大学晶体光学元器ppt课件

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1、4.4 晶体光学元器件晶体光学元器件4.4.1 偏振器偏振器4.4.2 波片和补偿器波片和补偿器 4.4.1 偏振器偏振器1. 偏振棱镜偏振棱镜2. 偏振片偏振片概述概述 在在光光电电子子技技术术运运用用中中，经经常常需需求求偏偏振振度度很很高高的的线线偏偏振振光光。除除了了某某些些激激光光器器本本身身即即可可产产生生线线偏偏振振光光外外，大大部部分分都都是是经经过过对对入入射射光光进进展展分分解解和和选选择择获获得得线线偏偏振振光光的的。通通常常将将可可以以产产生生线线偏偏振振光光的的元元件件叫叫做做偏偏振振器。器。 根根据据偏偏振振器器的的任任务务原原理理不不同同，可可以以分分为为双双折折

2、射射型型、反反射射型型、吸吸收收型型和和散散射射型型偏偏振振器器。后后三三种种偏偏振振器器因因其其存存在在消消光光比比差差，抗抗损损伤伤才才干干低低，有有选选择择性性的的吸吸收收等等缺缺陷陷，运运用用遭遭到到限限制制，在在光光电电子子技技术术中中，广广泛泛地地采用双折射型偏振器。采用双折射型偏振器。1. 偏振棱镜偏振棱镜利用晶体的双折射特性制成的偏振器，利用晶体的双折射特性制成的偏振器，通常是由两通常是由两块块晶体按一定的取向晶体按一定的取向组组合而成。合而成。 1) 格格兰兰汤汤普森普森(Glan-Thompson)棱棱镜镜2) 渥拉斯渥拉斯顿顿(Wollaston)棱棱镜镜3) 偏振棱偏振

3、棱镜镜的特性参量的特性参量 1) 格格兰兰汤汤普森普森(Glan-Thompson)棱棱镜镜 格格兰兰汤汤普普森森棱棱镜镜是是由由著著名名的的尼尼科科尔尔(Nical)棱棱镜镜改改良良而而成成的的。由由两两块块方方解解石石直直角角棱棱镜镜沿沿斜斜面面相相对对胶胶合合制制成成，两两块块晶晶体体的的光光轴轴与与通通光光的的直直角角面面平平行行，且且或与或与AB棱平行，或与棱平行，或与AB棱垂直。棱垂直。(a) 立体图立体图DCABDBACi(b) 顶视图顶视图 当当一一束束自自然然光光垂垂直直射射入入棱棱镜镜时时，o光光和和e光光均均无无偏偏折折地地射射向胶合面，在向胶合面，在BC面上面上, 入射

4、角入射角 i 等于棱镜底角等于棱镜底角 。 制制造造棱棱镜镜时时，选选择择胶胶合合剂剂(例例如如加加拿拿大大树树胶胶)的的折折射射率率n介介于于no和和ne之间，并且尽量和之间，并且尽量和 ne接近。接近。 由由于于方方解解石石是是负负单单轴轴晶晶体体，ne arcsin(n/no)时时，o 光光产产生生全全反反射射，而而 e 光光照照常常经经过过，因因此此，输输出出光光中中只只需需一一种种偏振分量。偏振分量。 通常将这种偏振分光棱镜叫作单像偏光棱镜。通常将这种偏振分光棱镜叫作单像偏光棱镜。存存在在的的问问题题：反反射射到到 AC面面的的 o光光，有有能能够够反反回回到到 BC 面面，由由于于

5、入入射射角角小小于于临临界界角角而而混混入入到到出出射射光光中中，从从而而降降低低出出射射光的偏振度。光的偏振度。DBACi改良型格改良型格兰汤普森棱普森棱镜 ACiEDB2) 渥拉斯顿渥拉斯顿(Wollaston)棱镜棱镜 渥拉斯顿棱镜是加大了两种线偏振光的离散角，渥拉斯顿棱镜是加大了两种线偏振光的离散角，且同时出射两束线偏振光的双像棱镜。由光轴相互且同时出射两束线偏振光的双像棱镜。由光轴相互垂直的两块直角棱镜沿斜面用胶合剂胶合而成，普垂直的两块直角棱镜沿斜面用胶合剂胶合而成，普通都是由方解石或石英等透明单轴晶体制造。通都是由方解石或石英等透明单轴晶体制造。DCBA 对于于负单轴晶体，分开的

6、角度近似晶体，分开的角度近似为： 2arcsin(none) tan 对于方解石棱于方解石棱镜， 角普通角普通为10 40 。例如，当。例如，当 =45 时， 2040。3) 偏振棱镜的特性参量偏振棱镜的特性参量通光面通光面积积孔径角孔径角消光比消光比抗抗损伤损伤才干才干 通光面通光面积积 偏振棱偏振棱镜镜所用的所用的资资料通常都是稀缺料通常都是稀缺贵贵重晶体，重晶体， 其通光面其通光面积积都不大，直径都不大，直径约为约为5 520mm20mm。 孔径角孔径角 对对于利用全反射原理制成的偏振棱于利用全反射原理制成的偏振棱镜镜，存在，存在着入射光束着入射光束锥锥角限制。角限制。 孔径角的限制孔径

7、角的限制ADCB 21 上面上面讨论讨论格格兰兰汤汤普森棱普森棱镜镜的任的任务务原理原理时时，假，假设设入射光入射光垂直入射。当光斜入射垂直入射。当光斜入射时时，假，假设设入射角入射角过过大，那么大，那么对对于光束于光束 1 中的中的o光，在光，在BC面上的入射角能面上的入射角能够够小于小于临临界角，致使不能界角，致使不能发发生全反射，而部分地透生全反射，而部分地透过过棱棱镜镜；对对于光束于光束 2中的中的e光，在光，在BC面上的入射角能面上的入射角能够够大于大于临临界角，使界角，使e光在胶合面上光在胶合面上发发生全生全反射，反射，这这将降低出射光的偏振度。将降低出射光的偏振度。 因因此此，这

8、这种种棱棱镜镜不不适适宜宜发发散散角角( (或或会会聚聚角角) )过过大大的的光光路路。或或者者说说，这这种种棱棱镜镜对对入入射射光光锥锥角角有有一一定定的的限限制制，并并且且称称入入射射光光束束锥锥角角的的限限制制范范围围 2 2m(m(m m是是 和和 中中较较小小的的一一个个) )为为偏偏振振棱棱镜镜的的有有效效孔孔径径角角。有有效效孔孔径径角角的的大大小小与与棱棱镜镜资资料料、构造、运用波段和胶合剂的折射率诸要素有关。构造、运用波段和胶合剂的折射率诸要素有关。 消消光光比比指指经经过过偏偏振振器器后后两两正正交交偏偏振振光光的的强强度度比，比， 普普通通偏偏振振棱棱镜镜的的消光比消光比

9、为为 10-5 10-510-410-4。 抗抗损伤损伤才干才干 在在激激光光技技术术中中运运用用利利用用胶胶合合剂剂的的偏偏振振棱棱镜镜时时，由由于于激激光光束束功功率率密密度度极极高高，会会损损坏坏胶胶合合层层，因因此此偏偏振棱振棱镜对镜对入射光能密度有限制。入射光能密度有限制。 普普通通来来说说，对对于于延延续续激激光光偏偏振振棱棱镜镜的的抗抗损损伤伤才才干干约约为为 10 10 W/cm2W/cm2，对对于于脉脉冲冲激激光光抗抗损损伤伤才才干干约约为为 104 W/cm2 104 W/cm2。 为为了了提提高高偏偏振振棱棱镜镜的的抗抗损损伤伤才才干干，可可以以把把格格兰兰汤汤普普森森棱

10、棱镜镜的的胶胶合合层层改改为为空空气气层层，制制成成格格兰兰傅傅科科(Foucault)棱棱镜镜。这这种棱种棱镜镜的底角的底角 应满应满足足:格格兰傅科棱傅科棱镜ADCBi2. 偏振片偏振片 由于偏振棱镜的通光面积不大，存在孔径角限制，造由于偏振棱镜的通光面积不大，存在孔径角限制，造价昂贵，所以在许多要求不高的场所，都采用偏振片产生价昂贵，所以在许多要求不高的场所，都采用偏振片产生线偏振光。线偏振光。 1) 1) 散射型偏振片散射型偏振片 2) 2) 二向色性偏振片二向色性偏振片1) 1) 散射型偏振片散射型偏振片 利用双折射晶体的散射起偏。两片具利用双折射晶体的散射起偏。两片具有特定折射率的

11、光学玻璃有特定折射率的光学玻璃(ZK2)(ZK2)夹着一层双折夹着一层双折射性很强的硝酸钠射性很强的硝酸钠(NaNO3)(NaNO3)晶体。晶体。 制造过程：把两片光学玻璃的相对制造过程：把两片光学玻璃的相对面打毛，竖立在云母片上，将硝酸钠溶液倒面打毛，竖立在云母片上，将硝酸钠溶液倒入两毛面构成的缝隙中，压紧二毛玻璃，挤入两毛面构成的缝隙中，压紧二毛玻璃，挤出气泡，使得很窄的缝隙为硝酸钠填满，并出气泡，使得很窄的缝隙为硝酸钠填满，并使溶液从云母片一边缓慢冷却，构成单晶，使溶液从云母片一边缓慢冷却，构成单晶，其光轴恰好垂直云母片，进展退火处置后，其光轴恰好垂直云母片，进展退火处置后，即可截成所需

12、求的尺寸。即可截成所需求的尺寸。 散射型偏振片散射型偏振片 2) 二向色性偏振片二向色性偏振片 利用某些物质的二向色性制形成的偏振片。利用某些物质的二向色性制形成的偏振片。 所谓二向色性，就是有些晶体所谓二向色性，就是有些晶体(电气石、电气石、硫酸碘奎宁等硫酸碘奎宁等)对传输光中两个相互垂直的振对传输光中两个相互垂直的振动分量具有选择吸收的性能。动分量具有选择吸收的性能。 例如电气石对传输光中垂直光轴的寻常例如电气石对传输光中垂直光轴的寻常光矢量分量吸收很剧烈，吸收量与晶体厚度光矢量分量吸收很剧烈，吸收量与晶体厚度成正比，而对非常光矢量分量只吸收某些波成正比，而对非常光矢量分量只吸收某些波长成

13、分。但是因它略带颜色，且大小有限，长成分。但是因它略带颜色，且大小有限，所以用的不多。所以用的不多。 二向色型偏振片二向色型偏振片 4.4.2 波片和补偿器波片和补偿器1. 波片波片 1) 全波片全波片 2) 半波片半波片 3) 1/4 波片波片2. 补偿器补偿器1. 波片波片对对二垂直振二垂直振动动分量提供固定相位差的元分量提供固定相位差的元件。通常是从件。通常是从单轴单轴晶体上按一定方式切割的、晶体上按一定方式切割的、有一定厚度的平行平面薄片。有一定厚度的平行平面薄片。 x1dx3x2光轴平行于晶片外表，设为光轴平行于晶片外表，设为x3方向。方向。 是是光光在在真真空空中中的的波波长长。入

14、入射射的的偏偏振振光光经经过过波波片片后后，由由于于其其二垂直分量之间附加了一个相位差，将会改动偏振形状。二垂直分量之间附加了一个相位差，将会改动偏振形状。 一束正入射的光波进入波片后，将沿原方向传播两束偏一束正入射的光波进入波片后，将沿原方向传播两束偏振光：振光：o光和光和 e光，其光，其 矢量分别平行于矢量分别平行于x1和和x3方向，折射率方向，折射率分别为分别为no和和ne。它们经过厚度为。它们经过厚度为d 的波片后，将产生一定的的波片后，将产生一定的相位差相位差 ： 一束线偏振光垂直射入波片，在入射外表上所产生的一束线偏振光垂直射入波片，在入射外表上所产生的 o o光和光和 e e光分

15、量同相位，振幅分别为光分量同相位，振幅分别为AoAo和和AeAe。该二光穿过波片。该二光穿过波片射出时，附加了一个相位延迟差射出时，附加了一个相位延迟差，因此其合成光矢量端点，因此其合成光矢量端点的轨迹方程为的轨迹方程为: :该式为一椭圆方程，阐明输出光的偏振态发生了变化，为椭该式为一椭圆方程，阐明输出光的偏振态发生了变化，为椭圆偏振光。圆偏振光。 在光电子技术中，经常运用的是全波片、半波片和在光电子技术中，经常运用的是全波片、半波片和1/4 波片。波片。1) 全波片全波片 全波片的附加相位延迟差为全波片的附加相位延迟差为:即：即：所以所以该式为不断线方程，即线偏振光经过全波片后，其偏振形该式

16、为不断线方程，即线偏振光经过全波片后，其偏振形状不变。状不变。将全波片放入光路中，不改动光路的偏振形状。将全波片放入光路中，不改动光路的偏振形状。全波片的厚度：全波片的厚度：由由得得2) 半波片半波片 半波片的附加相位延迟差半波片的附加相位延迟差为：为：由此得：由此得：即即 该式也为直线方程，即出射光仍为线偏振光，只是振动面的该式也为直线方程，即出射光仍为线偏振光，只是振动面的方位较入射光转过了方位较入射光转过了 2 角，当角，当 =45 时，振动面转过时，振动面转过 90 。 半波片的厚度半波片的厚度 ：3) 1/4 波片波片 1/4 波片的附加相位延迟差波片的附加相位延迟差为为:由此得：由

17、此得： m=0, 1, 2, 该该式式是是规规范范椭椭圆圆方方程程，长长、短短半半轴轴长长分分别别为为Ae和和Ao。这这阐阐明明线线偏偏振振光光经经过过1/4 波波片片后后，出出射射光光将将变变为为长长、短短半半轴轴等等于于Ae、Ao的椭圆偏振光。的椭圆偏振光。 当当 =45 时，时，Ae=Ao=A/ ，出射光为一圆偏振光：，出射光为一圆偏振光：1/4 波片的厚度：波片的厚度：在运用波片在运用波片时，有两个，有两个问题必需留意：必需留意： 波波长问题 任何波片都是任何波片都是对特定波特定波长而言，例如而言，例如对于波于波长为 0.5m的半波片，的半波片，对于于 0.6328 m的光波的光波长就

18、不再是半波片；就不再是半波片；对于于波波长为 1.06m的的 1/4 波片，波片，对0.53m 来来说恰好是半波片。恰好是半波片。 波片的主波片的主轴方向方向问题 运用波片运用波片时该当知道波片所允当知道波片所允许的两个振的两个振动方向方向(即两个即两个主主轴方向方向)及相及相应波速的快慢。波速的快慢。这通常在制造波片通常在制造波片时曾曾经指出，指出，并已并已标在波片在波片边缘的框架上，波速快的那个主的框架上，波速快的那个主轴方向叫快方向叫快轴，与之垂直的主与之垂直的主轴叫慢叫慢轴。2. 补偿器补偿器 波片只能对振动方向相互垂直的两波片只能对振动方向相互垂直的两束光产生固定的相位差，补偿器那么

19、能束光产生固定的相位差，补偿器那么能对振动方向相互垂直的二线偏振光产生对振动方向相互垂直的二线偏振光产生可控制的相位差。可控制的相位差。 最简单的一种补偿器叫巴俾涅补偿最简单的一种补偿器叫巴俾涅补偿器，由两个方解石或石英劈组成，其光器，由两个方解石或石英劈组成，其光轴相互垂直。当线偏振光射入补偿器后，轴相互垂直。当线偏振光射入补偿器后，产生传播方向一样、振动方向相互垂直产生传播方向一样、振动方向相互垂直的的 o光和光和 e光，且在上劈中的光，且在上劈中的 o光光(或或 e光光)，进入下劈时就成了，进入下劈时就成了 e光光(或或 o光光)。 由于劈尖顶角很小由于劈尖顶角很小( 约约 23 )，在

20、两，在两个劈界面上，个劈界面上，e光和光和 o光可以为不分别。光可以为不分别。 在在三三束束光光A、M、B中中，相相应应于于经经过过两两劈劈厚厚度度一一样样处处(d1=d2)的的光光线线M，从从补补偿偿器器出出射射的的振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的两两束束光光之之间间的的相相位位差差为为零零；相相应应于于经经过过两两劈劈厚厚度度不不相相等等处处(d1d2)的的光光线线A和和(d1d2)光光线线B，从从补补偿偿器器出出射射的的振振动动方向相互垂直的两束光间，有一定的相位差。方向相互垂直的两束光间，有一定的相位差。 巴俾涅补偿器巴俾涅补偿器 d1d2A M B 当当入入射射光光从从补补偿偿器

21、器上上方方不不同同位位置置射射入入时时，相相应应的的(d2 d1)值值不不同同， 值值也也不不同同。或或者者，当当上上劈劈沿沿图图中中所所示示箭箭头头方方向向挪挪动动时时，对对于于同同一一条条入入射射光光线线，(d2 d1)值值随随上上劈劈挪挪动动而而变变化化，值值随随之之改改动动。因因此此调调整整(d2 d1)值值，便便可可得得到到恣意的恣意的 值。值。 由由于于上上劈劈中中的的e光光在在下下劈劈中中变变为为o光光，它它经经过过上上、下下劈劈的的总总光光程程为为(ned1+nod2)；上上劈劈中中的的o光光在在下下劈劈中中变变为为e光光，它它经经过过上上、下下劈劈的的总总光光程程为为(nod

22、1+ned2),所所以以，从从补补偿偿器器出出来来时时，这两束振动方向相互垂直的线偏振光间的相位差为：这两束振动方向相互垂直的线偏振光间的相位差为： 巴俾涅补偿器的缺陷是必需运用极细的入射光束，由于巴俾涅补偿器的缺陷是必需运用极细的入射光束，由于宽光束的不同部分会产生不同的相位差。宽光束的不同部分会产生不同的相位差。 由两个光轴平行的石英劈和一个石英平行平面薄板由两个光轴平行的石英劈和一个石英平行平面薄板组成的索累组成的索累(Soleil)(Soleil)补偿器可以弥补这个缺乏。补偿器可以弥补这个缺乏。 石英板的光轴与两劈的光轴垂直。上劈可由微调螺石英板的光轴与两劈的光轴垂直。上劈可由微调螺丝使之平行挪动，从而改动光线经过两劈的总厚度丝使之平行挪动，从而改动光线经过两劈的总厚度d1d1。对于。对于某个确定的某个确定的d1d1，可以在相当宽的区域内获得一样的，可以在相当宽的区域内获得一样的 值。值。 作作 业业7，10，11，12，13