双折射

双折射现象的电磁理论分析

晶体的双折射现象,是晶体在光学上的各向异性。晶体对不同方向上的光振动表现出不同性质。本文从双折射的基本规律,基本理论说起,接着介绍晶体中的单色平面电磁波的性质,最后从双折射和线偏振的比较,说明各向异性晶体为什么会产生双折射，双折射的光为什么都是线偏振光。

双折射现象的电磁理论分析

摘 要：晶体的双折射现象，是晶体在光学上的各向异性。晶体对不同方向上的光振动表现出不同性质。本文从双折射的基本规律，基本理论说起，接着介绍晶体中的单色平面电磁波的性质，最后从双折射和线偏振的比较，说明各向异性晶体为什么会产生双折射，双折射的光为什么都是线偏振光。

关键词：电磁理论；各向异性晶体；双折射；线偏振 1引 言

各向异性晶体(如冰洲石、云母等)的基本光学现象是双折射和线偏振，即一束入射光线一般会在各向异性晶体内产生两束折射光线，而且这两束折射光线都是线偏振光。光是电磁波，用电磁理论能够说明为什么会出现上述现象【1-3】，本文就试图用电磁理论分析上述两种现象。

2.光的双折射 2.1 双折射现象

取一块冰洲石（方解石的一种，化学成分是碳酸钙 ），放在一张有字的纸上，我们将会看到有双重的像。平常我们把一块玻璃放在一张带字的纸上只能看到一个像。从冰洲石上看但得像要比实际的物体浮起了一点，这是因为光的折射引起的，折射率越大浮起的高度越大。我们可以看到，在冰洲石内的两个像浮起的高度是不同的，这表明，光在这种晶体内成了两束，他们的折射率不同。这种现象叫做双折射

【4】

。

2.2 双折射的基本规律 2.2.1 o光和e光

如图2所示，让平行的自然光束正入射在冰洲石晶体的一个表面上，我们就会发现光束分解为两束。按照光的折射定律，正入射时光线不应该偏折。而上述的两束光的一束在晶体内沿原方向传播，另一束却偏离了原来的方向，后者显然是违反了普通的折射定律。进一步对各种入射方向进行研究，结果表明，晶体内的两条折射线中的一条总是符合普通的折射定律，另一条却总是违反它。所以晶体内的前一条叫

寻常光（简称o光），后一条折射线叫非常光（简称e光）【5】。应当注意，这里所谓的o光和e光，只在双折射晶体的内部才有意义，射出晶体以后，就无所谓了o光和e光。

( 图2. o光和e光及其偏振状态的演示)

2.2.2 晶体的光轴

在冰洲石中存在着一特殊的方向，光线沿这个方向传播时o光和e光不分开，这个特殊的方向称为晶体的光轴为了说明光轴的方向我们稍详细的研究一下冰洲石的晶体。冰洲石是天然的晶体，如图3所示，它呈平行六面体状，每个表面都是平行四边形，它的一对锐角约为780，一对钝角约为1020。大家可以看出每三个表面汇合成一个顶点，在八个顶点中有彼此对着的两个顶点是由三个钝角面汇合而成的。通过这样的顶点并与三个界面成等角的直线方向，就是冰洲石晶体的光轴方向【6】。晶体中任何与上述直线平行的直线，都是光轴。光轴代表晶体中的一个特定方向。

2.2.3 主截面

光线沿某晶体的界面入射，此界面的法线与晶体的光轴组成平面，成为主截面。当入射线在主截面内，即入射面与主截面重合时，两折射线皆在入射面内。否则，非常光可能不在入射面内【7】。 2.3 晶体的各向异性

晶体的双折射现象，是晶体在光学上的各向异性，晶体对不同方向上的光振动表现出不同性质。从光的电磁理论观点来看，晶体的这种性质是光波电磁场与晶体相互作用的结果。晶体在光学上的各向异性，实质上是晶体与入射光电磁场相互作用的各向异性【8-9】。物质在外界电磁场作用下将发生极化，如物质结构本身呈现各向异性，则物质的极化也是各向异性的，总之，对于不同的外场方向，晶体中产生的附加电偶极矩是不同的，即极化与外场方向有关。 3理论基础 3.1 麦克斯韦方程组

光波是电磁波的一种．光波在物质中的传播过程可用麦克斯韦方程组和物质方程来描述。与自由电荷密度

，自由电流密度j都无关，