《物理光学》电子课件4-03

1、4.4 晶体光学元器件4.4.1 4.4.1 偏振器偏振器4.4.2 4.4.2 波片和补偿器波片和补偿器 4.4.1 4.4.1 偏振器偏振器1.1.偏振器概述偏振器概述2.2.偏振棱镜偏振棱镜3.3.偏振片偏振片1.1.偏振器概述偏振器概述 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。通常将能够产生线偏振光的元件叫做偏振器。通常将能够产生线偏振光的元件叫做偏

2、振器。 根据偏振器的工作原理不同，可以分为双折射型、根据偏振器的工作原理不同，可以分为双折射型、反射型、吸收型和散射型偏振器。后三种偏振器因其存反射型、吸收型和散射型偏振器。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，应用受到限制应用受到限制, ,在光电子技术中，广泛地采用双折射型偏在光电子技术中，广泛地采用双折射型偏振器。振器。 由晶体双折射特性的讨论已知，一块晶体本身就是一个由晶体双折射特性的讨论已知，一块晶体本身就是一个偏振器，从晶体中射出的两束光都是线偏振光。但是，由于偏振器，从晶体中射出的两束光都是线偏振光。但是，

3、由于由晶体射出的两束光通常靠得很近，不便于分离应用，所以由晶体射出的两束光通常靠得很近，不便于分离应用，所以实际的双折射偏振器，或者是利用两束偏振光折射的差别，实际的双折射偏振器，或者是利用两束偏振光折射的差别，使其中一束在偏振器内发生全反射使其中一束在偏振器内发生全反射( (或散射或散射) )，而让另一束光，而让另一束光顺利通过；或者利用某些各向异性介质的二向色性，吸收掉顺利通过；或者利用某些各向异性介质的二向色性，吸收掉一束线偏振光，而使另一束线偏振光顺利通过。一束线偏振光，而使另一束线偏振光顺利通过。2. 2. 偏振棱镜偏振棱镜1).1).格兰格兰汤普森汤普森(Glan-Thompson

4、)(Glan-Thompson)棱镜棱镜2).2).渥拉斯顿渥拉斯顿(Wollaston)(Wollaston)棱镜棱镜3).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(2).(2).孔径角孔径角(3).(3).消光比消光比(4).(4).抗损伤能力抗损伤能力 偏振棱镜是利用晶体的双折射特性制成的偏振器，它通偏振棱镜是利用晶体的双折射特性制成的偏振器，它通常是由两块晶体按一定的取向组合而成的。常是由两块晶体按一定的取向组合而成的。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

5、改进而棱镜改进而成的。如图所示，它由两块方解石直角棱镜沿斜面相对胶合成的。如图所示，它由两块方解石直角棱镜沿斜面相对胶合制成，两块晶体的光轴与通光的直角面平行，并且或者与制成，两块晶体的光轴与通光的直角面平行，并且或者与AB棱平行，棱平行， 或者与或者与AB棱垂直。棱垂直。图图 格兰格兰汤普森棱镜汤普森棱镜(a) (a) 立体图；立体图； (b) (b) 顶视图顶视图 DCABDBAC i 格兰格兰汤普森棱镜输出偏振光的原理如下：当一束自汤普森棱镜输出偏振光的原理如下：当一束自然光垂直射入棱镜时，然光垂直射入棱镜时，o光和光和e光均无偏折地射向胶合面，在光均无偏折地射向胶合面，在BC面上面上,

6、 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介于介于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。通常将这种偏振分光棱镜叫作单像偏光棱镜。偏振分量。通常将这种偏振分光棱镜叫作单像偏光棱镜。图图 改进型格兰改进型格兰汤普森棱镜汤普森棱镜 AC iEDB反射到AC面的o光，有可能反回到BC

7、面，由于入射角小于临界角而混入到出射光中，从而降低出射光的偏振度，可改进如下：2).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双像棱镜。它的结构如图所示，是由光出射两束线偏振光的双像棱镜。它的结构如图所示，是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的，一轴互相垂直的两块直角棱镜沿斜面用胶合剂胶合而成的，一般都是由方解石或石英等透明单轴晶体制作。般都是由方解石或石英等透明单轴晶体制作。 DCBA渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜 正入射的平行光束在第一块棱镜内垂直光轴传播，正入

8、射的平行光束在第一块棱镜内垂直光轴传播，o光和光和e光以不同的相速度同向传播。它们进入第二块光以不同的相速度同向传播。它们进入第二块棱镜时，因光轴方向旋转棱镜时，因光轴方向旋转90，使得第一块棱镜中，使得第一块棱镜中的的o光变为第二块棱镜中光变为第二块棱镜中e光，且由于方解石为负单光，且由于方解石为负单轴晶体轴晶体(ned2)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，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。互垂直的两束光间，有一定的相位差。 因为上劈中的因为上劈中的e光在下劈中变为光在下劈中变为o光，它通过上、下劈的总光，它通过上、下劈的总光程为光程

9、为(ned1+nod2)；上劈中的；上劈中的o光在下劈中变为光在下劈中变为e光，它通过光，它通过上、下劈的总光程为上、下劈的总光程为(nod1+ned2),所以，从补偿器出来时，这所以，从补偿器出来时，这两束振动方向相互垂直的线偏振光间的相位差为：两束振动方向相互垂直的线偏振光间的相位差为：图图 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，值也就不同。或者，当上劈沿图中所示箭头方向移值不同，值也就不同。或者，当上劈沿图中所示箭头方向移动时，对于同一条入射光线，动时，对于同一条入射光线，(

10、d2-d1)值也随上劈移动而变化，值也随上劈移动而变化，故故 值也随之改变。因此，调整值也随之改变。因此，调整(d2-d1)值，便可得到任意的值，便可得到任意的 值。值。)(2)()(212eo2e1o2o1eddnndndndndn 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。采用图宽光束的不同部分会产生不同的相位差。采用图4-48 所示所示的索累的索累(Soleil)补偿器可以弥补这个不足。这种补偿器是由补偿器可以弥补这个不足。这种补偿器是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。石两个光轴平行的石英劈和一个石英平行平面薄板组成的。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行移动，从而改变光线通过两劈的总厚度d1。对于某个确定。对于某个确定的的d1，可以在相当宽的区域内，可以在相当宽的区域内(如图如图4-48 中的中的AB宽度内宽度内)获获得相同的得相同的 值。值。 图图 4-48 4-48 索累补偿器索累补偿器 显然，利用上述补偿器可