6b所示，则通过两晶片的总光程差Δ=Δ1+Δ2，其干涉色比其中之一单独放入时的干涉色低。若两晶片的光程差相等，则Δ=Δ1-Δ2=0，此时两晶片的光程差互相补偿，视阈全暗。上述光程差叠加和补偿的规律称为补色法则（a）同名轴平行（b）异名轴平行图6单轴晶体光性正负的测定若将晶片2换成石英锲子，且慢慢推入石英锲子，使Δ2逐渐增加。此时，如果晶片1与石英锲子同名轴平行，总光程差Δ是递增的，导致干涉色逐渐升高；如果晶片1与石英锲子异名轴平行，总光程差Δ是递减的，导致干涉色逐渐降低。当两个晶片相叠时，如果一个晶片的快慢轴方向已知，可根据补色法则，利用干涉色升降情况，确定出另一晶片的快慢轴方向，并可通过查干涉色表估算出另一晶片的光程差。（三）锥光干涉对于晶体的轴性、光性符号、光性方位、光轴角等根本问题，则要通过锥光观测才能最后下结论。在正交偏光镜的条件下，在广路中加入聚光镜和勃氏镜便构成了锥光装置。追光装置加入聚光镜可是平行入射的偏振光高度聚敛，形成锥形偏光；加入勃氏镜可以得到放大了的清晰、完整的干涉图，如不加勃氏镜，必须拔出目镜，才能看到物镜焦平面上小得多的干涉图。通过锥光装置在视阈中显现的干涉图称为锥光干涉图，它不是晶片本身的像，而是锥形偏光通过镜片后到达上偏光镜所发生的干涉效应的总和。下面根据光轴在晶体切片中方位的不同分几种情况讨论。晶体光学性质的观测分析实验人：李洁芸中山大学.物理学实验(a)立体图（b）俯视图图7单轴晶体垂直光轴切片锥光干涉图1．垂直光轴切片的晶体干涉图7给出了光源为单色光时垂直光轴切片晶体锥光干涉图，它是由一个黑十字和亮暗相间的同心圆环组成。当光源为白光时，则同心圆环变为干涉彩环。图中十字交点为光轴的露点，近光轴处黑臂较细，远离光轴处黑臂较粗。自光轴露点向外，等色环由疏变密，干涉色级由低到高，旋转载物台，干涉色不发生变化。具有高双折射率的晶体所形成的干涉环，要比低双折射率晶体的多。对于同一种晶体，厚的晶片所形成的干涉环，要比薄的晶片多。此外，所使用物镜的数值孔径越高，则所观察到的干涉环也越多。在锥光干涉中，光锥中有一系列的光通过晶片，而每一条光在晶片中都有两个互相垂直的振动方向，其折射率分别为ne和no。由图7可知，越到视阈边缘，光线方向对光轴倾斜的越厉害，双折射率就越大，对应的光率体切面之形状也就越加长而扁。包含在PP（或AA）面内的光与光轴组成的面是PP（或AA）面，即主截面，非常光是在PP（或AA）面内振动，而常光则在垂直PP（或AA）面内振动。但由于来自下偏光镜的光都是在PP面内振动的线偏光，所以包含在PP面内的光会全部从非常光的振动面内通过，而包含在AA面内的光则会全部从常光的振动面内通过，因此通过PP和AA面内的光在通过晶片后，其偏振方向不会发生改变，都平行于下偏光镜的偏振方向，与上偏光镜的偏振方向垂直，无法通过上偏光镜，因而在视阈中平行PP和AA方向就产生一个黑十字消光影。只有位于PP和AA面内的光才是绝对消光，而光锥中位于PP和AA面附近的光，它们都会有极小一部分通过上偏光镜而互相干涉，但由于人的眼睛感觉不到，所以此时用人眼观察仍然是暗的，所以十字消光影是两条有一定宽度的黑臂。转动载物台，消光影的位置不发生变动，这是因为不论载物台怎样转动，光锥中总是有部分光位于PP和AA面内或其附近，因此消光影总是存在的，并且消光影始终与下偏光镜和上偏光镜的振动面平行。在单色光中产生的光轴干涉图除了黑十字消光影外，还有互相交替的亮环与暗环。这主要是因为当光上升到晶片上时，原来平行PP方向的振动在晶片中要分解为两互相垂直的振动，由图7可知，非常光总是在入射光与光轴组成的主截面内振动，而常光则在与之垂直的面内振动。当入射光与光轴斜交越大时，光在晶片中走过的距离越长，双折射率越大，所以从光锥的轴越向外去，光程差就越大。与光轴成某一角度的光线组成一个光锥，而同一光锥内的每一条光