晶体光学元器件

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1、晶体光学元器件Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望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应应用用中中，经经常常需需要要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通通过过对对入入射射光光进进行行分分解解和和选选择择获获得得线线偏偏振振光光的的。通常将通常将能够产生线偏振光的元件能够产生线偏振光的元件叫做偏振器。叫做偏振器。

2、 根根据据偏偏振振器器的的工工作作原原理理不不同同，可可以以分分为为双双折折射射型型、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，抗抗损损伤伤能能力力低低，有有选选择择性性的的吸吸收收等等缺缺点点，应应用用受受到到限限制制，在在光光电电子子技技术术中中，广广泛泛地地采采用用双双折折射射型型偏振器。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，通常是由两块晶体按一定的取向组合而成。通常是由两块晶体按一定的取向组合而成。 1) 格兰格兰汤普森汤普森(Glan-Thompson)

3、棱镜棱镜2) 渥拉斯顿渥拉斯顿(Wollaston)棱镜棱镜3) 偏振棱镜的特性参量偏振棱镜的特性参量 1) 格兰格兰汤普森汤普森(Glan-Thompson)棱镜棱镜 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)棱棱镜镜改改进进而而成成的的。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，且且或或与与AB棱棱平平行行，或或与与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

4、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, 入射角入射角 i 等于棱镜底角等于棱镜底角 。 制制作作棱棱镜镜时时，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。 因因为为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 光光照照常常通通过过，因因此此，输输出出光光中中只只有有一一种种偏振分量。偏振分量。 通常将这种偏振分光棱镜叫作通常将这种偏振分光棱镜叫作单像偏光棱镜单像偏光棱镜。存存在在的的问问题题：反反射射到

5、到 AC面面的的 o光光，有有可可能能反反回回到到 BC 面面，由由于于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改进型格兰改进型格兰汤普森棱镜汤普森棱镜 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，且同时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出射两束线偏振光的双像棱镜双像棱镜。由光轴互相垂直的两块直角由光轴互相垂直的两块直角棱镜沿斜面用胶合剂胶合而成棱镜沿斜面用胶合剂胶合而成，一般都是由方解石或石英等，一般都是由方解石或

6、石英等透明单轴晶体制作。透明单轴晶体制作。DCBA 对于负单轴晶体，分开的角度近似为：对于负单轴晶体，分开的角度近似为： 2arcsin(none) tan 对于方解石棱镜，对于方解石棱镜， 角一般为角一般为10 40 。例如，当。例如，当 =45 时，时， 20 40 。3) 偏振棱镜的特性参量偏振棱镜的特性参量通光面积通光面积孔径角孔径角消光比消光比抗损伤能力抗损伤能力 通光面积通光面积 偏振棱镜所用的材料通常都是稀缺贵重晶体，偏振棱镜所用的材料通常都是稀缺贵重晶体， 其通光面其通光面积都不大，直径约为积都不大，直径约为520mm。 孔径角孔径角 对对于于利利用用全全反反射射原原理理制制成

7、成的的偏偏振振棱棱镜镜，存存在在着着入入射射光光束束锥角限制。锥角限制。 孔径角的限制孔径角的限制ADCB 21 上面讨论格兰上面讨论格兰汤普森棱镜的工作原理时，假设入射光汤普森棱镜的工作原理时，假设入射光垂直入射。当光斜入射时，若入射角过大，则对于光束垂直入射。当光斜入射时，若入射角过大，则对于光束 1 中中的的o光，在光，在BC面上的入射角可能小于临界角，致使不能发生面上的入射角可能小于临界角，致使不能发生全反射，而部分地透过棱镜；对于光束全反射，而部分地透过棱镜；对于光束 2中的中的e光，在光，在BC面面上的入射角可能大于临界角，使上的入射角可能大于临界角，使e光在胶合面上发生全反射，光

8、在胶合面上发生全反射，这将降低出射光的偏振度。这将降低出射光的偏振度。 因因此此，这这种种棱棱镜镜不不适适合合发发散散角角(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 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材材料料、结结构构、使使用波段和胶合剂的折射率诸因素有关。用波段和胶合剂的折射率诸因素有关。 消光比消光比指通过偏振器后两正交偏振光的强度比，指通过偏振器后两

9、正交偏振光的强度比， 一般偏振棱镜的消光比为一般偏振棱镜的消光比为 10-510-4。 抗损伤能力抗损伤能力 在在激激光光技技术术中中使使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，因因此此偏偏振振棱棱镜镜对对入入射射光光能能密度有限制。密度有限制。 一一般般来来说说，对对于于连连续续激激光光偏偏振振棱棱镜镜的的抗抗损损伤伤能能力力约约为为 10 W/cm2，对于脉冲激光抗损伤能力约为，对于脉冲激光抗损伤能力约为 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能能力力，可可以以把把格格兰兰汤汤

10、普普森森棱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。这种棱镜的底角这种棱镜的底角 应满足应满足:格兰格兰傅科棱镜傅科棱镜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合，都采用偏振片产生价昂贵，所以在许多要求不高的场合，都采用偏振片产生线偏振光。线偏振光。 1) 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1) 1) 散射型偏振片散射型偏振片 利利用用双双折折射射晶晶体体的的散散射射起起偏偏。两两片片具具有有特特定定折

11、折射射率率的的光光学玻璃学玻璃(ZK2)夹着一层双折射性很强的硝酸钠夹着一层双折射性很强的硝酸钠(NaNO3)晶体。晶体。 制制作作过过程程：把把两两片片光光学学玻玻璃璃的的相相对对面面打打毛毛，竖竖立立在在云云母母片片上上，将将硝硝酸酸钠钠溶溶液液倒倒入入两两毛毛面面形形成成的的缝缝隙隙中中，压压紧紧二二毛毛玻玻璃璃，挤挤出出气气泡泡，使使得得很很窄窄的的缝缝隙隙为为硝硝酸酸钠钠填填满满，并并使使溶溶液液从从云云母母片片一一边边缓缓慢慢冷冷却却，形形成成单单晶晶，其其光光轴轴恰恰好好垂垂直直云云母母片片，进行退火处理后，即可截成所需要的尺寸。进行退火处理后，即可截成所需要的尺寸。 散射型偏振

12、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作成的偏振片。利用某些物质的二向色性制作成的偏振片。 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、硫酸碘奎宁等电气石、硫酸碘奎宁等)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。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。 例如电气石对传输光中垂直光轴的寻常光矢量分量吸收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强烈，吸收量与晶体厚度成正比，而对非常光矢量分量只很强烈，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长成分。但是因它略带颜色，且大小有限，所以吸收某些波长成分

13、。但是因它略带颜色，且大小有限，所以用的不多。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. 波片波片对对二二垂垂直直振振动动分分量量提提供供固固定定相相位位差差的的元元件件。通通常常是是从从单单轴晶体上按一定方式切割的、有一定厚度的平行平面薄片。轴晶体上按一定方式切割的、有一定厚度的平行平面薄片。 x1dx3x2光轴平行于晶片表面，设为光轴平行于晶片表面，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。入入射射的的偏偏振振光光通通过过波波片片后后，由

14、由于于其其二垂直分量之间附加了一个相位差，将会改变偏振状态。二垂直分量之间附加了一个相位差，将会改变偏振状态。 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。它们通过厚度为。它们通过厚度为d 的波片后，将产生一定的相的波片后，将产生一定的相位差位差 ： 一束线偏振光垂直射入波片，在入射表面上所产生的一束线偏振光垂直射入波片，在入射表面上所产生的 o光和光和 e光分量同相位，振幅分别为光分量同相位，振幅分别为Ao和和A

15、e。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 ，因而其合成光矢量端点，因而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，说明输出光的偏振态发生了变化，为椭该式为一椭圆方程，说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，经常应用的是在光电子技术中，经常应用的是全波片全波片、半波片半波片和和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：所以所以该式为一直线方程，即线偏振光通过全波片后，其偏振状该式为一直线方程，即线偏振光通过全波片后，其偏振状态不变。态不变。将全波

16、片放入光路中，不改变光路的偏振状态。将全波片放入光路中，不改变光路的偏振状态。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为：半波片的附加相位延迟差为：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为波片的附加相位延迟差为:由此得：由此得： m=0, 1, 2, 该该式式是是标标准准椭椭圆圆方方程程，

17、长长、短短半半轴轴长长分分别别为为Ae和和Ao。这这说说明明线线偏偏振振光光通通过过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：在使用波片时，有两个问题必须注意：在使用波片时，有两个问题必须注意： 波长问题波长问题 任何波片都是对特定波长而言，例如对于波长为任何波片都是对特定波长而言，例如对于波长为 0.5 m的半波片，对于的半波片，对于 0.6328 m的光波长就不再是半波片；对于的光波长就不再是半波片；对于波

18、长为波长为 1.06 m的的 1/4 波片，对波片，对0.53 m 来说恰好是半波片。来说恰好是半波片。 波片的主轴方向问题波片的主轴方向问题 使用波片时应当知道波片所允许的两个振动方向使用波片时应当知道波片所允许的两个振动方向(即两个即两个主轴方向主轴方向)及相应波速的快慢。这通常在制作波片时已经指出，及相应波速的快慢。这通常在制作波片时已经指出，并已标在波片边缘的框架上，波速快的那个主轴方向叫快轴，并已标在波片边缘的框架上，波速快的那个主轴方向叫快轴，与之垂直的主轴叫慢轴。与之垂直的主轴叫慢轴。2. 补偿器补偿器 波片只能对振动方向相互垂直的两束光产生固定的相位波片只能对振动方向相互垂直的

19、两束光产生固定的相位差，补偿器则能对振动方向相互垂直的二线偏振光产生可控差，补偿器则能对振动方向相互垂直的二线偏振光产生可控制的相位差。制的相位差。 最简单的一种补偿器叫巴俾涅补偿器，由两个方解石或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，石英劈组成，其光轴相互垂直其光轴相互垂直。当线偏振光射入补偿器后，。当线偏振光射入补偿器后，产生传播方向相同、振动方向相互垂直的产生传播方向相同、振动方向相互垂直的 o光和光和 e光，且在光，且在上劈中的上劈中的 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

20、23 )，在两个劈界面上，在两个劈界面上，e光和光和 o光可认为不分离。光可认为不分离。 在在三三束束光光A、M、B中中，相相应应于于通通过过两两劈劈厚厚度度相相同同处处(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；相相应应于于通通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方向向相相互互垂垂直直的两束光间，有一定的相位差。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

21、补补偿偿器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移移动动时时，对对于于同同一一条条入入射射光光线线，(d2 d1)值值随随上上劈劈移移动动而而变变化化， 值随之改变。因此调整值随之改变。因此调整(d2 d1)值，便可得到任意的值，便可得到任意的 值。值。 因因为为上上劈劈中中的的e光光在在下下劈劈中中变变为为o光光，它它通通过过上上、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，它它通通过过上上、下下劈劈的的总总光光

22、程程为为(nod1+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： 巴俾涅补偿器的缺点是必须使用极细的入射光束，因为巴俾涅补偿器的缺点是必须使用极细的入射光束，因为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组成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的索累索累(Soleil)补偿器补偿器可以弥补这个不足。可以弥补这个不足。 石英板的光轴与两劈的光轴垂直。上劈可由微调螺丝使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移动，从而改变光线通过两劈的总厚度之平行移动，从而改变光线通过两劈的总厚度d1。对于某个。对于某个确定的确定的d1，可以在相当宽的区域内获得相同的，可以在相当宽的区域内获得相同的 值。值。 作作 业业7，10，11，12，13