光子学与光电子学 教学课件 ppt 作者 原荣 第5章 光的双折射及应用

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1、光子学与光电子学 原荣 邱琪,第5章 光的双折射效应及应用,当光从空气进入水或玻璃时，就产生折射。但是，当光进入某些晶体时，折射光线不只一条，而是两条。这种现象称为双折射。 下面介绍光的双折射效应及其偏振器件，以及利用该效应制成的液晶显示器件。 5.1 光的双折射效应 5.2 双折射器件偏振器件 5.3 液晶显示器件双折射和偏振的应用,光子学与光电子学 原荣 邱琪,5.1 光的双折射效应,5.1.1 各向同性材料和各向异性材料 5.1.2 光的双折射效应 5.1.3 双折射的几种特例 5.1.4 晶体的双色性 5.1.5 光纤双折射效应,光子学与光电子学 原荣 邱琪,5.1.1 各向同性材料和

2、各向异性材料,晶体的一个重要特征是它的许多特性与晶体的方向有关。因为折射率 ，介电质常数 与电子极化有关，电子极化又与晶体方向有关，所以晶体的折射率与传输光的电场方向有关。 大部分非晶体材料，例如玻璃和所有的立方晶体是光学各向同性材料，即在每个方向具有相同的折射率。 所有其他晶体，如方解石（CaCO3）、鈮酸锂（LiNbO3）和液晶（LCD），它们的折射率都与传输方向和偏振态有关，这种材料叫做各向异性材料，如图5.1.2所示。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,图5.1.1 一束非偏振光 透射到方解石晶体上变成两束光,光子学与光电子学 原荣 邱琪,图5.1.2 各向同性晶体和各向异性晶体,可用三种

3、折射率指数n1、n2和n3来描述光在各向异性晶体内的传输，分别表示互相垂直的三个轴x、y和z方向上的折射率。这种晶体具有两个光学轴，所以也称为双轴晶体。 当n1 = n2时，晶体只有一个光轴，称这种晶体为单轴晶体。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,5.1.2 光的双折射效应,任何非偏振光线进入各向异性晶体后，将折射分成两束正交的线性偏振光，以不同的偏振态和相速度经历不同的折射率传输，如图5.1.3所示，这种现象称为双折射； 在单轴晶体中，两个正交的偏振光称为寻常光（o）和非寻常光（e）。寻常光在所有的方向具有相同的相速度，它的表现就像普通的电磁波，电场垂直于相速度传输的方向。非寻常光的相速度与传

4、输方向和它的偏振态有关，而且电场也不垂直于相速度传输的方向。 利用双折射可制成偏振分束器（PBS）。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,图5.1.3 非极化光进入各向异性晶体方解石后将发生双折射，产生相互正交偏振的寻常光(o)和非寻常光(e)，以不同的速度传播,光子学与光电子学 原荣 邱琪,方解石 晶体的双折射,方解石是一种负单轴晶体，沿一定的晶体平面把晶体切成菱面体，晶面是一个平行四边形（相邻两角的角度是78.08o和101.92o），包含光轴并与一对晶体表面垂直的方解石菱晶平面叫主截面。 当非偏振光或自然光以法线射入方解石晶体时，于是也与主截面成法线，而于光轴成一定的角度。入射光分成相互正交的

5、寻常光和非寻常光两束光，在主截面平面内也包含入射光。寻常光具有垂直于光轴的场振荡，它遵守斯奈耳定律，即光进入晶体不偏转，于是E场振荡的方向必须从该页纸出来或进去（用黑点表示），是寻常光。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,5.1.3 双折射的几种特例,（a）入射光与光轴平行，不发生双折射，也没有速度差 （b）入射光与光轴垂直，不发生双折射，但有速度差 图5.1.4 入射光与光轴方向不同出现两种不同的情况,光子学与光电子学 原荣 邱琪,图5.1.5 非偏振光与光轴的关系不同，投射到方解石晶片上产生不同的现象,光子学与光电子学 原荣 邱琪,5.1.4 晶体的双色性,一些各向异性晶体除折射率与方向有关外

6、，也表现出双色性。 所谓双色性，就是材料对光的吸收取决于光波传输的方向和偏振态。双色晶体是一种光学异性晶体，这种晶体对非寻常光或寻常光具有强烈地吸收（衰减）效应。也就是说，进入双色晶体的任意偏振光波只有限定的偏振态出现在晶体输出端，因为与此正交的偏振光可能被衰减了。 通常，双色性取决于光的波长，例如铝硼矽酸盐晶体对寻常光的吸收比对非寻常光的吸收更强。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,5.1.5 光纤双折射效应,光子学与光电子学 原荣 邱琪,5.2 双折射器件偏振器件,在5.1节中，已介绍了光的双折射现象，即一束非偏振光入射到各向异性晶体上时变成两束偏振光寻常光（o）和非寻常光（e）。 本节将介绍

7、利用该现象制成的偏振器件，这些器件在电光调制器、电光开关、光隔离器和相干系统中是必不可少的。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,5.2.1 相位延迟片和相位补偿器,使正单轴晶体（如石英）片的光轴沿 z 方向，并平行于薄片的两个解理面，如图1.3.22所示，假如线性偏振光 E 以法线方向入射到薄片解理面上，此时光束就不会发散成两束分开的光，而是沿 y 方向的一束光，即没有双折射。虽然寻常光和非寻常光在同一方向传输，但却有不同的速度，尽管从同一方向出去，但是离开出射解理面的时间却不同，如图1.3.21（b）所示 。这种现象被用来制作相位延迟和补偿器件。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,图5.2.1 线性

8、偏振入射光E分解成的两个相互正交的分量通过相位延迟片产生相位差,光子学与光电子学 原荣 邱琪,全光纤移相器,可提供815的相移,光子学与光电子学 原荣 邱琪,半波片和四分之一波片,假如 L是晶体片的厚度，寻常光（o）和非寻常光（e）通过晶体经历的相位变化不同。于是出射光束和分量通过相位延迟片产生的相位差是 （5.2.1） 该相位差表示延迟片对全波长的延迟，例如 = 是半波长延迟， = /2 是四分之一波长延迟。通过光束的偏振态与晶体类型和延迟片厚度有关。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,图5.2.2 以不同的入射角入射的线偏振光通过不同的相位延迟片后出现不同的偏振态,光子学与光电子学 原荣 邱琪

9、,1/4波片能使寻常光线与非寻常光线的 相位差变化/4,相位差不同，通过晶体的光波偏振态就不同。 例如，四分之一波片能使寻常光线与非寻常光线的相位差变化/4。当线偏振光通过/4波片时，如偏振方向与波片光轴的方向的夹角为45o角时，入射时两分量数值（光强度）和相位都相同，但通过晶片后，数值虽相同，但分量E/与E相比延迟了90o，成为圆偏振光，如图5.2.2（b）所示。 反之，若入射光是圆偏振光，则出射光就变成线偏振光。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,半波延迟片 使线偏振光两个正交分量的相位差为180o,半波延迟片的厚度L使线偏振光两个正交分量的相位差 ，对应波长一半（/2）的 延迟，其结果是分量

10、E/与E 相比延迟了180o。 此时，如果输入E与光轴的夹角是，那么输出 E 与光轴的夹角就是 ，输出光与输入光一样仍然是线偏振光，只是 E 逆时针旋转了2，如图5.2.2（a）所示。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,将P2 绕着 z 轴旋转，我们就会发现有两个位置光最强，而有两个位置又最弱，透射光的强度几乎为零的两个位置就是P1 和 P2 的偏振化方向成正交的位置。,起偏器和检偏器是利用双折射现象制成的一种光学元件。 当非偏振光入射到起偏器上时，就分成寻常光和非寻常光，同时起偏器又吸收寻常光而让非寻常光通过，输出平面线偏振光,5.2.2 起偏器、检偏器,光子学与光电子学 原荣 邱琪,图5.2.

11、3（a） 起偏器和检偏器的作用,Ex = E sin Ey = E con ,与传播方向 z 垂直的起偏器上的任意电场E 可以分解为两个矢量Ex和Ey ; 只有与偏振化方向平行的Ey才能通过偏振片 而与偏振片偏振化方向垂直的Ex却在偏振片内被吸收。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,马吕斯（Malus）定律,光子学与光电子学 原荣 邱琪,5.2.3 尼科耳棱镜-一种起偏器,尼科耳棱镜是一种起偏器，所谓尼科尔棱镜就是两块磨成一定角度的各向异性单轴晶体，用折射系数n比寻常光折射系数no大，而比非寻常光折射系数ne小的透明胶粘合而成的一种棱镜。 当非偏振光入射到棱镜上时，就分成寻常（o）光和非寻常（e）

12、光。,非寻常光由于偏转角大，在到达胶合界面时，入射角大于临界角，因而发生全反射,至棱镜吸收边界而被吸收。 寻常光在到达与粘胶的界面时，由于透明粘胶的折射指数n比寻常光的no的大，不会发生内部反射，而是通过第二块晶体从棱镜透射出来，成为线偏振光。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,液晶显示器所用的起偏/检偏膜,液晶显示器（见5.3节）所用的起偏/检偏膜是一种掺碘分子的高分子聚合物，如聚乙烯醇（PVA），大分子键在各个方向上都是完全均匀的，无规则排列聚集成膜，但在拉伸之后，几乎所有的大分子键都被迫按照拉伸力方向伸展开来，形成了栅栏一样的结构，如图5.2.3a所示，从而在纵横两个方向上具有强烈的各向异性

13、，只有与栅栏平行的光才能通过。将PVA在碘液中浸渍，经拉伸定型后即形成了偏光膜。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,图5.2.5 起偏器和检偏器 在电光晶体调制器中的应用,光子学与光电子学 原荣 邱琪,起 偏 器,光子学与光电子学 原荣 邱琪,检偏器,光子学与光电子学 原荣 邱琪,5.2.4 渥拉斯顿棱镜-偏振分光器,棱镜A内，入射光束垂直与光轴，如图5.2.6（b）所示，e光和o光不会发生偏折，只是o光比e光传输得快些。 但是，从e光和o光到达A和B两块棱镜的粘合面开始，就发生折射，非寻常光（e光）向上偏转，寻常光（o光）向下以相同的角度偏转，如图5.2.6（b）所示。,光子学与光电子学 原荣

14、邱琪,偏振分光器 /合光器,光子学与光电子学 原荣 邱琪,5.2.5 偏振控制器,图5.2.7 转动光纤线圈实现偏振控制 在一块底板上垂直安装 34 个可转动的圆盘，半径比光纤芯径大得多，约为75 cm，圆盘圆周上有槽，光纤可以绕在盘上，这样外面的光纤被拉伸，里面的光纤被压缩，引起光纤双折射，使输入偏振光Ex和Ey产生相移，从而起到控制偏振的作用。 当转动光纤线圈时，光纤中的快轴和慢轴也发生旋转，因此通过调整线圈的方向，可以获得所需要的任意偏振方向。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,图5.2.8 挤压光纤实现偏振控制,把光纤和压电晶体固定在一起，当给晶体施加电压时，晶体的长度伸长压挤光纤，也使光

15、纤发生双折射，从而达到控制偏振状态的目的。 压力的大小可通过外加电压精细控制，用4个挤压器串行连接可以达到良好的控制效果。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,挤压光纤偏振控制器,手动偏振控制器采用旋拧光纤挤压器实现偏振控制,光子学与光电子学 原荣 邱琪,5.3 液晶显示器件 双折射和偏振的应用,液晶显示器件（LCD）是利用液态晶体的光学各向异性特性，在电场作用下对入射光进行调制而实现显示的。自从1968年出现了液晶显示装置以来，液晶显示技术得到了很大发展，已经广泛应用于钟表、计算器、仪器仪表、计算机、彩电、投影电视等家庭、工业、军事显示器领域。 该节内容有： 5.3.1 液晶的双折射效应和偏振特性

16、 5.3.2 扭曲向列型液晶显示器件 5.3.3 超扭曲向列型液晶显示器件 5.3.4 有源矩阵液晶显示器件 5.3.5 快门式3D眼镜 5.3.6 液晶显示器的应用和前景,光子学与光电子学 原荣 邱琪,5.3.1 液晶的双折射效应和偏振特性,液晶是液态晶体的简称，是一种流动的晶体。液晶分为两大类，溶致液晶和热致液晶。前者要溶解在水中或有机溶剂中才能显示出液晶状态，而后者则在一定的温度范围内呈现出液晶状态。 作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。,光子学与光电子学 原荣 邱琪,图5.3.1 向列液晶的分子排列,（a）P型向列液晶分子排列和各向异性特性 （b）液晶分子的基本结构 显示用的液晶都是一些有机化合物，液晶分子的形状呈棒状，很像“雪茄烟”，宽约十分之几纳米，长约数纳米，长度约为宽