场致双折射现象及其应用

前面我们提到的方解石、石英等的双折射效应，这些全是自然双折射，但是某些光学介质在机械（或热）应力、磁场等作用下，将从各向同性变成各向异性，或者其固有的各向异性将发生改变。这种线性成为场致双折射或者人工双折射。场致双折射的特点是，在外场撤出后，双折射效应随之消失。

应力双折射

把光弹性模型放在偏光仪的光路中，使其受力，在白光或单色光的照射下，是可以观察到彩色或黑白图案，这就是光弹效应。

光弹性效应是模型材料的双折射性质和光波干涉所产生的结果。在光弹性里把条纹图称为应力光图。

应力光学定律

如果以P表示作用力的大小，no和ne分别表示材料对o光和e光的折射率，则有下式：

no-ne=KP

该式称为应力光学定律，式中的K为材料的应力光学常数。一般情况下，当介质受压力时，no-ne0；当介质受拉应力时，no-ne0。故规定K0，而压应力P0，拉应力P0。

光弹性效应给光学材料的加工带来很多不便。因为加工过程可能会给材料内部留下残余的机械应力。另外，在熔炼过程中，如果没有很好地使材料均匀退火，也会在材料内部留下残余应力，对于厚度d均匀的平板，在侧向应力作用下，可使透过的o光和e光产生相位差。

可见，当透明材料内部各处受力不均匀时，自各处透过的o光和e光的相位差不同。若将其置于正交或平行布置的两个偏振片之间，并用单色平面光垂直照射，则透射光场将显示出对应材料体内应力分布的偏光干涉图样。应力大的区域干涉条纹密集，应力小的区域干涉仪条纹稀疏。通过对干涉图样的测量和分析，即可确定出材料内部各处守外力作用的大小和方向。基于这一原理，形成了一门实验力学分支——光弹性力学，通过对某些透明材料的偏光干涉图样的分析，可以获得有关材料或结构件的应力分布及受力特征。此外，利用应力光学效应也可以制成一种偏光显微镜，可用于分析生物组织结构、光学材料结构及光学均匀性等。

电光效应

各向同性的、均匀的、线性的、稳定光学介质，在不受任何外电场作用时，其光学性质是稳定的。

现对该介质施加一个外电场，当加到介质上的外电场足够强、以致于强到足以和原子的内电场（≈3×V/cm）相比拟时，则在这种情况下，原子的内电场就会受到强烈的影响，原子的形状和能级结构等等就会发生一系列畸变；与之相应，介质的光学性质也会发生改变——即介质的折射率会发生改变，折射率的改变量与外加电场密切相关、并且是外电场的显函数。

实验研究的结果还表明：各向异性的光学晶体，在足够强的外电场作用下，其光学各向异性性质会进一步加剧。

介质在足够强的外电场作用下，其光学性质发生改变（即折射率发生变化）的这一现象，叫做电致感应双折射，或者称为电光效应。

晶体二次电光效应的理论描述

实验证明，自然界有许多光学各向同性的固体、液体和气体在强电场(电场方向与光传播方向垂直)作用下会变成各向异性，而且电场引起的双折射和电场强度的平方成正比，这就是众所周知的克尔效应，或称为二次电光效应。克尔效应可以存在于所有电介质中，某些极性液体(如硝基苯)和铁电晶体的克尔效应很大。

所有晶体都具有二次电光效应。但是在没有对称中心的20类晶体中，它们的线性电光效应远较二次电光效应显著，所以对于这类晶体的二次电光效应一般不予考虑。在具有对称中心的晶体中，它们最低阶的电光效应就是二次电光效应，但我们感兴趣的只是属于立方晶系的那些晶体的二次电光效应。因为这些晶体在未加电场时，在光学上是各向同性的，这一点在应用上很重要。

声光衍射

众所周知,超声波是一种弹性机械波,当它通过介质时,介质中各点就会出现随时间和空间呈周期性变化的弹性应变。进而导致了介质中随时间和空间呈周期性变化的弹光效应的产生，结果使得介质中各点的折射率也会产生相应的周期性变化。

当光通过有超声波作用的介质时，相位就要受到调制，其结果如同它通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光束通过这个光栅时就要产生衍射,这就是通常观察到的声光效应。由此可见，声光效应实质上是一种特殊的弹光效应。

按照超声波频率的高低和介质中声光相互作用长度的不同，由声光效应产生的衍射有两种常用的极端情况：喇曼——乃斯(Raman-Nath)衍射和布拉格衍射。

1　喇曼——乃斯衍射

在零级透射光两边，同级衍射光强相等，这种各级衍射光强的对称分布是喇曼—乃斯型衍射的主要特征之一。相应各级衍射光的频率为ω+mΩ，即衍射光相对入射光有一个多普勒频移。

喇曼—乃斯声光衍射

2.布拉格衍射

在实际应用的声光器件中，经常采用布拉格衍射方式工作。布拉格衍射是在超声波频率较高，声光作用区较长，光线与超声波波面有一定角度斜入射时发生的。这种衍射工作方式的显著特点是衍射光强分布不对称，而且只有零级和+1或-1级衍射光，如果恰当地选择参量，并且超声功率足够强，可以使入射光的能量几乎全部转移到零级或1级衍射极值方向上。因此，利用这种衍射方式制作的声光器件，工作效率很高。

布拉格声光衍射

旋光效应

年,阿喇果(Arago)在研究石英晶体的双折射特性时发现：一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播时，其振动平面会相对原方向转过一个角度，如图5-18所示。由于石英晶体是单轴晶体，光沿着光轴方向传播不会发生双折射，因而阿喇果发现的现象应属另外一种新现象，这就是旋光现象。稍后，比奥(Biot)在一些蒸汽和液态物质中也观察到了同样的旋光现象。

旋光现象

实验还发现，不同旋光介质光振动矢量的旋转方向可能不同，并因此将旋光介质分为左旋和右旋。当对着光线观察时，使光振动矢量顺时针旋转的介质叫右旋光介质，逆时针旋转的介质叫左旋光介质。自然界存在的石英晶体既有右旋的，也有左旋的，它们的旋光本领在数值上相等，但方向相反。之所以有这种左、右旋之分，是由于其结构不同造成的，右旋石英与左旋石英的分子组成相同，都是SiO2，但分子的排列结构是镜像对称的，反映在晶体外形上即是如下图所示的镜像对称。

右旋石英与左旋石英

旋光现象的理论解释——菲涅耳假设

年，菲涅耳对旋光现象提出了一种唯象的解释。按照他的假设，可以把进入旋光介质的线偏振光看作是右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的组合。

菲涅耳认为：在各向同性介质中，线偏振光的右、左旋圆偏振光分量的传播速度vR和vL相等，因而其相应的折射率nR=c/vR和nL=c/vL相等；在旋光介质中，右、左旋圆偏振光的传播速度不同，其相应的折射率也不相等。

在右旋晶体中，右旋圆偏振光的传播速度较快，vRvL(或者nRnL)；在左旋晶体中，左旋圆偏振光的传播速度较快，vLvR(或者nLnR)。根据这一种假设，可以解释旋光现象。

磁光效应——法拉第(Faraday)效应

上述旋光现象是旋光介质固有的性质，因此可以叫作自然圆双折射。与感应双折射类似，也可以通过人工的方法产生旋光现象。介质在强磁场作用下产生旋光现象的效应叫磁致旋光效应，或者简称为磁光效应。磁光效应，又叫做法拉第效应，它是由法拉第于年首先发现的。

年，法拉第发现，在磁场的作用下，本来不具有旋光性的介质也产生了旋光性，能够使线偏振光的振动面发生旋转，这就是法拉第效应。观察法拉第效应的装置结构如图5-22所示：将一根玻璃棒的两端抛光，放进螺线管的磁场中，再加上起偏器P1和检偏器P2,让光束通过起偏器后顺着磁场方向通过玻璃棒，光矢量的方向就会旋转，旋转的角度可以用检偏器测量。

法拉第效应

实验表明，法拉第效应的旋光方向决定于外加磁场方向，与光的传播方向无关，即法拉第效应具有不可逆性，这与具有可逆性的自然旋光效应不同。例如，线偏振光通过天然右旋介质时，迎着光看去，振动面总是向右旋转，所以，当从天然右旋介质出来的透射光沿原路返回时，振动面将回到初始位置。但线偏振光通过磁光介质时，如果沿磁场方向传播，迎着光线看，振动面向右旋转角度θ，而当光束沿反方向传播时，振动面仍沿原方向旋转，即迎着光线看振动面向左旋转角度θ，所以光束沿原路返回，一来一去两次通过磁光介质，振动面与初始位置相比，转过了角度2θ。

（以上资料来源于网络）

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