论文总字数：10322字

摘 要

一束单色光入射到各向异性晶体的表面后，折射光变成两束，该现象称作晶体的双折射。两束折射光具有不同的特性，因而利用双折射，可以实现线偏振光的获取、光束偏振态的改变等目的。本文从电磁理论出发，探究双折射产生的原因，进而介绍各向异性晶体的典型特性以及两束折射光的异同。结合折射光的特点，列举双折射现象的典型应用，包括制作尼科耳棱镜，格兰棱镜等偏振器件、构建光电开关以及利用双折射进行相关测量等。

关键词：双折射，各向异性晶体，电磁理论，偏振

Abstract：After a beam of monochromatic light incidents to the surface of anisotropy of crystal, the refraction of light breaks into two beams. The phenomenon is known as crystal birefringence. Because two beams of light have different characteristics, the use of double refraction can realize the purposes of acquisition, linearly polarized light beam polarization changed etc.. This paper, on the basis of electromagnetic theory, are explored the reasons of how double refraction generated, then are introduced the typical characteristics of anisotropic crystals and the similarities and differences between the two refracted light. According to the characteristics of the refracted light, typical application examples of double refraction phenomenon, including the production of Nicol prism, Glan prism, polarization device, construct the photoelectric switch, using birefringence measurement etc. are illustrated here

.Keyword: birefringence，anisotropic crystal，electromagnetic theory，polarization

目 录

1 引言 4

2 双折射的电磁理论 4

2.1 晶体的各向异性及介电张量 4

2.2 光波在晶体中的传播 5

2.3 本章小结 8

3 双折射的特性 8

3.1 晶体光轴 8

3.2 主平面和主截面 8

3.3 o光与e光的关系 9

3.4 波片 10

3.5 本章小结 10

4 晶体双折射的应用 11

4.1 偏振棱镜 11

4.2 1×N光电开关 12

4.3 晶体双折射测量 13

4.4 光隔离器 14

4.5 本章小结 14

结论 16

参考文献 17

致谢 18

1 引言

晶体是物质的一种特殊的凝聚态，一般呈现固态，其外形具有一定的规则性，内部原子（离子、分子）排列呈现空间周期性，晶体微观结构上的周期性或对称性导致晶体在物性上的各向异性，例如：晶体的热传导、导电、电极化和磁化的各向异性以及光在晶体中传播速度的各向异性。在整体结构上保持空间有序结构的晶体称为单晶体。由大量单晶体或晶粒无规则排列组成的晶体称为多晶体，晶体中只有立方晶系是各向同性的。

晶体的双折射是一种非常重要的物理现象。当一束光由空气射到各向异性的晶体（例如方解石）表面时，在晶体中将产生两束折射光^[1]。方解石晶体是一种各向异性晶体，若透过方解石晶体从上往下观察书本上的字时，我们会发现，书本上的每一个字都变成了相互错开的两个字。这是因为光线透过晶体时发生了双折射，一束非偏振光被分解为了两束偏振光。其中，总有一束光遵循折射定律，即无论入射光束的方向如何，这束光总在入射面内，这束折射光称为寻常光(o光)，另一束折射光一般不遵守折射定律，称为非常光(e光)^[2]。如同光的干涉衍射现象一样，光的双折射在现代科技中，特别是激光技术，光信息处理，光通信等领域有着重要的应用。因此，本文将就此现象做出系统阐述，并拓展其在相关领域中的应用。

本文的主要内容安排如下：

第二章以电磁理论为基础，介绍双折射现象，第三章阐述双折射产生的一些特性，第四章介绍双折射在相关领域的一系列应用。

2 双折射的电磁理论

本章将从麦克斯韦的电磁理论基础出发介绍晶体的各向异性，并以单轴各向异性的晶体为例，分析光波作为一种电磁波，在晶体中的传播过程。

2.1 晶体的各向异性及介电张量

2.1.1 晶体的各向异性

晶体发生双折射的现象，说明晶体在光学性质上显示出各向异性，即它对不同方向光的振动表现出不同的性质。在晶体中，振动方向相互垂直的两束线偏振光，有着不同的传播速度和折射率，因而发生双折射。

从电磁理论观点来看，晶体这种特殊的光学性质是因为光波电磁场与晶体之间的相互作用。晶体在性质上的各向异性，实质上表示晶体与入射光电磁场之间相互作用的各向异性。物质在外界的电磁场作用下将发生极化，如果物质结构本身呈现出各向异性，物质的极化也将是各向异性的^[3]。

许多非晶体物质，其分子或原子也具有不对称的方向性，但是由于它们在物质中的无规则运动和排列，整体上仍呈现出宏观上的各向同性。只有在外界一定方向力（电磁力或应力等）的作用下，它们的取向有可能出现一定的规则性，从而表现出各向异性。这就是晶体的各向异性。

2.1.2 晶体的介电张量

麦克斯韦电磁场理论中，用介电常数ε来表示物质极化的状况。对各向同性物质，ε是一个标量常数，并且由于电感强度D和电场强度E的关系

（2-1）

所以D和E的两个矢量方向一致。但在各向异性的晶体中，极化是各向异性的，因而ε的取值也和方向相关，这样必定会导致电感强度D和电场强度E有复杂的关系。这时，D在任意直角坐标系x’y’z’中的各个分量都与E的分量有关：

（2-2）

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