7.1　知识要点

1.双折射的基本概念

（1）寻常光与非寻常光

如图7－1所示，若一束光入射到各向异性介质中，晶体内部将产生两束折射光：其中一束遵守折射定律，称为寻常光（ordinary light，o光），o光在入射面内；另外一束不遵守折射定律，称为非寻常光（extraordinary light，e光），e光可以不在入射面内。如图7－2所示，o光和e光都是线偏振光。

图7－1 旋转晶体，o光保持一个点，e光则沿着圆

图7－2 o光和e光的偏振方向

（2）光轴

晶体中存在某些特殊方向，沿此方向传播的光线不发生双折射，此特殊方向即光轴。晶体可以分为单轴晶体和多轴晶体。

（3）主截面与主平面

光轴方向与o光线组成的平面称为o光主平面，o光光矢量的振动方向垂直于o光主平面。光轴方向与e光线组成的平面称为e光主平面，e光光矢量的振动方向在e光主平面内。o光主平面与e光主平面一般不重合，它们会有一个小的夹角。

光轴方向与晶体表面（晶体解理面）的法线组成的平面叫做晶体的主截面。当入射光线与主截面重合时，o光主平面与e光主平面重合。

（4）子波面

由于晶体的各向异性，晶体中存在两组子波面。

o光子波面：各方向的传播光速相等，满足是一个球面。

e光子波面：各方向的传播光速不相等，在光轴方向上满足在垂直光轴方向上满足（单轴晶体），是一个旋转椭球面。其中noe、no是晶体的主折射率。

2.起偏光器件

（1）利用二向色性制作的光器件

二向色性：某些晶体对于不同偏振方向的光有选择地吸收，当光电场分量垂直于光轴时，会产生强烈的吸收作用。电气石晶体具有二向色性。

利用二向色性可以制成微波线栅，当非偏振微波照射在金属线栅上时，Y方向可以导电，形成焦耳热并损失掉；X方向不导电，可以通过线栅。因此透过的微波是X方向偏振的微波。

（2）马吕斯定律与偏振片

马吕斯定律：强度为Io的线偏振光，透过偏振片后，透过光的E矢量为Eocosθ，透射光的强度（不考虑吸收）为I＝Io·cos2θ，其中θ为偏振片光轴与偏振光振动方向的夹角，如图7－3所示。

图7－3 马吕斯定律

当线偏振光透过偏振片时，将偏振片旋转360°，会出现两次光强极大值、两次消光。

（3）尼科耳棱镜

尼科耳棱镜是用得最为广泛的双折射偏振器件，它由两块方解石和加拿大树胶粘合而成，如图7－4所示。在树胶面上，o光可以进行全反射，其临界角为69°，而e光可以进行透射。

图7－4 尼科耳棱镜起偏示意图

（4）格兰－傅科棱镜、格兰－汤普森棱镜

将方解石磨成光轴平行棱边的直角三棱镜，再用加拿大树胶粘合制成格兰－傅科棱镜，通常中间夹空气薄层。光从端面垂直入射，o光在胶面上全反射，而e光能透过。

格兰－汤普森棱镜是把两块方解石棱镜用树胶粘合起来，且将界面角度作适当改变，其光路图如图7－5所示。它不能耐受很大功率，但是可以保持较高的消光比。

图7－5 格兰－汤普森透镜光路图

在格兰－傅科棱镜的空气界面有

在格兰－汤普森棱镜的树胶界面有且有

（5）渥拉斯顿棱镜

渥拉斯顿棱镜由两块方解石的直角三棱镜粘合而成，光轴的方向相互垂直，且第一块三棱镜的光轴与入射界面保持平行，一束光入射后会分成两束偏振光，如图7－6所示。

图7－6 渥拉斯顿棱镜光路图

对于前一半的e光和后一半的o光，它们会发生近法线折射；对于前一半的o光和后一半的e光，它们会发生远法线折射。

（6）波晶片

波晶片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面与晶体的光轴平行。当一束平行光正入射时，分解成的o光和e光的传播方向虽然不改变，但它们在波晶片内的速度不同，因此两种光在出射时会产生相位差。对于负晶体来说δ＝（n－n）·d，因此Y轴相对X轴的oe光程差Δ＝（no－ne）·d，相位差

3.补偿器

光程差可任意调节的波片称补偿器，补偿器常与起偏器结合使用，以检验光的偏振状态。

（1）巴比涅补偿器

巴比涅补偿器如图7－7所示，它由两块方解石晶体制成的光劈组成，两光劈的光轴彼此垂直。

平行分量相对于垂直分量的光程差Δ＝（no·d2＋ne·d1）－（no·d1＋ne·d2）＝（none）·（d2－d1），相位差

图7－7 巴比涅补偿器

当上劈横向移动时，d2－d1的变化导致δ变化。

（2）索累补偿器

索累补偿器如图7－8所示，可以在相当宽的区域内获得相等的相位差。

其相位差通过d的改变导致δ的变化。1

图7－8 索累补偿器

4.偏振光的检验与干涉、旋光现象

（1）偏振光的检验

如图7－9所示，一般检测偏振光有两步：第一步是单用偏振片，只能区分出3类偏振态；第二步是结合λ／4波片，再次区分。

图7－9 检验偏振光的步骤

（2）偏振光的干涉

在两片偏振片P1、P2之间插入一块厚度为d的波晶片，3个元件的平面彼此平行，光线正入射到此系统时，出射光的强度随着各元件的取向发生变化。产生相干的条件：相同频率，相差稳定，不正交。两正交的线偏振光不相干，光强I＝I1＋I2。如果两正交的线偏振光之间有固定的相位关系，可以通过使用一个偏振片提取同一方向的分量的方法，使其相干。

（3）偏振光的旋光

在单轴晶体中，光线沿光轴传播时不发生双折射现象，即o光和e光的传播方向和波速都一样，因此如果在这种晶体内垂直于光轴方向切割出一块平行平面镜片，并将它插在一对正交的偏振片P1和P2之间，光的振动面将以光的传播方向为轴旋转，这种现象称为旋光现象。