固体光学-晶体光学2.ppt
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1、晶体光学(二)晶体光学(二)第一部分:晶体的线性光学性质1、各向同性介质中光的传播、各向同性介质中光的传播2、各向异性介质中光的传播、各向异性介质中光的传播3、光学曲面、光学曲面一、各向同性介质中光的传播一、各向同性介质中光的传播1、线性光学性质定义:、线性光学性质定义:(1)介质在光电场)介质在光电场E作用下,引起的电极作用下,引起的电极化强度化强度P与电场强度成线性关系:与电场强度成线性关系:(2)两束以上的光波在介质中传播时,)两束以上的光波在介质中传播时,遵从独立传播原理,光波之间不会发生相遵从独立传播原理,光波之间不会发生相互作用或散射互作用或散射。2、光在各向同性介质中传播时的有关
2、物、光在各向同性介质中传播时的有关物理量和基本方程理量和基本方程(1)麦克斯韦方程组:)麦克斯韦方程组:(2)物质方程:)物质方程:对于各向同性的透明非磁性介质,对于各向同性的透明非磁性介质,j=0;与方向无关的标量,与方向无关的标量,=0,则麦克斯韦方程,则麦克斯韦方程组变为:组变为:由上式可得标准波动方程:由上式可得标准波动方程:上式的简单特解是单色平面波形式:上式的简单特解是单色平面波形式:光波波矢光波波矢 k的数值为:的数值为:(3)等相面:)等相面:在某一时刻在某一时刻 t,相同相位相同相位(wt-kr)的空间各点的空间各点 r 组成的面。等相面为平面的称为平面波;为球组成的面。等相
3、面为平面的称为平面波;为球面者称为球面波。面者称为球面波。等相面沿波矢方向传播的速度称为相速。等相面沿波矢方向传播的速度称为相速。对于非磁性介质有:对于非磁性介质有:在各向同性介质中,介电常数是标量,因此相速也是在各向同性介质中,介电常数是标量,因此相速也是各向同性的。各向同性的。(4)各向同性介质中光波各矢量关系)各向同性介质中光波各矢量关系KH(E)D(E)D,H,K形成右旋正交的三矢量系统。3、光的偏振状态:、光的偏振状态:(1)线偏振光(平面偏振光):)线偏振光(平面偏振光):D(E)和和K组成的平面(振动面)在光的传输过程中保持组成的平面(振动面)在光的传输过程中保持不变。不变。(2
4、)圆偏振光:)圆偏振光:在光的传输过程中,迎着在光的传输过程中,迎着K的方向看,的方向看,D(E)矢量在垂直矢量在垂直K的平面内旋转,但大小不变,矢量的端点在垂直波矢的平面内旋转,但大小不变,矢量的端点在垂直波矢方向的平面内投影为一个圆。方向的平面内投影为一个圆。(3)椭圆偏振光:)椭圆偏振光:D(E)电矢量的端点在垂直于波矢方向的平面内投影为椭电矢量的端点在垂直于波矢方向的平面内投影为椭圆。圆。4、能流密度(波印亭矢量)、能流密度(波印亭矢量)能流传输速度等于光波的相速(光的能流传播能流传输速度等于光波的相速(光的能流传播速度等于光波的相速是光在各向同性介质中传速度等于光波的相速是光在各向同
5、性介质中传播的一个性质)播的一个性质)另一个性质是光能量传播方向另一个性质是光能量传播方向与波矢方向相同与波矢方向相同作业:证明以上两个性质。作业:证明以上两个性质。二、各向异性介质中光的传播二、各向异性介质中光的传播1、菲涅尔椭球面、菲涅尔椭球面各向异性介质中物理量之间的关系:各向异性介质中物理量之间的关系:介电常数张量和磁导率张量都是对称张量,二阶对称介电常数张量和磁导率张量都是对称张量,二阶对称张量的性质可以通过它的示面性给以几何描述,这种张量的性质可以通过它的示面性给以几何描述,这种示面性称为菲涅尔椭球面。示面性称为菲涅尔椭球面。对于低级晶组的三斜、单斜和正交晶系,示面性是三轴椭对于低
6、级晶组的三斜、单斜和正交晶系,示面性是三轴椭球面,对于中级晶组的三方、四方和六方晶系,示面性为球面,对于中级晶组的三方、四方和六方晶系,示面性为旋转轴椭球面;对于高级晶组的正方晶系,示面性为球面。旋转轴椭球面;对于高级晶组的正方晶系,示面性为球面。其中:其中:上式为折射率椭球面。上式为折射率椭球面。2、各向异性非磁性介质光学性质、各向异性非磁性介质光学性质电矢量、磁场强度和波矢之间的关系电矢量、磁场强度和波矢之间的关系n是折射率,是折射率,K是波矢方向的单位矢量是波矢方向的单位矢量.矢量矢量K,E,D都处于垂直于都处于垂直于H的同一平面内,并有的同一平面内,并有D垂直于垂直于K。两个基本性质:
7、两个基本性质:(1)矢量)矢量D,H,K组成右手螺旋正交关系,光波的振动组成右手螺旋正交关系,光波的振动矢量是矢量是D而不是而不是E。(2)能流密度矢量:能流密度矢量:S=ExH,组成另一套右手螺旋正交组成另一套右手螺旋正交关系。关系。(3)矢量)矢量D,E,K,S,均位于与均位于与H垂直的同一平面内垂直的同一平面内。KHDES各向异性介质中光波的主要特点是能流密度传播方向与各向异性介质中光波的主要特点是能流密度传播方向与光波矢方向一般是分离的。即光波矢方向一般是分离的。即S不平行不平行K。3、双折射现象、双折射现象方解石晶体:光线从方解石晶体:光线从晶体某界面入射到晶晶体某界面入射到晶体内部
8、,该晶面的法体内部,该晶面的法线方向和光轴方向构线方向和光轴方向构成的平面称为主轴截成的平面称为主轴截面,若入射光线在主面,若入射光线在主轴截面内,则轴截面内,则O光的光的振动方向垂直主截面,振动方向垂直主截面,e光的振动方向平行于光的振动方向平行于主轴截面。主轴截面。e光O光C轴4、双折射现象数学描述双折射现象数学描述写成分量形式:写成分量形式:上述方程有非零解的条件是久期方程为零。上述方程有非零解的条件是久期方程为零。由由此此久久期期方方程程可可以以得得到到n2的的两两个个实实根根,从从而而的的 电电 场场 振振 动动 矢矢 量量 的的 两两 组组 比比 值值(E1:E2:E3)和和(E”
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