物理论文-双折射现象

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1、双折射现象DoubleRefractionPhenomenon摘要：通过上述实验以及课本的讲解，我们知道，双折射现象是由于e光在各向异性的介质中各个方向折射率不相同导致的，由此引出两个问题：1．同一光源发出的光为什么有o光和e光的区别？2．为什么e光在各向异性的介质中各个方向折射率会有区别？Abstract：Throughtheexperimentaboveandtheexpositioninthetextbook,weknewthereasonofdoublerefractionphenomenon

2、isthattherefractiveindexofespeciallightdifferedineachdirection.Thereoutwegottwoquestions,1.Whythereisordinarylightandespeciallightfromthesamelamp-house ?2.Whytherefractiveindexofespeciallightdifferedineachdirectioninananisotropicmedium?关键字：双折射单晶体O光E光Key

3、Word:DoubleRefractionSingleCrystalOrdinaryLightEspecialLight把一块普通玻璃片放在有字的纸上，通过玻璃片看到的是一个字成一个象。这是通常的光的折射的结果。如果改用透明的方解石（化学成分是CaCO3）晶片放到纸上，看到的却是一个字呈现双象（如图1）。这说明光进入方解石后分成了两束。这种一束光射入各向异性介质时，折射光分成两束的现象称为双折射现象。图1图2同一光源发出的光经过同一介质却分成了两条光路，这显然违背了光的折射定律，为了研究这一现象，我们

4、做以下实验（图2）。一束激光垂直射入由方解石制成的晶片，透射光线在光屏上留下两个光点。若将晶片绕光的入射方向慢慢转动，则其中按原方向传播的那一束光方向不变，而另一束光随着晶体的转动绕前一束光旋转。根据折射定律，入射角i=0时，折射光应沿着原方向传播，可见沿原方向传播的光束是遵守折射定律的，而另一束却不遵守。更一般的实验表明，改变入射角i时，两束折射光中的一束恒遵守折射定律，这束光线被称为寻常光线，通常用o表示，并简称o光。另一束光则不遵守折射定律，即当入射角i改变时，sini/sinr的比值不是一个常

5、数，该光束一般也不在入射面内。这束光称为非常光线，并用e表示，简称e光。用检偏器检验的结果表明，o光和e光都是线偏振光。通过上述实验以及课本的讲解，我们知道，双折射现象是由于e光在各向异性的介质中各个方向折射率不相同导致的，由此引出两个问题：1．同一光源发出的光为什么有o光和e光的区别？2．为什么e光在各向异性的介质中各个方向折射率会有区别？既然o光和e光都是线偏振光，我们不妨设想，其区别是否与其振动方向有关。由课本上晶体结构的知识我们知道，各向异性的晶体都会有光轴，o光和e光沿光轴方向传播时传播速度

6、相等。在晶体中，某光线的传播方向和光轴方向所组成的平面叫做该光线的主平面。寻常光线的光振动方向垂直于寻常光线的主平面，非常光线的光振动方向在其主平面内。可见o光和e光的区别的确在于其光矢量（即电矢量）振动方向。有一个光轴的晶体称为单晶体，下面以单晶体为例来分析o光与e光的区别。查阅资料表明，单晶体其中的电子存在两个固有频率，一个是与光轴的平行方向的振动1，另一个是与光轴垂直方向的振动2。当o光射入晶体时（如图3），其振动方向（图中实线）与光轴始终垂直，则其频率与2（图中虚线）叠加，得到新的频率3。分析

7、可知，无论光沿哪个方向传播，3为定值，因此光速为定值。当e光沿光轴方向传播时（如图4），其振动方向（图中实线）也垂直于光轴，则其频率与2（图中虚线）叠加，得到新的频率4。则4=3，表明e光沿光轴方向传播时，其速度与o光相同。图3图4在上述两种情况中，光的振动方向未必和2同向，可能存在一定夹角，但2在光振动方向上的分量频率仍为2，并不影响结论。当e光与光轴成一定夹角入射时（如图5），可将其振动方向分解成两个矢量，一个垂直于光轴，另一个平行于光轴。这样，平行于光轴部分与1叠加，垂直于光轴部分与2叠加，再将

8、叠加后两垂直方向上的振动叠加得7。分析可知，7与光传播方向与光轴的夹角有关，即7与e光在单晶体中的传播方向有关，由此说明e光在单晶体中沿各个方向传播速度不同。限于数学，无法给出光速与光传播方向与光轴夹角的具体关系，不过由实验得出，其波面为旋转椭球面（如图6）。图6如此，便定性地解决了上述两个问题。下面在二维平面内分析上面实验中的光路，如图7。图7图8若旋转晶片，分析光路如图8。如此，若晶片中光轴方向如图9所示，则o光e光同向，光屏上仅得一个光斑。图9参考