晶体光学性质的观测分析(预习).docx

晶体光学性质的观测分析（预习报告）一、 实验目的熟悉单期自晶光学性质，晶体的消光现象，干涉色级序了解偏光显微镜原理及掌握其使用方法观察晶体的类别、軸向和光性正负等过程，估计晶片光程差二、 实验原理折射率与光的传播方向和光矢振动方向有关的晶体称为各向异性晶体除立方晶系的 品体外，所有的晶体都是各向界性品体如:方解石、水晶、KDP、LiNbO3, BaTiO3等都是各向 异性晶体当光通过各向异性晶体时，会产生双折射现象，并表现出偏振性质当光沿各向异性晶 体传播吋，总存在一个或I田i个方向不发生双折射现彖，此方向称为晶体的光轴，按晶体的光 轴分，各向异性品体又可分为単轴晶和双軸晶，单轴晶只有一个光轴，如:四方品系、六方晶系、 三方晶系的晶体;而双軸晶则有西个光抽，女口:正交品系、単斜品系、三斜品系的品体其中, 折射率不随入射光方向而变的称为寻常光或光（折射率为no），折射率随入射光方向而变的 称为非寻常光或e光（折射率为ne）o o光和e光都是偏振光，并且它们的振动方向互相垂直光波各矢量间关系较复杂，因此需要用一些图形来直观地表示出晶体中光波各矢量间 的方向关系，及各传插方向相对应的光速或折射率在空间的取值分布，这些几何图形称为晶 体光学示性曲面。

•折射率椭球（或光率体）就是描述晶体最常用的品体光学示性曲面，它是 以主折射率为主值的椭球镜间不放任何介质或放入各相同晶体时，光线无法通过正交偏光镜，所以视域是黑暗的；当, 在正交偏光镜I可放人各相异晶体后，由于晶体双折射效应和晶片厚度、晶抽取向的不同而 产生不同的干涉现象如图4亠4所示:在正交偏光镜之间加入一晶片，其中PP表示起偏镜（下 偏光镜）的振动方向,AA表示检偏镜（上偏光镜）的振动方向,00表示晶片光轴方向（00平行于 晶片,垂直于透光方向）如透过起偏镜的偏振光振幅为Aoe,光线到达厚度为d的晶片后， 分解成振幅分别为Ae和Ao的e光和o光,e光和o光的振动方向分别平行和垂直00方 向,00与PP的夹角为a,则e光和o光的振幅分别Ae=Aoe cos a , Ao= Aoe sin a o再经检 偏镜（上偏光镜）后,Ae和Ao在检偏镜AA方向的投影由于各frl异晶体e光和o光的折射 率不同，其差值为△ n= （ne -n0）,所以当它们透过厚度为d的晶片后,必产生光程差△ =d（ne-n0）或位相差a=27,d（ne-no ）/入由此可见:当一束波长为入的光渡经正交偏光镜和晶片后 国变为大小相等而振动方向相反，频率相同，位相差恒定的两朿光（e光和o光），它们満足 相干条件,如相遇必产生干涉。

根据平面波迭加原理，其合成光波振幅：P图4・1-4正交使光傥何的干涉现線A\ = Ah + Ah - 24r|4oicos^ = Al.sin22asin2[ — — (4-1-5)其合成光强：A isinPasiidd（叫一叽）在锥光干涉中，光锥中有一系列的光通过晶片，而每一条光在晶片中都有两个互相垂直 的振动方向，其折射率分别为no和ne由图4-1-8可知,愈到视域边缘，光线方向对光抽倾 斜得愈厉害，双折射率就愈大，与每一条光相对应的光率体切面之形状也就愈加长而扁包 含在PP咸AA）面内的光与光軸组成的血是PP（或AA）面，即主截虬•非常光是在PP（或AA）面内 振动，而常光则在垂直PP（或AA）面内振动但由于來自下偏光镜的光都是在PP面內振动的 线偏光，所以包含在PP面内的光会全部从非常光的振动面内通过，而包含在AA面内的光 则会全部从常光的振动而内通过，因此通过PP和AA面内的光在通过晶片后，其偏振方向 不会发生改变，都平行于下偏光镜的偏振方向，与上偏光镜的偏振方向垂直，无法通过上偏 光镜，因而在视域中平行PP和AA方向就产生一个黑十字消光彫严格讲起来，只有位于 PP和AA面内的光才是绝对消光,而光锥中位于PP和AA面附近的光〃它们都会有极小一部 分通过上偏光镜而互相干涉，但由于人的眼睛对特别微弱的光感觉不到，所以此时用人限观 察仍然是暗的，就好象元光通过一样，所以十字消光影是两条有一定宽度的黑臂。

对于双 折射率较低的晶体，要产生相同的光程差需要通过更长的距离（即离PP和AA面更远），因此 消光影相应地要粗些哦动裁物台，消光彫的位置不发生变动，这是因为不论载物台怎样转动, 光锥中总是有部分光位于PP和AA面内或其附近，因此消光影总是存在的，并且消光影始终 与下偏光镜和上偏光镜的振动面平行在单色光中产生的光抽干涉图除了黑十字消光影外，还有互相交替的亮坏与暗环这主 要是因为当不包含在PP或AA面内的光上升到晶片上时，原来平行PP方向的振动在晶片 中要分解为两互相垂直的振动，由图4-1 -8可知,非常光总是在入射光线与光轴组成的主截 面内振动，而常光则在与之垂直的面内振动当入射光与光轴斜交愈大时，一方面光在品片 中走过的距离愈长，另一方面双折射率愈大，所以从光锥的轴愈向外去，光程差就愈大因 为館光是由无数光率推套在一起组成，它们共有一个锥轴，因此与光轴成某一角度的光线组 成一个光館，而同一光锥内的每一条光线均与光抽成相同的角度，通过晶片后产生相同的光 程差A如果入，即光程差为波长的整数倍，就会出现干涉相消，在视域观察到一个暗坏; 如果A = （n+1/2）入，光程差是光波长的奇数倍，就会出现干涉相长，在视域观察到一个亮坏。

仔 细观察会发现在同一亮坏上亮度是不均匀的，这是由于在同一那上光的振动方向是变化的， 如图4_1_8所示愈靠近消光影处，与PP（或AA）夹角愈小,因此亮度愈暗，而在每一象限的45 位置，亮坏的亮度最大S）立休图 （h）Mlft图图4・1・8单轴乩体垂光轴切片锥光于涉图三、实验仪器透射偏光显微种类很多，但基本原理都大同小异，图4-1-16为本实验所用的xP- 201型 透射偏光显微镜的构造图透射偏光显微镜主要结构包括：1. 光源：卤素灯12V/20W亮度可调节2. 起偏镜（下偏光镜）:用于产生偏振光，可转动调节方向3. 聚光镜：位于物台下面，有一组透镜组成，可以把来自下偏光镜的平行光聚敛成锥形 偏光，.聚光镜连有手柄，可根据需要旋入或旋岀光路4. 旋转载物台:用于放置观察样品，可360度旋转5. 物镜:有四个放大倍数分别为4x, 10x, 40x, 60x的物镜，物镜的前镜片与样品Z间的距离 称为工作距离，物镜的工作距离随着放大倍数的增加而減小，所以用高倍物镜时要特别小心, 应先将物镜调至最低，然后逐步升高XI焦6. 补偿器插口 :补僕器插口用于插人各种补偿器，通常仪器带有;入，入及石英模子（I _ lv 级）等补偿器。

7 .检偏镜（上偏光镜）:摆动式，可移出光路，进行单偏光观察8. 勃氏镜:位于目镜与上偏光镜之间,为一小凸透镜，与目镜联合组成一望远镜，勃氏镜可 左右移动，分别移人、移出光路9. 目镜:目镜川装有「I -字丝和刻度尺图4-1-16 XP-201型透射偏光显微镜四、实验内容实验给出画组样品：第一组样品的每个晶片都标明了晶体材料及其切割面与光轴的大 致关系（垂直切、平行切、斜切），对第一组样品的观测可使同学们对晶体的相关光学性质 有一些基本了解和认识；第二组样品都是未知晶片，可供同学作进一步实际练习和晶体鉴定 之用1•仔细阅读说明书，了解偏光显微镜的结构及使用方法2. 校正仪器中心,即调节物镜光轴与物台中心重合选用低倍物镜，在玻璃片上选一小黑 点,并将小黑点转至十字丝中心，转动载物台，如物镜光抽与載物台中心不重合，小黑点会绕一 圆心转动，此圆心即为载物台中心，调节物镜川心调节螺丝，使物镜中心移至载物台中心，反 复重复调节直至小黑点不再转动为止3. 使偏光镜正交，并使目镜十字丝与上下偏光镜偏振方向平行；在正交偏光镜条件下， 将不同的晶片放在裁物台中心，缓缓转动载物台一周，在H镜中仔细观察，准确、完整、简 练地描述和记录你所观察到的原始实验现象。

深刻理解什么是全消光，什么是四次消光；并判 断给出、的儿种未知样品是各相同性还是各相异性；对已检出的各向异性晶片（平行轴1七 理片），用一级红插片判别其慢光方向，并估计其光程差，说明判别依据4•交偏光镜条件下，晶片放在载物台中心，缓缓转动载物台，找到光和e光与上下偏 光镜成45角的位置，然后在试片孔中缓缓插入石英楔子（慢軸f向己标出），记录视域中出 现的干涉色（不可遗漏,不可颠倒顺序•）,査间表，根据其色序升降确定样品的慢光振动方向 同理可对斜切和平行切片进行上述操作，有余力的同学还可以对垂直切片进行观测，看看能 得岀什么结果5. 锥光干涉观测:光路中加入锥光镜和勃氏镜，仔细观察晶片的t推光干涉图，然后转动载 物台，观察图形的变化对各种样品都进行观察和记录，找出这些于涉图的相同点和不同 点有余力的同学，可以换用高倍物镜重复上述操作，但必须重新校正物镜中心6. 鉴定光性正负:依据实验原理所提供的方法，确定所有垂直切片的光性正负然后开动 脑筋,想办法鉴定斜切样品的光性正负7•利用观察埃利旋转向的方法，判断方、圆两片石英的旋光性质8.选做内容:有时间、有兴趣的同学，还可以从第二组晶片中选择一些未知样品，观测其光 学性质，并总结出快速鉴定样品光学性质的最住操作步骤。

如果条件允许的话，可以观察一 下双轴晶体。