晶体光学详细资料大全

Question

如题所述

Answer 1

晶体光学是研究光在单晶体中传播及其伴生现象的学科。在这门学科中，光在立方晶体中的传播是各向同性的，而在其他六个晶系的晶体中，光的传播特点是各向异性。这一特性使得晶体光学在许多领域中具有重要应用，如晶体定向、矿物鉴定、晶体结构研究以及非线性效应和光散射的探究。晶体光学元件，如起偏棱镜和补偿器，也广泛应用于光学仪器和实验中。
基本概念包括光波相和光线、双折射现象、单轴晶体和双轴晶体、折射率椭球以及光线面等。在这些概念中，光的传播速度和偏振状态是核心议题。例如，单色平面光波的相速度在垂直于电位移D和磁场强度H的方向上，而光波的能量传播方向垂直于H和电场强度E。这些特性通过麦克斯韦方程组和物质方程联立求解得到。
在晶体光学中，介电常数是一个二阶张量，D和E一般不平行，导致相速度v和光线速度v_r的方向一般也不一致，它们之间的夹角α称为离散角。相应地，相速度和光线速度的关系为v = v_r*cosα。
双折射现象是指当一平面光波从真空或从一媒质射入各向异性光学媒质时，一般会产生两个折射平面波，分别以相速度v'和v"传播。这一现象与各向同性光学媒质不同。
晶体光学还涉及到光轴与光线轴的概念。在非旋光性单轴或双轴晶体中，给定一个波矢方向k，只允许D振动平行于两个特定方向D_1和D_2的单色平面波传播。这些特定方向是互相正交的单位矢量，并且都是k的函数。这就是晶体对光波传播的起偏作用。
折射率椭球是晶体光学几何表示法中最常采用的三维曲面，它描述了在单色平面波传播的情况下，偏振方向和速度的关系。对于立方晶体，折射率椭球退化为圆球，光的传播是各向同性的。而对于单轴晶体，折射率椭球退化为旋转椭球，光轴为旋转轴。对于双轴晶体，折射率椭球的对称轴也是晶体的三个主轴，它们与晶轴间的相对关系称为折射率椭球在晶体中的光性方位。
光线面，又称光波面，对于各向异性光学媒质，它是一个四次双叶曲面。当光线沿某一方向传播时，由光线面上平行于该方向的两个矢径的长度乘以真空光速，即得到该方向的两个光线速度。当给定光线速度时，通过光线面上相应矢径的端点作光线面的法线，它就是与该光线对应的波矢方向。
旋光晶体是指具有旋光性的晶体。在旋光性单轴或双轴晶体中，任意给定一个不沿着光轴的波矢方向，只有两个确定的椭圆偏振光波通过晶体时偏振态不发生改变。两椭圆的长短轴之比相同，但D旋转的方向相反，且两椭圆的长轴分别在由折射率椭球所确定的两个D的振动方向。由于椭圆长短轴相差悬殊，实际上非常接近平面偏振光。