【大学课件】晶体光学元器件

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 http:/ 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 在光电子技术应用中，经常需要偏振度很高的线偏在光电子技术应用中，经常需要偏振度很高的线偏振光。除了某些激光器本身即可产生线偏振光外，大部振光。除了某些激光器本身即可产生线偏振光外，大部分都是通过对入射光进行分解和选择获得线偏振光的。分都是通过对入射光进行分解和选择获得线偏振光的。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。 根据偏振器的工作原理不同，可以分为根据偏振器的工作原理不同，可以

2、分为双折射型双折射型、反射型反射型、吸收型吸收型和和散射型散射型偏振器。后三种偏振器因其存偏振器。后三种偏振器因其存在消光比差，抗损伤能力低，有选择性的吸收等缺点，在消光比差，抗损伤能力低，有选择性的吸收等缺点，应用受到限制，在光电子技术中，广泛地采用双折射型应用受到限制，在光电子技术中，广泛地采用双折射型偏振器。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)棱镜棱镜2) 渥拉斯顿渥拉斯顿(wollaston)

3、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 格兰格兰汤普森棱镜是由著名的尼科尔汤普森棱镜是由著名的尼科尔(nical)棱镜改进而棱镜改进而成的。由两块方解石直角棱镜沿斜面相对胶合制成，成的。由两块方解石直角棱镜沿斜面相对胶合制成，两块晶两块晶体的光轴与通光的直角面平行体的光轴与通光的直角面平行，且或与，且或与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 当一束自然光垂直射入棱镜时，当一束自然光垂直射入棱镜时，o光和光和e光均无偏折地射光均无偏折地射向胶合面，在

4、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 。 制作棱镜时，选择胶合剂制作棱镜时，选择胶合剂(例如加拿大树胶例如加拿大树胶)的折射率的折射率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。 因为方解石是负单轴晶体，因为方解石是负单轴晶体，ne arcsin(n/no)时，时，o 光产生全反射，而光产生全反射，而 e 光照常通过，因此，输出光中只有一种光照常通过，因此，输出光中只有一种偏振分量。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。存在的问题：反射到存在的问题：反射到 ac面的面的 o光，有可

5、能反回到光，有可能反回到 bc 面，面，由于入射角小于临界角而混入到出射光中，从而降低出射由于入射角小于临界角而混入到出射光中，从而降低出射光的偏振度。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石英等透明单轴晶体制作

6、。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 对于利用全反射原理制成的偏振棱镜，存在着入射光束对于利用全反射原

7、理制成的偏振棱镜，存在着入射光束锥角限制。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，光在胶合面上发生全反射

8、，这将降低出射光的偏振度。这将降低出射光的偏振度。 因此，这种棱镜不适合发散角因此，这种棱镜不适合发散角(或会聚角或会聚角)过大的光路。或过大的光路。或者说，这种棱镜对入射光锥角有一定的限制，并且称入射光者说，这种棱镜对入射光锥角有一定的限制，并且称入射光束锥角的限制范围束锥角的限制范围 2 m( m是是 和和 中较小的一个中较小的一个)为偏振棱为偏振棱镜的镜的有效孔径角有效孔径角。有效孔径角的大小与棱镜材料、结构、使。有效孔径角的大小与棱镜材料、结构、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，指通过偏振器后两正交偏

9、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 在激光技术中使用利用胶合剂的偏振棱镜时，由于激光在激光技术中使用利用胶合剂的偏振棱镜时，由于激光束功率密度极高，会损坏胶合层，因此偏振棱镜对入射光能束功率密度极高，会损坏胶合层，因此偏振棱镜对入射光能密度有限制。密度有限制。 一般来说，对于连续激光偏振棱镜的抗损伤能力约为一般来说，对于连续激光偏振棱镜的抗损伤能力约为 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。 为了提高偏振棱镜的抗损伤能力，可以把格兰为了提高偏振棱镜的抗损伤能力，可以把格兰

10、汤普森汤普森棱镜的胶合层改为空气层，制成格兰棱镜的胶合层改为空气层，制成格兰傅科傅科(foucault)棱镜。棱镜。这种棱镜的底角这种棱镜的底角 应满足应满足:oe1arcsin1arcsinnn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 利用双折射晶体的散射起偏。两片具

11、有特定折射率的光利用双折射晶体的散射起偏。两片具有特定折射率的光学玻璃学玻璃(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。 制作过程：把两片光学玻璃的相对面打毛，竖立在云母制作过程：把两片光学玻璃的相对面打毛，竖立在云母片上，将硝酸钠溶液倒入两毛面形成的缝隙中，压紧二毛玻片上，将硝酸钠溶液倒入两毛面形成的缝隙中，压紧二毛玻璃，挤出气泡，使得很窄的缝隙为硝酸钠填满，并使溶液从璃，挤出气泡，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，形成单晶，其光轴恰好垂直云母片，云母片一边缓慢冷却，形成单晶，其光轴恰好垂直云母片，进行退火处理后，即可截

12、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

13、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。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. 波片波片对二垂直振动分量提供固定相位差的元件。通常是从单对二垂直振动分量提供固定相位差的元件。通常是从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。 是光在真空中的波长

14、。入射的偏振光通过波片后，由于其是光在真空中的波长。入射的偏振光通过波片后，由于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。dnn)(2eo 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 ：d 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

15、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ae。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。2eo312e32o1sincos2aaeeaeae1) 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

16、为:33eo1taneeaae02e3o1aeae2,1,2)(2eommdnn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。eonnmd全波片的厚度：全波片的厚度：2,1,2)(2eommdnn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：33eo1)tan(eeaae02e3o1aeae, 2, 1, 0) 12()(2eommdnn由此得：由此得：即即 该式也为直线方程，即出射光仍为线偏

17、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 ：212eonnmd3) 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:12e232o21aeae由此得：由此得： 2) 12()(2eomdnnm=0, 1, 2, 2232121aee该式是标准椭圆方程，长、短半轴长分别为该式是标准椭圆方程，长、短半轴长分别为ae和和ao。这说明。这说明线偏振光通过线偏振光通过1/4 波片后，出射光将变为长、短半轴等于波片后，出射光将

18、变为长、短半轴等于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：2412eonnmd1/4 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

19、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(即两即两个主轴方向个主轴方向)及相应波速的快慢。这通常在制作波片时已经及相应波速的快慢。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，与之垂直的主轴叫慢轴。叫快轴，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

20、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 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。 在三束光在三束光a、m、b中

21、，相应于通过两劈厚度相同处中，相应于通过两劈厚度相同处(d1=d2)的光线的光线m，从补偿器出射的振动方向相互垂直的两束光之间，从补偿器出射的振动方向相互垂直的两束光之间的相位差为零；相应于通过两劈厚度不相等处的相位差为零；相应于通过两劈厚度不相等处(d1d2)的光线的光线a和和(d1d2)光线光线b，从补偿器出射的振动方向相互垂直的两束，从补偿器出射的振动方向相互垂直的两束光间，有一定的相位差。光间，有一定的相位差。 巴俾涅补偿器巴俾涅补偿器 d1d2a m b 当入射光从补偿器上方不同位置射入时，相应的当入射光从补偿器上方不同位置射入时，相应的(d2 d1)值不同，值不同， 值也不同。或者，当上劈沿图中所示