（光学专业论文）云母晶体最大双折射率温度效应的研究.pdf

曲阜师范人学硕 - q ：位论文 摘要 双折射率是表征各向异性晶体光学特性的一个非常重要的物理参数，由材料的成分和 晶体结构所决定。双折射率对光波而言，一般都具有较大的色散性。以平行晶体光轴的晶 面作为通光面，光在晶体内垂直晶体光轴传播，其双折射率为最大值，称为最大双折射率。 最大双折射率是偏光器件设计时的重要参量，此值是波长的函数，也受温度等外界条件的 影响。在应用过程中，偏光器件通常要受到温度场及其他外场的影响。晶体的折射率和面 形等随温度的变化均要发生变化，从而影响器件的光学性能。通常用折射率温度系数来描 述温度对光学晶体折射率的影响。 经查阅文献资料可知，目前这方面的研究基本集中在晶体最大双折射率随波长变化的 测量上，而对晶体最大双折射率随温度变化的研究较少。作为制作单级波片的理想双折射 材料云母晶体，由于其晶片太薄，极易产生多次反射，且孔径稍大时面形难以保证，因此 研究其温度效应的更少，对云母晶体最大双折射率温度系数的研究至今尚未见到报道。所 以，云母晶体最大双折射率随温度变化的精确测量有着重要的意义。本文主要是对云母晶 体最大双折射率随温度的变化关系进行了研究。 文章采用精确测量晶体最大双折射率的连续偏光干涉法对不同厚度的云母波片进行 了研究。首先通过实验得到不同温度下云母波片的偏光干涉谱，并对谱线进行了对比分析； 然后计算出云母波片的最大双折射率，求出了云母晶体在紫外波段和可见光波谱段的最大 双折射率温度系数的表达式；最后获得从紫外至近红外光波段云母晶体的双折射率色散曲 线，得到任意波长的双折射率色散公式。论文主要内容分为以下几个部分： 第一章为绪论部分，主要介绍了偏光器件的发展概况和器件温度效应的研究现状，并 简要说明了本论文的创新工作。 第二章是最大双折射率温度效应的基础理论部分，对最大双折射率的概念、双折射现 象的应用和云母晶体分别进行了介绍，对双折射率的温度效应进行了理论分析。分析表明， 波片的延迟量随温度的变化是由波片的厚度和双折射率随温度变化引起的。多级波片的延 迟相位级数可以从几十个多至上百个，从延迟的物理效果上看与零级波片没有多大区别， 但当温度改变时，由于波片级数的不同，受温度变化的影响也将不同，级数越大，厚度影 响越明显。而对单级波片，厚度很小，当温度改变时，双折射率的影响更明显。 第三章主要介绍了偏光干涉法测量双折射率的装置及过程。描述了测量系统的测量原 理并绘出了测量系统原理图，说明了测量系统中各部件的选择和测量时程序的流程。对实 验得到的不同温度下云母波片的偏光干涉谱进行了对比分析，发现当云母波片的温度升高 时，波片的偏光干涉谱整体向短波长方向发生漂移，且温度变化越大，漂移越明显，结果 表明云母波片双折射率的影响大于厚度的影响，决定了谱线漂移的方向。 第四章是数据处理及误差分析部分。通过对偏光干涉谱的极值点所对应波长的精确判 断，准确计算出相应温度下云母波片的最大双折射率，求出了云母晶体在紫外波段和可见 曲阜师范人学硕士学位论文第2 页 光波谱段的最大双折射率温度系数的表达式； 双折射率色散曲线，经多项式拟合数据处理， 对于实验中可能出现的误差进行了理论分析， 可靠性提供了保证。 最后获得从紫外至近红外光波段云母晶体的 得到任意波长的双折射率色散公式。同时， 得出了提高测量精度的方法，为测试结果的 论文的第三章和第四章是本文的核心部分，也是本人的主要工作。总结上述内容，本文 的主要创新点是： l 、首次通过实验测得了不同温度下不同厚度的云母波片的偏光干涉谱，发现波片的 偏光干涉谱整体向短波长方向发生漂移，说明云母波片双折射率对其延迟量的影响大于厚 度对其延迟量的影响，决定了谱线漂移的方向。 2 、得到云母晶体在紫外波段和可见光波谱段的最大双折射率温度系数的表达式。 3 、用最小二乘法拟合得到了所测各温度的双折射率的色散公式，利用m a t l a b 程序 做出最大双折射率随温度及波长变化的二维曲面图。 本文实验与理论分析相结合，表明该文实验研究结果具有一定的参考价值，对云母晶 体器件的设计与使用提供了重要的理论依据，为云母波片的生产和实用提供了参考价值。 关键词：晶体光学；云母晶体：最大双折射率；温度效应；色散特性； 偏光干涉 曲阜师范大学硕上学位论文 第3 页 a bs t r a c t b i r e f r i n g e n c e i sa n i m p o r t a n to p t i c a lp a r a m e t e ro fn o n i s o t r o p i cc r y s t a l ，w h i c h i s d e t e r m i n e db ym a t e r i a l sc o m p o s i t i o na n dc r y s t a ls t r u c t u r e g e n e r a l l y ，t h eb i r e f r i n g e n c et a k e s o ng r e a t e rd i s p e r s i v ef o rl i g h tw a v e s w h e nal i g h tb e a mt r a n s m i t sp e r p e n d i c u l a r l yt oo p t i c a la x i s i nc r y s t a lb yt a k i n gc r y s t a l l i n ef a c ep a r a l l e l l i n go p t i c a la x i sa sac l e a ra r e a ，t h eb i r e f r i n g e n c ei s t h em a x i m u ma n dn a m e da sm a x i m a lb i r e f r i n g e n ti n d e x t h em a x i m a lb i r e f r i n g e n ti n d e xw h i c h i sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rd e s i g n i n gp o l a r i z e dd e v i c e s ，i st h ef u n c t i o no fw a v e l e n g t hb u ta l s o v a r yw i t ht e m p e r a t u r ea n do t h e re x t e r n a lc o n d i t i o n s p o l a r i z e dd e v i c e sa r ei n f l u e n c e db yo u t f i e l d e s p e c i a l l yt e m p e r a t u r ef i e l dw h e nu s e d ，s oi sw a v e p l a t e t h eo p t i c a lc a p a b i l i t yo fd e v i c e si s i n f l u e n c e db e c a u s eo ft h ec h a n g eo fb o t ht h er e f r a c t i o ni n d e xa n dt h ea p p e a r a n c ew h i c ha r e c a u s e db yt h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r e s ot h e r m a lm a x i m a lb i r e f r i n g e n ti n d e xc o e f f i c i e n ti su s e d t od e s c r i b et h ee f f e c to nc r y s t a lb i r e f r i n g e n c eb yt h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r e r e f e rt os o m er e f e r e n c el i t e r a t u r e s ，m o s tr e s e a r c h e sf o c u s e do nm e a s u r i n gt h em a x i m a l b i r e f r i n g e n ti n d e xo fc r y s t a lv a r y i n gw i t hw a v e l e n g t hb a s i c a l l yb u tn o tw i t ht e m p e r a t u r et i l l n o w m i c ac r y s t a li sak i n do f p e r f e c tb i r e f r i n g e n tm a t e r i a lf o rp r o d u c t i n gs i n g l e l e v e lw a v e - p l a t e m u l t i p l er e f l e c t i o ni se a s yt og e n e r a t eb e c a u s eo fi t st h i nw a f e r i t ss u r f a c ei sd i s t o r t e dw h e n a p e r t u r ei sl i t t l el a r g e r s ot h et e m p e r a t u r ee f f e c ts t u d y i e do fm i c ac r y s t a li sm u c hl e s sa n dt h e r e s e a r c ho ft h e r m a lm a x i m a lb i r e f r i n g e n ti n d e xc o e f f i c i e n to fm i c ac r y s t a lh a sn o tb e r e p o r t e dy e t t h e r e f o r e ，t h ea c c u r a t em e a s u r e m e n to fm a x i m a lb i r e f r i n g e n ti n d e xo f m i c ac r y s t a l v a r y i n gw i t ht e m p e r a t u r ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h er e l m i o nb e t w e e nm a x i m a lb i r e f r i n g e n t i n d e xa n dt e m p e r a t u r eo fm i c ac r y s t a li ss t u d i e di nt h ea r t i c l em o s t l y i nt h i sp a p e r ，d i f f e r e n tt h i c k n e s sm i c aw a v e p l a t e sa r es t u d i e di nt h ew a yo ft h ep o l a r i z a t i o n i n t e r f e r e n c es p e c t r u mw h i c hm e a s u r i n gt h et h e r m a lm a x i m a lb i r e f r i n g e n ti n d e xc o e f f i c i e n t s f i r s t l y ，t h ep o l a r i z a t i o ni n t e r f e r e n c es p e c t r u m so fm i c aw a v e - p l a t e si nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea r e m e a s u r e da n da n a l y s e d t h e nt h em a x i m a lb i r e f r i n g e n ti n d e xo ft h em i c aw a v e p l a t ec a nb e c a l c u l a t e de x a c t l ya n de x p r e s s i o n so ft h et h e r m a lm a x i m a lb i r e f r i n g e n ti n d e xc o e f f i c i e n t sf o r m i c ac r y s t a la r ed e d u c e da tv i s i b l es p e c t r a lb a n da n du l t r a v i o l e ts p e c t r a lb a n d a tl a s t ，t h e d i s p e r s i o nc u r v ei sg a i n e df r o mv i s i b l es p e c t r a lb a n dt ou l t r a v i o l e ts p e c t r a lb a n da n de x p r e s s i o n s o ft h eb i r e f i n g e n td i s p e r s i o na tr a n d o mw a v e l e n g t hf o rm i c ac r y s t a li sa c h i e v e d t h ea r t i c l ei s d i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gp a r t sm a i n l y ： t h ef i r s tc h a p t e ri si n t r o d u c t i o n ，i nt h ec h a p t e r , t h ed e v e l o p m e n to fp o l a r i z e dd e v i c e sa n d t h et e m p e r a t u r ee f f e c ta r ei n t r o d u c e da n dt h ei n n o v a t i o nw o r ko ft h ea r t i c l ei se x p l a i n e d t h es e c o n dc h a p t e ri sb a s i ck n o w l e d g eo ft h em a x i m a lb i r e f r i n g e n ti n d e x t h ec o n c e p to f t h em a x i m a lb i r e f r i n g e n ti n d e xa n da p p l i c a t i o no fb i r e f r i n g e n ti n d e xa n dm i c ac r y s t a la r e i n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y 。t h e nt h et e m p e r a t u r ee f f e c t st h e o r e t i c a la n a l y s i si sd o n et ob i r e f r i n g e n t 曲卑师范人学硕 ：学位论文 第4 页 i n d e xo fw a v e p l a t e ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ev a r i a t i o no ft h er e t a r d a t i o ni sc a u s e db yt h e v a r i a t i o no ft h i c k n e s sa n db i r e f r i n g e n c eo fw a v e p l a t ev a r - y i n gw i t ht e m p e r a t u r e 。m a n y w a v e - p l a t ep h a s e ss e r i e sc a nb ed ef r o maf e wd o z e nt oh u n d r e d ，b u tt h e i rp h y s i c a le f f e c t si n r e t a r d a t i o ni sa l m o s ts a m ew i t hs i n g l e - l e v e lw a v ep l a t e b u tt h ee f f e c t sw i l lb ed i f f e r e n tb e c a u s e t h es e r i e so fw a v e p l a t ei sd i f f e r e n tw h e nt h et e m p e r a t u r ec h a n g e s t h el e v e l si sh i g h e r , t h e i n f l u e n c eo ft h i c k n e s si sm o r eo b v i o u s f o r s i n g l e - l e v e lw a v e - p l a t e ，t h ei n f l u e n c e o f b i r e f r i n g e n c ei sm o r eo b v i o u sw h e nt h et e m p e r a t u r ec h a n g e s ，b e c a u s et h i c k n e s si sv e r ys m a l l t h et h i r d c h a p t e rm a i n l y i n t r o d u c e s t h em e a s u r e m e n ts y s t e mt om e a s u r et h e r m a l b i r e f r i n g e n ti n d e xc o e f f i c i e n t si nt h ew a yo ft h ep o l a r i z a t i o ni n t e r f e r e n c es p e c t r u m ，f i r s t ，t h e s u r v e yp r i n c i p l eo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s c r i b e da n ds c h e m a t i cd i a g r a m i sd r e w ，t h e nt h e c h o i c eo fv a r i o u sp a r t sa n dt h es u r v e yp r o c e d u r ef l o wa r ee x p l a i n e d t h ep o l a r i z a t i o n i n t e r f e r e n c es p e c t r u m so fm i c aw a v e p l a t e si nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r em e a s u r e db ye x p e r i m e n t s a r ea n a l y s e d ；t h ep o l a r i z a t i o ni n t e r f e r e n c es p e c t r u m so fd i f f e r e n tt h i c k n e s sm i c aw a v e p l a t e sa r e f o u n dt od r i f tt os h o r tw a v e l e n g t h m o r e o v e r ，t h ed r i f ti sm o r eo b v i o u sw h e nt h ev a r i a t i o no f t e m p e r a t u r ei sl a r g e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p a c to fb i r e f r i n g e n c ei sg r e a t e rt h a nt h i c k n e s s f o rm i c aw a v e p l a t e sa n dd e t e r m i n e st h ed i r e c t i o nt od r i f t t h ef o u r t hc h a p t e ri st h ep a r to fd a t ap r o c e s s i n ga n de r r o ra n a l y s i s f i r s t l y ，t h r o u g ha c c u r a t e j u d g m e n to fe x t r e m ep o i n t so f t h ep o l a r i z a t i o ni n t e r f e r e n c es p e c t r u m s ，t h em a x i m a lb i r e f r i n g e n t i n d e xo ft h em i c aw a v e p l a t ec a l lb ec a l c u l a t e de x a c t l ya n de x p r e s s i o n so ft h et h e r m a lm a x i m a l b i r e f r i n g e n ti n d e xc o e f f i c i e n t s f o rm i c ac r y s t a la r ed e d u c e da tv i s i b l e s p e c t r a l b a n da n d u l t r a v i o l e ts p e c t r a lb a n d a tl a s t ，t h ed i s p e r s i o nc u r v ei sg a i n e df r o mv i s i b l es p e c t r a lb a n dt o u l t r a v i o l e ts p e c t r a lb a n da n de x p r e s s i o n so ft h eb i r e f i n g e n td i s p e r s i o na tr a n d o mw a v e l e n g t hf o r m i c ac r y s t a lc a nb ea c h i e v e dt h r o u g hp o l y n o m i a lf i t t i n gd a t ap r o c e s s i n g a tt h es a m et i m e ， t h e o r e t i c a la n a l y s i si sd o n et ot h ee r r o r st h a tm a yo c c u ri ne x p e r i m e n ta n di ti sf o u n dt h a tt h e m e a s u r i n ga c c u r a c yw i l lb ei m p r o v e db ys o m em e t h o d sw h i c hc a ng u a r a n t e et h er e l i a b i l i t yo f t h e t e s tr e s u l t s t h et 1 1 i r da n df o u r t hc h a p t e r sa r et h em o s ti m p o r t a n tp a r t si n t h i sp a p e ra n dm ym a i nj o b s u m m i n gu pt h ea b o v e ，t h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e rl i e si n ： f i r s t l y , f o rt h ef i r s tt i m e ，t h ep o l a r i z a t i o ni n t e r f e r e n c es p e c t r u m so fm i c aw a v e p l a t e si n d i f f e r e n tt e m p e r a t u r em e a s u r e db ye x p e r i m e n t sa r ea n a l y s e d ；t h ep o l a r i z a t i o ni n t e r f e r e n c e s p e c t r u m so f d i f f e r e n tt h i c k n e s sm i c aw a v e p l a t e sa r ef o u n dt od r i f tt os h o r tw a v e l e n g t h m o r e o v e r ，t h ed r i f ti sm o r eo b v i o u sw h e nt h ev a r i a t i o no ft e m p e r a t u r ei sl a r g e r t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ei m p a c to fb i r e f r i n g e n c ei sg r e a t e rt h a nt h i c k n e s sf o rm i c aw a v e - p l a t e sa n dd e t e r m i n e st h e d i r e c t i o nt od r i f t s e c o n d l y , e x p r e s s i o n so ft h et h e r m a lm a x i m a lb i r e f r i n g e n ti n d e xc o e f f i c i e n t s f o rm i c a 曲阜师范大学硕j j 学位论文第5 页 c r y s t a la r eg a i n e da tv i s i b l es p e c t r a lb a n da n du l t r a v i o l e ts p e c t r a lb a n d t h i r d l y , e x p r e s s i o n so ft h eb i r e f i n g e n td i s p e r s i o na tr a n d o mw a v e l e n g t hf o rm i c ac r y s t a li s a c h i e v e dt h r o u g hl e a s ts q u a r em e t h o da n dt w o d i m e n s i o nh o o df a c ec h a r ta b o u tt h et h e r m a l m a x i m a lb i r e f r i n g e n ti n d e xf o l l o w i n gt e m p e r a t u r ea n dw a v e l e n g t ht h r o u g hm a t l a bp r o c e s s i nt h i sp a p e r ，t h ef i n a l l yr e s u l t sc o m p a r i n ge x p e r i m e n t a ld a t aw i t he x p e r i m e n t a ld a t as h o w t h a tt h er e s u l to ft h ea r t i c l ei so fv a l u ef o rt h ep r o d u c t i n gm i c aw a v e p l a t e ，w h i c ho f f e r e d p a r a m e t e rc h o i c eb a s i sf o rc o r r e c t l yu s i n ga n dd e s i g n i n gm i c ad e v i c e s k e yw o r d s ：c r y s t a lo p t i c s ；m i c ac r y s t a l ；m a x i m a lb i r e f r i n g e n ti n d e x ；t h e r m a lc o e f f i c i e n t s ； d i s p e r s i o n ；p o l a r i z e di n t e r f e r e n c e 曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“4 ”) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士吵论文云母晶体 最大双折射率温度效应的研究，是本人在导师指导下，在曲阜师范 ， 大学攻读博士口硕士留学位期间独立进行研究工作所取得的成果。 论文中除注明部分外不包含他人已经发表或撰写的研究成果。对本文 的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中己明确的方式注 明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：托1 乙日期：口伊叩i2 - 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“ ) 云母晶体最大双折射率温度效应的研究系本人在曲阜师范大学攻 读博士口硕士曰学位期间，在导师指导下完成的博士口硕士囱学 位论文。本论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容 不得以其他单位的名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、 使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件 和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权曲阜师范大学，可以 采用影印或其他复制手段保存论文，可以公开发表论文的全部或部分 内幕：扎作者签名：dfj 导师签名 ，2 差。日期：渊苦1 2 日期：协明占仡 曲申师范人学硕士学位论文第l 页 第一章绪论弟一早珀v 匕 光学双折射现象最早是在方解石中被人们观察到的。当一束光正入射到自然解理的方 解石菱面上时，折射光被分成两束。我们把这种一束光入射到各向异性媒体时有两束折射 光的现象叫做双折射。两束折射光中一束传播方向不改变，遵守s n e l l 定律，称之为寻常 光( 简称0 光) ，另一束传播方向偏离了入射光的方向，不遵守s n e l l 定律，称非常光( 简 称e 光) 。双折射性是光在各向异性晶体中传播的宏观表现，因此各向异性晶体都会有不同 程度的双折射性质。具有双折射性质的晶体称之为双折射晶体，可以通过求解晶体中的 m a x w e l l 方程获得与双折射相关的光学特性【l l 。 双折射晶体作为偏光技术和现代激光应用技术中的功能材料，己普遍应用于光的起 偏、调制和非线性光学技术领域，特别是用于制作各类偏光器件。偏光器件形式各异、种 类繁多，按功能不同可分为：偏光棱镜【2 1 、延迟器件郾】、旋光器件及退偏器件0 1 等。按 实现起偏的方法不同可分为：晶体双折射型偏光器件，如各种双折射晶体材料的偏光分束 镜和偏光镜等；反射式偏光器件，如各种材料的薄膜干涉起偏器件【1 1 1 、布儒斯特角起偏镜； 二向色型偏光器件，如各种人造偏振片、棱镜二向色偏光镜、线栅偏光镜等。波片在晶体 光学和偏振光学领域中是重要的光学调制器件。对某一特定波长入射光，它能产生确定的 相位变化，从而改变入射光的偏振态。常用的有2 2 波片和a 4 波片，它们和其它偏光器 件相配合，可以实现偏振面的旋转、各种偏振态之间的相互转换以及各类偏振光的调制【1 2 1 。 如2 2 波片可以旋转线偏振光的偏振面，常用作偏振旋转子；2 4 波片常用来将椭圆偏振 光转换成线偏振光，亦或线偏光转换成椭圆偏振光，所以它们具有较宽的应用领域、较高 的应用价值。 偏光器件在使用过程中会受到温度场及其他环境场的影响。晶体的折射率和面形由于 温度的变化均要发生变化，这一现象叫做热致光学效应，简称热光效应。热光效应对大多 数光学元件来讲是有害的。由于晶体面形和折射率的变化，器件的延迟量、分束角、偏离 角、消光比、透射比及剪切差等均要发生改变。虽然这种变化很微弱，但在一些应用中影 响却很大。制作这些偏光器件的双折射材料，不但具有各向异性的光学性质，而且具有各 向异性的热学性质。因此这类器件受温度的影响更复杂，不容忽视。折射率温度系数就是 描述温度对光学晶体折射率影响的重要参数。 随着生产的发展，偏光器件应用r 益广泛，偏光器件的使用范围、使用精度被提出了 更高的要求。人们迫切需要器件参数在不同环境下的详实数据。方解石、石英、氟化镁、 正钒酸钇、硝酸钠、金红石和磷酸二氢铵等是制作偏光器件的常用材料，石英和云母制作 延迟片的主要材料。负双轴晶体云母是设计制作单级延迟片的理想双折射材料，被广泛用 于制作各种相位延迟器。所以对云母晶体最大双折射率温度特性的研究也就显得尤为重 要。 通过国内外相关资料可知，目前对很多晶体材料的折射率温度系数及其相位匹配方面 曲阜师范人学硕+ 学位论文第2 页 已经做了研究1 1 3 。1 6 1 ，但对于云母晶体折射率温度系数的研究还没有详尽的报道【1 7 1 3 】，因此， 本文拟对云母晶体折射率的温度效应做研究。 论文的主要工作为以下三方面： ( 1 ) 在岛津u v 3 1 0 1 p c 分光光度计的样品室内建立一个温度可调的平行偏光干涉光 路，测量不同温度下不同厚度的云母波片的偏光干涉谱并进行了对比分析，结果表明云母 波片的偏光干涉谱随着温度的升高而发生漂移，即当云母波片的温度升高时，波片的偏光 干涉谱整体向短波长方向发生漂移。且对于不同厚度的波片漂移量是不同的，波片越厚， 产生同样的温度变化时漂移就越明显。 ( 2 ) 云母晶体最大双折射率温度系数的获得：通过对偏光干涉谱的极值点所对应波 长的精确判断，准确计算出相应温度下云母波片的最大双折射率，求出了云母晶体在紫外 波段和可见光波谱段的最大双折射率温度系数的表达式。对云母器件的设计和应用具有一 定参考价值。 ( 3 ) 云母晶体双折射色散特性的研究：用最小二乘法拟合得到了所测各温度的双折 射率的色散公式，利用m a t l a b 程序做出最大双折射率随温度及波长变化的二维曲面图， 直观简捷的观察到最大双折射率随温度和波长变化的规律。 曲白师范人学硕上学位论文第3 页 第二章最大双折射率温度效应的 理论分析 最大双折射率反映了晶体的双折射性质，是晶体的一个重要特征参数。云母晶体是制 作单极相位延迟片的理想材料。用云母制作相位延迟片工艺比较简单，易于解理，成本低 廉。但任何偏光器件都要受温度的影响，波片的延迟量随温度的变化是由波片的厚度和双 折射率随温度变化引起的。而对单级波片，厚度很小，当温度改变时，双折射率的影响更 明显。 2 1 最大双折射率基本概念 2 1 1 最大双折射率 将一束自然光穿过各向异性晶体材料时分成两束偏振光的现象称为双折射现象。例如： 在白纸上画一个黑点，将方解石放在黑点上，可观察到有两个黑点出现。旋转方解石，一 个黑点旋转，另一个黑点不动。这就是最早发现的双折射现象。 图2 i 双折射现象表示 双折射现象中一束折射光不改变传播方向，服从折射定律，被称为寻常光，简称0 光。 另一条折射光偏离了入射光的方向，不服从折射定律，被称为非常光，简称e 光。寻常光 沿各个方向传播的速度相同，各向折射率1 1 0 相同，且在入射面内传播；非常光沿各个方 向传播的速度不相同，各向折射率1 1 e 不相同，并且不一定在入射面内传播。在双折射晶 体内存在一个固定的方向，在该方向上0 光和e 光的折射率相同，传播速度相同，两光线 重合。这个方向称为晶体的光轴。平行于光轴方向，o 光和e 光重合，不产生双折射现象。 垂直于光轴方向，n 0 、i l e 相差最大，o 光和e 光偏离最大。 以平行晶体光轴的晶面作为通光面，光在晶体内垂直晶体光轴传播，其双折射率为最 大值，称为最大双折射率。它反映了晶体的双折射性质，是晶体的一个重要特征参数。可 以通过测定最大双折射率来分析和鉴别各种矿物晶体。 曲宁师范人学硕十学位论文第4 页 方解石、石英等晶体具有一个光轴，被称为单轴晶体；云母、硫磺等晶体具有两个光 轴，被称为双轴晶体。 晶体对o 光的折射率为19 】： 刀。= 三 ( 2 1 1 ) 匕 晶体对e 光的折射率为： i t = 二( 2 1 2 )。= l 1 夕 ，暑 由于方向不同，e 光的相速度也不同，所以e 光的折射率也随方向而变。由( 2 1 1 ) 及( 2 1 2 ) 式决定的晶体折射率叫做单轴晶体的两个主折射率，对于负晶体n 。 疗。；对于 正晶体n 。 n o ，取正号，对于负单 轴晶体而言，n o 刀。，v e 1 ，。，光轴是慢轴；对负晶体，n 。 v 。光轴是快轴。当入 射偏振光的电矢量与慢轴( 或快轴) 平行时，波片相当于一各向同性板的作用。当0 0 0 ， 4 5 0 ，9 0 0 时( 伊为入射偏振光电矢量与快轴的夹角) ，出射光是椭圆偏振光，椭圆的主轴分 别与波片的快慢轴重合。当0 = 9 0 0 时，出射光仍为线偏振光，其电矢量旋转到与慢轴( 或 快轴) 对称的方位上去；当0 = + 4 5 0 时，出射光为圆偏振光。般情况下，波片只能用于 偏振光的正入射。 通常有云母、结晶石英、石膏、蓝宝石、氟化镁等单轴或双轴双折射晶体材料制作波 片。由于云母和晶体石英具有较适宜的光学加工性能和较小的双折射率，应用最为广泛。 偏光器件与延迟器件相配合，可以实现偏振面的旋转、各种偏振态之间的相互转换和 各种偏振光波的调制。它们在光学偏光技术中具有同等的应用价值。 2 2 云母晶体的简介 云母晶体是复合的片状硅酸盐，有许多不同的晶形，光轴问的央角可以是0 0 - - 4 2 0 之 间的任意一个角度。云母波片的选料非常严格，要求透射比高，面形好，二向色性小【2 0 1 。 通常用于波片加工的是自云母 k h 2 a 1 3 ( s 0 4 ) 3 】，云母的最普通形式。白云母是无色透 明的片状结晶体，除在波长2 7 w n 附近有一水的吸收带外，在相当宽的波长范围内具有很 高的光强投射比。两光轴l 日j 的央角是4 2 。，从外部看时，这个角度显得更大。 曲早师范人学硕。l 学位论文第7 页 表2 3云母的光学性质 折射率 n g n m n p 2 v ( 一) 白云母1 5 8 0 1 5 9 9 1 5 8 2 1 5 9 91 5 5 2 1 5 7 33 。4 3 。 镁硅白云母 3 。2 5 。 金云母1 6 18 1 5 9 01 6 1 0 1 5 8 91 5 5 2 1 5 6 2 3 o 1 2 。 对于不同的云母样品，其对于同一波长的折射率自然不同，如表2 4 所示。薄云母( 厚 度 3 0 1 t m ) 在紫外到红外都有很高的透射比，而较厚样品的透射比受杂质的影响较明显。 对于厚度为1 0 9 9 r n 厚的样品而言，在紫外区，透射比降到百分之十的极限波长约为 2 8 0 n m ，而对于4 7 1 t m 厚的样品约为2 1 0 n m 。在远红外区域( 将近4 0 9 m ) ，薄云母更是 显示出极高的透射比。 表2 4 不同云母样品的折射率 样品l样品2 a ( 聊) n on en e 一刀口n on e n e 。，? o 0 4 3 5 81 6 1 0 9 21 6 0 6 3 7一o 0 0 4 5 51 6 0 9 8 61 6 0 4 8 70 0 0 4 9 9 0 4 7 8 01 6 0 5 9 21 6 0 1 3 lo 0 0 4 6 11 6 0 4 9 51 5 9 9 9 3 6一o 0 0 5 0 2 0 5 4 6 11 6 0 2 1 31 5 9 7 3 40 0 0 4 7 91 6 0 1 1 21 5 9 6 1 3一o 0 0 4 9 9 0 5 8 9 31 5 9 9 7 81 5 9 5 0 00 0 0 4 7 81 5 9 8 8 51 5 9 3 8 9一o 0 0 4 9 6 0 6 0 0 01 5 9 6 6 71 5 9 1 8 40 。0 0 4 8 31 5 9 6 0 21 。5 9 0 9 20 。0 0 5 1 0 0 7 0 6 51 5 9 5 0 51 5 9 0 2 3一o 0 0 4 8 21 5 9 4 5 11 5 8 9 5 0一o 0 0 5 0 1 平均值 一0 0 0 4 7 3一o 0 0 5 0 l 用云母制作波片有许多优点，例如易 于解理，容易制成单级片，工艺简单，成 本低廉。但也有缺点：云母片太薄，这使 得光线在其中传播时要发生多次反射，光 线之问要发生干涉，迸而导致相位推迟的 振荡，如图2 2 所示。为此可用两高质量 的玻璃片央住波片以保持其面形，而且可 在波片表面镀增透膜消除多次反射 2 1 2 2 。 图2 2 云母延迟量振荡曲线 虽然云母是制作单极相位延迟片的理 想材