【大學(xué)課件】晶體光學(xué)元器件

1、4.4 晶體光學(xué)元器件晶體光學(xué)元器件4.4.1 偏振器偏振器4.4.2 波片和補償器波片和補償器 http:/ 偏振器偏振器1. 偏振棱鏡偏振棱鏡2. 偏振片偏振片概述概述 在光電子技術(shù)應(yīng)用中，經(jīng)常需要偏振度很高的線偏在光電子技術(shù)應(yīng)用中，經(jīng)常需要偏振度很高的線偏振光。除了某些激光器本身即可產(chǎn)生線偏振光外，大部振光。除了某些激光器本身即可產(chǎn)生線偏振光外，大部分都是通過對入射光進行分解和選擇獲得線偏振光的。分都是通過對入射光進行分解和選擇獲得線偏振光的。通常將通常將能夠產(chǎn)生線偏振光的元件能夠產(chǎn)生線偏振光的元件叫做偏振器。叫做偏振器。 根據(jù)偏振器的工作原理不同，可以分為根據(jù)偏振器的工作原理不同，可以

2、分為雙折射型雙折射型、反射型反射型、吸收型吸收型和和散射型散射型偏振器。后三種偏振器因其存偏振器。后三種偏振器因其存在消光比差，抗損傷能力低，有選擇性的吸收等缺點，在消光比差，抗損傷能力低，有選擇性的吸收等缺點，應(yīng)用受到限制，在光電子技術(shù)中，廣泛地采用雙折射型應(yīng)用受到限制，在光電子技術(shù)中，廣泛地采用雙折射型偏振器。偏振器。1. 偏振棱鏡偏振棱鏡利用晶體的雙折射特性制成的偏振器，利用晶體的雙折射特性制成的偏振器，通常是由兩塊晶體按一定的取向組合而成。通常是由兩塊晶體按一定的取向組合而成。 1) 格蘭格蘭湯普森湯普森(glan-thompson)棱鏡棱鏡2) 渥拉斯頓渥拉斯頓(wollaston)

3、棱鏡棱鏡3) 偏振棱鏡的特性參量偏振棱鏡的特性參量 1) 格蘭格蘭湯普森湯普森(glan-thompson)棱鏡棱鏡 格蘭格蘭湯普森棱鏡是由著名的尼科爾湯普森棱鏡是由著名的尼科爾(nical)棱鏡改進而棱鏡改進而成的。由兩塊方解石直角棱鏡沿斜面相對膠合制成，成的。由兩塊方解石直角棱鏡沿斜面相對膠合制成，兩塊晶兩塊晶體的光軸與通光的直角面平行體的光軸與通光的直角面平行，且或與，且或與ab棱平行，或與棱平行，或與ab棱垂直。棱垂直。(a) 立體圖立體圖dcabdbaci(b) 頂視圖頂視圖 當(dāng)一束自然光垂直射入棱鏡時，當(dāng)一束自然光垂直射入棱鏡時，o光和光和e光均無偏折地射光均無偏折地射向膠合面，在

4、向膠合面，在bc面上面上, 入射角入射角 i 等于棱鏡底角等于棱鏡底角 。 制作棱鏡時，選擇膠合劑制作棱鏡時，選擇膠合劑(例如加拿大樹膠例如加拿大樹膠)的折射率的折射率n介介于于no和和ne之間，并且盡量和之間，并且盡量和 ne接近。接近。 因為方解石是負單軸晶體，因為方解石是負單軸晶體，ne arcsin(n/no)時，時，o 光產(chǎn)生全反射，而光產(chǎn)生全反射，而 e 光照常通過，因此，輸出光中只有一種光照常通過，因此，輸出光中只有一種偏振分量。偏振分量。 通常將這種偏振分光棱鏡叫作通常將這種偏振分光棱鏡叫作單像偏光棱鏡單像偏光棱鏡。存在的問題：反射到存在的問題：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，由于入射角小于臨界角而混入到出射光中，從而降低出射由于入射角小于臨界角而混入到出射光中，從而降低出射光的偏振度。光的偏振度。dbaci改進型格蘭改進型格蘭湯普森棱鏡湯普森棱鏡 aciedb2) 渥拉斯頓渥拉斯頓(wollaston)棱鏡棱鏡 渥拉斯頓棱鏡是加大了兩種線偏振光的離散角，且同時渥拉斯頓棱鏡是加大了兩種線偏振光的離散角，且同時出射兩束線偏振光的出射兩束線偏振光的雙像棱鏡雙像棱鏡。由光軸互相垂直的兩塊直角由光軸互相垂直的兩塊直角棱鏡沿斜面用膠合劑膠合而成棱鏡沿斜面用膠合劑膠合而成，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單軸晶體制作

6、。透明單軸晶體制作。dcba 對于負單軸晶體，分開的角度近似為：對于負單軸晶體，分開的角度近似為： 2arcsin(none) tan 對于方解石棱鏡，對于方解石棱鏡， 角一般為角一般為10 40 。例如，當(dāng)。例如，當(dāng) =45 時，時， 20 40 。3) 偏振棱鏡的特性參量偏振棱鏡的特性參量通光面積通光面積孔徑角孔徑角消光比消光比抗損傷能力抗損傷能力 通光面積通光面積 偏振棱鏡所用的材料通常都是稀缺貴重晶體，偏振棱鏡所用的材料通常都是稀缺貴重晶體， 其通光面其通光面積都不大，直徑約為積都不大，直徑約為520mm。 孔徑角孔徑角 對于利用全反射原理制成的偏振棱鏡，存在著入射光束對于利用全反射原

7、理制成的偏振棱鏡，存在著入射光束錐角限制。錐角限制。 孔徑角的限制孔徑角的限制adcb 21 上面討論格蘭上面討論格蘭湯普森棱鏡的工作原理時，假設(shè)入射光湯普森棱鏡的工作原理時，假設(shè)入射光垂直入射。當(dāng)光斜入射時，若入射角過大，則對于光束垂直入射。當(dāng)光斜入射時，若入射角過大，則對于光束 1 中中的的o光，在光，在bc面上的入射角可能小于臨界角，致使不能發(fā)生面上的入射角可能小于臨界角，致使不能發(fā)生全反射，而部分地透過棱鏡；對于光束全反射，而部分地透過棱鏡；對于光束 2中的中的e光，在光，在bc面面上的入射角可能大于臨界角，使上的入射角可能大于臨界角，使e光在膠合面上發(fā)生全反射，光在膠合面上發(fā)生全反射

8、，這將降低出射光的偏振度。這將降低出射光的偏振度。 因此，這種棱鏡不適合發(fā)散角因此，這種棱鏡不適合發(fā)散角(或會聚角或會聚角)過大的光路?；蜻^大的光路?；蛘哒f，這種棱鏡對入射光錐角有一定的限制，并且稱入射光者說，這種棱鏡對入射光錐角有一定的限制，并且稱入射光束錐角的限制范圍束錐角的限制范圍 2 m( m是是 和和 中較小的一個中較小的一個)為偏振棱為偏振棱鏡的鏡的有效孔徑角有效孔徑角。有效孔徑角的大小與棱鏡材料、結(jié)構(gòu)、使。有效孔徑角的大小與棱鏡材料、結(jié)構(gòu)、使用波段和膠合劑的折射率諸因素有關(guān)。用波段和膠合劑的折射率諸因素有關(guān)。 消光比消光比指通過偏振器后兩正交偏振光的強度比，指通過偏振器后兩正交偏

9、振光的強度比， 一般偏振棱鏡的消光比為一般偏振棱鏡的消光比為 10-510-4。 抗損傷能力抗損傷能力 在激光技術(shù)中使用利用膠合劑的偏振棱鏡時，由于激光在激光技術(shù)中使用利用膠合劑的偏振棱鏡時，由于激光束功率密度極高，會損壞膠合層，因此偏振棱鏡對入射光能束功率密度極高，會損壞膠合層，因此偏振棱鏡對入射光能密度有限制。密度有限制。 一般來說，對于連續(xù)激光偏振棱鏡的抗損傷能力約為一般來說，對于連續(xù)激光偏振棱鏡的抗損傷能力約為 10 w/cm2，對于脈沖激光抗損傷能力約為，對于脈沖激光抗損傷能力約為 104 w/cm2。 為了提高偏振棱鏡的抗損傷能力，可以把格蘭為了提高偏振棱鏡的抗損傷能力，可以把格蘭

10、湯普森湯普森棱鏡的膠合層改為空氣層，制成格蘭棱鏡的膠合層改為空氣層，制成格蘭傅科傅科(foucault)棱鏡。棱鏡。這種棱鏡的底角這種棱鏡的底角 應(yīng)滿足應(yīng)滿足:oe1arcsin1arcsinnn格蘭格蘭傅科棱鏡傅科棱鏡adcbi2. 偏振片偏振片 由于偏振棱鏡的通光面積不大，存在孔徑角限制，造由于偏振棱鏡的通光面積不大，存在孔徑角限制，造價昂貴，所以在許多要求不高的場合，都采用偏振片產(chǎn)生價昂貴，所以在許多要求不高的場合，都采用偏振片產(chǎn)生線偏振光。線偏振光。 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 利用雙折射晶體的散射起偏。兩片具

11、有特定折射率的光利用雙折射晶體的散射起偏。兩片具有特定折射率的光學(xué)玻璃學(xué)玻璃(zk2)夾著一層雙折射性很強的硝酸鈉夾著一層雙折射性很強的硝酸鈉(nano3)晶體。晶體。 制作過程：把兩片光學(xué)玻璃的相對面打毛，豎立在云母制作過程：把兩片光學(xué)玻璃的相對面打毛，豎立在云母片上，將硝酸鈉溶液倒入兩毛面形成的縫隙中，壓緊二毛玻片上，將硝酸鈉溶液倒入兩毛面形成的縫隙中，壓緊二毛玻璃，擠出氣泡，使得很窄的縫隙為硝酸鈉填滿，并使溶液從璃，擠出氣泡，使得很窄的縫隙為硝酸鈉填滿，并使溶液從云母片一邊緩慢冷卻，形成單晶，其光軸恰好垂直云母片，云母片一邊緩慢冷卻，形成單晶，其光軸恰好垂直云母片，進行退火處理后，即可截

12、成所需要的尺寸。進行退火處理后，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 利用某些物質(zhì)的二向色性制作成的偏振片。利用某些物質(zhì)的二向色性制作成的偏振片。 所謂二向色性，就是有些晶體所謂二向色性，就是有些晶體(電氣石、硫酸碘奎寧等電氣石、硫酸碘奎寧等)對傳輸光中兩個相互垂直的振動分量具有選擇吸收的性能。對傳輸光中兩個相互垂直的振動分量具有選擇吸收的性能。 例如電氣石對傳輸光中垂直光軸的尋常光矢量分量吸收例如電氣石對傳輸光中垂直光軸的尋常光矢量分量吸收很強烈，吸收量與晶體厚度成正比，而對非常光矢量分量只很強烈，吸收量與晶體厚度成正比，而對非常光矢量分量只吸

13、收某些波長成分。但是因它略帶顏色，且大小有限，所以吸收某些波長成分。但是因它略帶顏色，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 波片和補償器波片和補償器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. 補償器補償器1. 波片波片對二垂直振動分量提供固定相位差的元件。通常是從單對二垂直振動分量提供固定相位差的元件。通常是從單軸晶體上按一定方式切割的、有一定厚度的平行平面薄片。軸晶體上按一定方式切割的、有一定厚度的平行平面薄片。 x1dx3x2光軸平行于晶片表面，設(shè)為光軸平行于晶片表面，設(shè)為x3方向。方向。 是光在真空中的波長

14、。入射的偏振光通過波片后，由于其是光在真空中的波長。入射的偏振光通過波片后，由于其二垂直分量之間附加了一個相位差，將會改變偏振狀態(tài)。二垂直分量之間附加了一個相位差，將會改變偏振狀態(tài)。dnn)(2eo 一束正入射的光波進入波片后，將沿原方向傳播兩束偏一束正入射的光波進入波片后，將沿原方向傳播兩束偏振光：振光：o光和光和 e光，其光，其 矢量分別平行于矢量分別平行于x1和和x3方向，折射率方向，折射率分別為分別為no和和ne。它們通過厚度為。它們通過厚度為d 的波片后，將產(chǎn)生一定的相的波片后，將產(chǎn)生一定的相位差位差 ：d 一束線偏振光垂直射入波片，在入射表面上所產(chǎn)生的一束線偏振光垂直射入波片，在入

15、射表面上所產(chǎn)生的 o光和光和 e光分量同相位，振幅分別為光分量同相位，振幅分別為ao和和ae。該二光穿過波片。該二光穿過波片射出時，附加了一個相位延遲差射出時，附加了一個相位延遲差 ，因而其合成光矢量端點，因而其合成光矢量端點的軌跡方程為的軌跡方程為:該式為一橢圓方程，說明輸出光的偏振態(tài)發(fā)生了變化，為橢該式為一橢圓方程，說明輸出光的偏振態(tài)發(fā)生了變化，為橢圓偏振光。圓偏振光。 在光電子技術(shù)中，經(jīng)常應(yīng)用的是在光電子技術(shù)中，經(jīng)常應(yīng)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遲差為全波片的附加相位延遲差

16、為:33eo1taneeaae02e3o1aeae2,1,2)(2eommdnn即：即：所以所以該式為一直線方程，即線偏振光通過全波片后，其偏振狀該式為一直線方程，即線偏振光通過全波片后，其偏振狀態(tài)不變。態(tài)不變。將全波片放入光路中，不改變光路的偏振狀態(tài)。將全波片放入光路中，不改變光路的偏振狀態(tài)。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遲差為：半波片的附加相位延遲差為：33eo1)tan(eeaae02e3o1aeae, 2, 1, 0) 12()(2eommdnn由此得：由此得：即即 該式也為直線方程，即出射光仍為線偏

17、振光，只是振動面的該式也為直線方程，即出射光仍為線偏振光，只是振動面的方位較入射光轉(zhuǎn)過了方位較入射光轉(zhuǎn)過了 2 角，當(dāng)角，當(dāng) =45 時，振動面轉(zhuǎn)過時，振動面轉(zhuǎn)過 90 。 半波片的厚度半波片的厚度 ：212eonnmd3) 1/4 波片波片 1/4 波片的附加相位延遲差為波片的附加相位延遲差為:12e232o21aeae由此得：由此得： 2) 12()(2eomdnnm=0, 1, 2, 2232121aee該式是標準橢圓方程，長、短半軸長分別為該式是標準橢圓方程，長、短半軸長分別為ae和和ao。這說明。這說明線偏振光通過線偏振光通過1/4 波片后，出射光將變?yōu)殚L、短半軸等于波片后，出射光將

18、變?yōu)殚L、短半軸等于ae、ao的橢圓偏振光。的橢圓偏振光。 當(dāng)當(dāng) =45 時，時，ae=ao=a/ ，出射光為一圓偏振光：，出射光為一圓偏振光：2412eonnmd1/4 波片的厚度：波片的厚度：在使用波片時，有兩個問題必須注意：在使用波片時，有兩個問題必須注意： 波長問題波長問題 任何波片都是對特定波長而言，例如對于波長為任何波片都是對特定波長而言，例如對于波長為 0.5 m的半波片，對于的半波片，對于 0.6328 m的光波長就不再是半波片；對于的光波長就不再是半波片；對于波長為波長為 1.06 m的的 1/4 波片，對波片，對0.53 m 來說恰好是半波片。來說恰好是半波片。 波片的主軸方

19、向問題波片的主軸方向問題 使用波片時應(yīng)當(dāng)知道波片所允許的兩個振動方向使用波片時應(yīng)當(dāng)知道波片所允許的兩個振動方向(即兩即兩個主軸方向個主軸方向)及相應(yīng)波速的快慢。這通常在制作波片時已經(jīng)及相應(yīng)波速的快慢。這通常在制作波片時已經(jīng)指出，并已標在波片邊緣的框架上，波速快的那個主軸方向指出，并已標在波片邊緣的框架上，波速快的那個主軸方向叫快軸，與之垂直的主軸叫慢軸。叫快軸，與之垂直的主軸叫慢軸。2. 補償器補償器 波片只能對振動方向相互垂直的兩束光產(chǎn)生固定的相位波片只能對振動方向相互垂直的兩束光產(chǎn)生固定的相位差，補償器則能對振動方向相互垂直的二線偏振光產(chǎn)生可控差，補償器則能對振動方向相互垂直的二線偏振光產(chǎn)

20、生可控制的相位差。制的相位差。 最簡單的一種補償器叫巴俾涅補償器，由兩個方解石或最簡單的一種補償器叫巴俾涅補償器，由兩個方解石或石英劈組成，石英劈組成，其光軸相互垂直其光軸相互垂直。當(dāng)線偏振光射入補償器后，。當(dāng)線偏振光射入補償器后，產(chǎn)生傳播方向相同、振動方向相互垂直的產(chǎn)生傳播方向相同、振動方向相互垂直的 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)，進入下劈時就成了，進入下劈時就成了 e光光(或或 o光光)。 由于劈尖頂角很小由于劈尖頂角很小( 約約 23 )，在兩個劈界面上，在兩個劈界面上，e光和光和 o光可認為不分離。光可認為不分離。 在三束光在三束光a、m、b中

21、，相應(yīng)于通過兩劈厚度相同處中，相應(yīng)于通過兩劈厚度相同處(d1=d2)的光線的光線m，從補償器出射的振動方向相互垂直的兩束光之間，從補償器出射的振動方向相互垂直的兩束光之間的相位差為零；相應(yīng)于通過兩劈厚度不相等處的相位差為零；相應(yīng)于通過兩劈厚度不相等處(d1d2)的光線的光線a和和(d1d2)光線光線b，從補償器出射的振動方向相互垂直的兩束，從補償器出射的振動方向相互垂直的兩束光間，有一定的相位差。光間，有一定的相位差。 巴俾涅補償器巴俾涅補償器 d1d2a m b 當(dāng)入射光從補償器上方不同位置射入時，相應(yīng)的當(dāng)入射光從補償器上方不同位置射入時，相應(yīng)的(d2 d1)值不同，值不同， 值也不同?；蛘撸?dāng)上劈沿圖中所示