光双折射效应讲解与应用

光的双折射效应讲解和应用
图5.1.1 一束非偏振光 透射到方解石晶体上变成两束光
光的双折射效应讲解和应用
图5.1.2 各向 同性 晶体 和各 向异 性晶 体
可用三种折射率指数n1、n2和n3来描述光在各向异性晶体内的传输，分
别表示互相垂直的三个轴x、y和z方向上的折射率。这种晶体具有两个光学
轴，所以也称为双轴晶体。 当n1 = n2时，晶体只有一个光轴，称这种晶体为单轴晶体。
E
寻常光
光轴(在该页 纸平面内)
• 方解石是一种负单轴晶体，沿一定的晶体平面把 晶体切成菱面体，晶面是一个平行四边形（相邻 两角的角度是78.08o和101.92o），包含光轴并与 一对晶体表面垂直的方解石菱晶平面叫主截面。
• 当非偏振光或自然光以法线射入方解石晶体时， 于是也与主截面成法线，而于光轴成一定的角度。 入射光分成相互正交的寻常光和非寻常光两束光， 在主截面平面内也包含入射光。寻常光具有垂直 于光轴的场振荡，它遵守斯奈耳定律，即光进入 晶体不偏转，于是E场振荡的方向必须从该页纸 出来或进去（用黑点表示），是寻常光。
• 利用双折射可制成偏振分束器（PBS）。
光的双折射效应讲解和应用
图5.1.3 非极化光进入各向异性晶体方解石后 将发生双折射，产生相互正交偏振的寻常光(o)
和非寻常光(e)，以不同的速度传播
光的双折射效应讲解和应用
方解石 晶体的双折射
101.92o 主截面 非寻常光
入射光
E//
e
来自百度文库
78.08o
o
向有关。因为折射率 n r ，介电质常数 r 与
电子极化有关，电子极化又与晶体方向有关，所 以晶体的折射率与传输光的电场方向有关。 • 大部分非晶体材料，例如玻璃和所有的立方晶体 是光学各向同性材料，即在每个方向具有相同的 折射率。 • 所有其他晶体，如方解石（CaCO3）、鈮酸锂 （LiNbO3）和液晶（LCD），它们的折射率都与 传输方向和偏振态有关，这种材料叫做各向异性 材料，如图5.1.2所示。
光的双折射效应讲解和应用
5.1.2 光的双折射效应
• 任何非偏振光线进入各向异性晶体后，将折射分 成两束正交的线性偏振光，以不同的偏振态和相 速度经历不同的折射率传输，如图5.1.3所示，这 种现象称为双折射；
• 在单轴晶体中，两个正交的偏振光称为寻常光（o） 和非寻常光（e）。寻常光在所有的方向具有相同 的相速度，它的表现就像普通的电磁波，电场垂 直于相速度传输的方向。非寻常光的相速度与传 输方向和它的偏振态有关，而且电场也不垂直于 相速度传输的方向。
但是，正交偏振模的简并特性，只适用理想圆柱形纤芯的光纤。实际上，光 纤的纤芯形状沿长度难免出现变化，光纤也可能受非均匀应力而使圆柱对称性 受到破坏，两个模式的传播常数 x y ，所以光纤波导也是一种各向异性介质 波导，也存在双折射，使光纤正交偏振简并的特性受到破坏。 越大，拍长 LB 越短，即双折射现象越严重。
图5.1.4 入射光与光轴方向不同出现两种不 同的情况
光的双折射效应讲解和应用
e光和o光 的波前
非偏振光 光轴
（a）入射光与光轴平行，不发生双折射， 也没有速度差
o光 的波前
非偏振光
e光 的波前
o光 的波前
非偏振光
e光 的波前
光轴
（b）入射光与光轴垂直，不发生双折射， 但又速度差
非偏振光
光轴
（c）入射光与光轴成一定角度， 发生双折射，并有速度差
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5.1.3 双折射的几种特例
no x
慢轴 z 光轴
ne
E// 非偏振 入射光 E
Ee z
Eo
no y ne no
光轴
E//
非偏振 入射光
E
Ee
y
Eo
no x 快轴 ne< no
（a）入射光与光轴平行，不发生双折射，也没有速度差 （b）入射光与光轴垂直，不发生双折射，但有速度差
关于光纤双折射效应和偏振特性的进一步介绍见 2.5.3 节。
光的双折射效应讲解和应用
5.2 双折射器件——偏振器件
• 在5.1节中，已介绍了光的双折射现象，即 一束非偏振光入射到各向异性晶体上时变 成两束偏振光——寻常光（o）和非寻常光 （e）。
光的双折射效应讲 解和应用
光的双折射效应讲解和应用
当光从空气进入水或玻璃时，就产生折射。 但是，当光进入某些晶体时，折射光线不只一条， 而是两条。这种现象称为双折射。
下面介绍光的双折射效应及其偏振器件，以 及利用该效应制成的液晶显示器件。
• 5.1 光的双折射效应 • 5.2 双折射器件——偏振器件 • 5.3 液晶显示器件——双折射和偏振的应用
光的双折射效应讲解和应用
5.1 光的双折射效应
• 5.1.1 各向同性材料和各向异性材料 • 5.1.2 光的双折射效应 • 5.1.3 双折射的几种特例 • 5.1.4 晶体的双色性 • 5.1.5 光纤双折射效应
光的双折射效应讲解和应用
5.1.1 各向同性材料和各向异性材料
• 晶体的一个重要特征是它的许多特性与晶体的方
光轴 e光 o光
（ d） 同 图 5.1.5（ c） ， 但 偏 振 态 和 出射光线都表现出来了
图5.1.5 非偏振光与光轴的关系不同，投射到 方解石晶片上产生不同的现象
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5.1.4 晶体的双色性
• 一些各向异性晶体除折射率与方向有关外，也表 现出双色性。
• 所谓双色性，就是材料对光的吸收取决于光波传 输的方向和偏振态。双色晶体是一种光学异性晶 体，这种晶体对非寻常光或寻常光具有强烈地吸 收（衰减）效应。也就是说，进入双色晶体的任 意偏振光波只有限定的偏振态出现在晶体输出端， 因为与此正交的偏振光可能被衰减了。
• 通常，双色性取决于光的波长，例如铝硼矽酸盐 晶体对寻常光的吸收比对非寻常光的吸收更强。
光的双折射效应讲解和应用
5.1.5 光纤双折射效应
当纤芯和包层折射率差远远小于 1 时，场的（z）轴向电场分量 Ez 和磁场分 量 Hz 很小，因此，弱导光纤中 HE11 模近似为线偏振模，并记为 LP01，它有两 个沿 x 方向和 y 方向的偏振模，具有相同的传输常数（ x y ）和截止频率 V （V 2.405），因此 LP01 模包括两个正交的线偏振模 LP0x1 和 LP0y1 ，在理想光纤的 情况下，它们相互简并在一起。