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1、2019/11/26,.,1,本节授课内容,线偏器的定义、质量指标 质量指标包括：偏振度、偏振透过率、消光比、光谱范围、色散和稳定度等。 各种起偏器 常见起偏器包括：基于布儒斯特角入射的反射和折射式起偏器、基于天然双折射的晶体起偏器和基于人工双折射的人造偏振片等。 线偏振光的检验 检偏器：基于马吕斯定律的单片检偏器和半影式检偏器。,2019/11/26,.,2,1.线偏器的定义,只让具有一定振动方向的光波通过的光学元件称为“线偏器”。这个振动方向称为该元件的主方向或透射方向。 把自然光变为振动方向平行于主方向线偏光的线偏器称为“起偏器”。 用于偏振光检验的线偏器称为“检偏器”。 起偏器和检偏器
2、是线偏器分别用于产生、检验偏振光时的名称，二者在具体器件上没有区别。,2019/11/26,.,3,2.线偏器的质量指标,偏振度 自然光经过实际的起偏器后通常变为部分偏振光，部分偏振光的偏振度称为起偏器的“偏振度”。如果定义沿主方向（y轴）振动成分的透过率为Ty ，垂直于主方向的振动成分透过率为Tx ，则起偏器的偏振度为： P=(Ty-Tx)/(Ty+Tx) 对于理想起偏器，有： Tx =0，P=1,2019/11/26,.,4,消光比 消光比定义为：=Tx/Ty ，对于理想起偏器，有： =0 光谱范围 指起偏器能适用的光波光谱范围，主要取决于工件的工作原理和材料性质。 色散 当白光通过起偏器
3、后，透射光的传播方向甚至振动方向都可能因波长而异。 稳定度 反应元件是否容易因光照、湿度、温度不当和机械冲击 而变质。,2019/11/26,.,5,3.各种起偏器,反射式起偏器 按照菲涅耳反射公式： 当入射光以布儒斯特角 射向界面时，反射光束中只含有s分量，透射光中同时含有s和p分量。,2019/11/26,.,6,根据菲涅耳公式，s分量的反射率为： 当 nt/ni=1.5 (1.6)时，Rs 约为0.15 (0.19)，光能利用率低。 对于严格以布儒斯特角入射的单色平面波，反射式起偏器的偏振度等于1；当入射角偏离 B时，反射光束中将出现p分量，可根据最小偏振度值，计算该元件的孔径角。 反射
4、式起偏器优点：偏振度高、适用光谱范围宽、装置简单；缺点：光能利用率低，对入射角度要求高。,2019/11/26,.,7,折射式起偏器，玻璃堆 光束以布儒斯特角连续多次射向多个界面，最后的出射光接近于线偏振光，多块平板玻璃互相平行地叠在一起，这种起偏器称为“折射式起偏器”、“玻璃堆”。,2019/11/26,.,8,当光波在平板上表面处以布儒斯特角入射时，在下表面的入射角也必定是布儒斯特角。（简单几何关系证明） 光束每经过一次反射，将有10%左右的s分量被“反射损耗”掉。经计算，由10块n2=1.5的玻璃平板组成的玻璃堆在空气中使用时，偏振度才达到0.635. 与反射式起偏器相比，玻璃堆的优点：
5、光能利用率高、出射光束与入射光束平行；缺点：偏振度偏低、光谱范围受到玻璃性能限制、体积偏大。,2019/11/26,.,9,晶体起偏器 设计原理：晶体中的两束“折射光”都是纯粹的线偏振光。设法只让其中一束光射出晶体或者使两束出射光沿不同方向传播，都可以获得偏振度很高的线偏光。 尼科耳(Nicol)棱镜,2019/11/26,.,10,尼科耳棱镜获得线偏振光的方法是使o光受到全反射，而只让e光自出射面射出。 制作：通过AD并垂直于平面ABCD把晶体切割成两半，再用加拿大树胶把它们粘合在一起。 起偏原理：当入射光方向是HK时，o光、e光各自以不同 的入射角射向棱镜与加拿大树胶的界面。 no=1.6
6、58，ne=1.52，ng=1.55，o光的入射角为77o超过了全反射临界角69o ，于是o光在界面上发生全反射而被黑漆所吸收；而e光不发生全反射，而部分出射。,2019/11/26,.,11,尼科耳棱镜的孔径角：当入射光向下倾斜,如图中GK方向, 异常光在AD界面入射角增大，当GKH14o时, e光发生全反射；同样, 当入射光向上倾斜,如图中IK方向,寻常光在AD界面入射角减小,当 IKH14o时, 光不发生全反射；所以尼科耳棱镜的极限孔径角大约为 28o. 优点：偏振度高；缺点：光能利用率低、光谱范围窄、通光面积小。,2019/11/26,.,12,格兰(Glan)棱镜 格兰棱镜由两块方解
7、石直角三棱柱组成，两个棱柱可以用甘油等材料胶合（“格兰-甘油棱镜”），也可以由空气隙隔离（“格兰-空气棱镜”）。,2019/11/26,.,13,格兰棱镜起偏原理：用ng 表示两棱柱间介质的折射率，当棱角介于o光、e光全反射角之间时（格兰-甘油棱镜co=62.7o, ce=82.6o ，格兰-空气棱镜co=37.1o, ce=42.3o ）即： o光将在分界面处发生全反射，而e光将部分透过界面。 格兰棱镜的优点：偏振度高、制作简单、稳定性好（格兰-空气棱镜不使用胶合剂避免了强光照射时胶合剂变质问题）；缺点：光能利用率低、光谱范围窄。,2019/11/26,.,14,渥拉斯顿(Wollaston
8、)棱镜 渥拉斯顿棱镜由两块光轴互相正交的直角三棱柱晶体光胶而成，其工作原理是利用光轴取向不同，使光波经过界面后，振动方向发生改变，从而使不同振动方向的光波在空间分离。,2019/11/26,.,15,渥拉斯顿棱镜的偏振分束角 对于“o-e”光束，偏振角为： 对于“e-o”光束，偏振角为： 射出晶体后，两束光的偏振分束角为： 为避免光波在界面发生全反射，必须满足,2019/11/26,.,16,罗雄(Rochon)棱镜 罗雄棱镜左半部分晶体光轴方向与入射光束平行，不发生双折射，光束射入右半部分后，振动方向平行于图平面的成分仍然为o光，不发生偏折；垂直成分经历“o-e”变化，发生偏折，从而实现偏折
9、分束。,2019/11/26,.,17,罗雄棱镜的偏振分束角 为避免光波在界面发生全反射，必须满足 渥拉斯顿、罗雄棱镜优点：能实现偏振分束、偏振度高、“o-o”光经过罗雄棱镜无折射色散；缺点：光谱范围窄,2019/11/26,.,18,人造偏振片 通过对各向同性材料进行人工干预（制作微结构、薄膜拉伸等），使其转变为各向异性的“人造晶体”，人造晶体的双折射率远大于天然晶体，可作为高质量的偏振器件（偏振片、偏振分束器、波片等）用于 光波的偏振控制。 优点：光谱范围宽、偏振度高、光能利用率高、体积小、性能稳定； 缺点：造价昂贵,2019/11/26,.,19,深亚波长金属光栅偏振片 起偏原理 微观解
10、释：偏振方向平行于栅条的TE偏振光入射到金属表面时，将引起电子沿栅条方向自由振荡，TE偏振光被金属栅条反射或吸收；对于偏振方向垂直于栅条的TM偏振光，由于栅条线宽远小于入射光波波长，该方向上的电子振荡受到限制，TM偏振光将直接透过。,2019/11/26,.,20,宏观解释（等效介质理论）：金属光栅对TE、TM 光分别等效于金属层、介质层。,2019/11/26,.,21,偏振特性：宽光谱、高消光比、高透过率、入射角度不敏感,光谱特性曲线,角度特性曲线,TM光透过率曲线,2019/11/26,.,22,金属光栅偏振片制作,金属铝栅制作工艺,实物图,电镜扫描图,2019/11/26,.,23,应
11、用：红外偏振成像,红外图像,红外偏振图像,2019/11/26,.,24,深紫外波段亚波长金属光栅反转偏振片 反转偏振片：透射TE光，反射或吸收TM光 反转偏振物理机制解释： TM光激发的表面等离子体波，阻碍了入射光向TM导模的耦合，从而形成反转偏振透射。,2019/11/26,.,25,193nm反转偏振片偏振透射测试 电镜扫描图 偏振透射谱,2019/11/26,.,26,介质偏振分束光栅 通过在普通介质材料上制作亚波长光栅，使光栅具有较大的双折射（n_grating=0.318n_quartz=0.013），通过优化设计光栅参数实现偏振分束功能。 介质光栅偏振分束的物理机制： 导模共振效
12、应,2019/11/26,.,27,193nm偏振分束光栅,严格矢量计算,2019/11/26,.,28,4.线偏振光检验,马吕斯(Malus)定律 线偏振光射向线偏器时，透射光强度与入射光振动方向和元件主方向之间的夹角有关，“马吕斯定律”给出了具体的规律：,2019/11/26,.,29,线偏振光的检验 线偏振光的检验有两重含义：确定被检光是否是线偏振光和测定线偏振光的振动方向。 判定是否为线偏光：根据马吕斯定律，如果被检光是线偏光，则令它通过一个主方向已知的线偏器后，应该观察到透射光强随元件主方向旋转而变化的现象，并且，当元件主方向位在某个方位时，透射光强度为零。反之，则不能观察到零透射光
13、强。,2019/11/26,.,30,测定线偏光振动方向： 单线偏器检验 检验方法是，在旋转线偏器的同时，观察待检光透射后的光强。当主方向位在某个方位时出现零强度，则判定被检光是线偏光，并且其振动方向与此主方向垂直。 缺点：在零光强附近，透射光强对角变化不敏感，测量误差较大。,2019/11/26,.,31,半影式检偏器 该检偏器把检测光强的视场分为两半，用比较两半视场在同一时刻的光强的方法，判断被检光的振动方向。 左、右半场的光强分别为： 仅当=0（亮场）或=/2（暗场），两边光强相等。,2019/11/26,.,32,4.本节课小结,线偏器定义、质量指标 各种线偏器 线偏光检验,2019/11/26,.,33,
