1、4.4 晶體光學元器件,4.4.1 偏振器 4.4.2 波片和補償器,4.4.1 偏振器,1. 偏振棱鏡 2. 偏振片,概述,在光電子技術(shù)應用中，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。通常將能夠產(chǎn)生線偏振光的元件叫做偏振器。 根據(jù)偏振器的工作原理不同，可以分為雙折射型、反射型、吸收型和散射型偏振器。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，應用受到限制，在光電子技術(shù)中，廣泛地采用雙折射型偏振器。,1. 偏振棱鏡,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。 1

2、) 格蘭湯普森(Glan-Thompson)棱鏡 2) 渥拉斯頓(Wollaston)棱鏡 3) 偏振棱鏡的特性參量,1) 格蘭湯普森(Glan-Thompson)棱鏡 格蘭湯普森棱鏡是由著名的尼科爾(Nical)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，兩塊晶體的光軸與通光的直角面平行，且或與AB棱平行，或與AB棱垂直。,當一束自然光垂直射入棱鏡時，o光和e光均無偏折地射向膠合面，在BC面上, 入射角 i 等于棱鏡底角 。 制作棱鏡時，選擇膠合劑(例如加拿大樹膠)的折射率n介于no和ne之間，并且盡量和 ne接近。 因為方解石是負單軸晶體，ne arcsin(n/no)時，o

3、光產(chǎn)生全反射，而 e 光照常通過，因此，輸出光中只有一種偏振分量。 通常將這種偏振分光棱鏡叫作單像偏光棱鏡。,存在的問題：反射到 AC面的 o光，有可能反回到 BC 面，由于入射角小于臨界角而混入到出射光中，從而降低出射光的偏振度。,2) 渥拉斯頓(Wollaston)棱鏡 渥拉斯頓棱鏡是加大了兩種線偏振光的離散角，且同時出射兩束線偏振光的雙像棱鏡。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，一般都是由方解石或石英等透明單軸晶體制作。,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， 角一般為10 40 。例如，當 =45 時， 2040。,3)

4、 偏振棱鏡的特性參量,通光面積 孔徑角 消光比 抗損傷能力, 通光面積 偏振棱鏡所用的材料通常都是稀缺貴重晶體， 其通光面積都不大，直徑約為520mm。 孔徑角 對于利用全反射原理制成的偏振棱鏡，存在著入射光束錐角限制。,上面討論格蘭湯普森棱鏡的工作原理時，假設入射光垂直入射。當光斜入射時，若入射角過大，則對于光束 1 中的o光，在BC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 2中的e光，在BC面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，這將降低出射光的偏振度。,因此，這種棱鏡不適合發(fā)散角(或會聚角)過大的光路?；蛘哒f，這種棱鏡對入射光錐角有一定的

5、限制，并且稱入射光束錐角的限制范圍 2m(m是 和 中較小的一個)為偏振棱鏡的有效孔徑角。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。, 消光比指通過偏振器后兩正交偏振光的強度比， 一般偏振棱鏡的消光比為 10-510-4。 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。 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 104 W/cm2。,為了提高偏振棱鏡的抗損傷能力，可以把格蘭湯普森棱鏡的膠合層改為空氣層，制成格蘭傅科(Foucault)棱鏡

6、。這種棱鏡的底角 應滿足:,2. 偏振片,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)生線偏振光。 1) 散射型偏振片 2) 二向色性偏振片,1) 散射型偏振片 利用雙折射晶體的散射起偏。兩片具有特定折射率的光學玻璃(ZK2)夾著一層雙折射性很強的硝酸鈉(NaNO3)晶體。 制作過程：把兩片光學玻璃的相對面打毛，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，進行退火處理后，即可截成所需要的尺寸。,散射型偏振片,2) 二向色性偏

7、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(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。 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。,二向色型偏振片,4.4.2 波片和補償器,1. 波片 1) 全波片 2) 半波片 3) 1/4 波片 2. 補償器,1. 波片 對二垂直振動分量提供固定相位差的元件。通常是從單軸晶體上按一定方式切割的、有一定厚度的平行平面薄片。,光軸平行于晶片表面，設為x3方向。, 是光在真空中的波長

8、。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)。,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：o光和 e光，其 矢量分別平行于x1和x3方向，折射率分別為no和ne。它們通過厚度為d 的波片后，將產(chǎn)生一定的相位差 ：,一束線偏振光垂直射入波片，在入射表面上所產(chǎn)生的 o光和 e光分量同相位，振幅分別為Ao和Ae。該二光穿過波片射出時，附加了一個相位延遲差，因而其合成光矢量端點的軌跡方程為:,該式為一橢圓方程，說明輸出光的偏振態(tài)發(fā)生了變化，為橢圓偏振光。,在光電子技術(shù)中，經(jīng)常應用的是全波片、半波片和1/4 波片。,1) 全波片 全波片的附加相位延遲差為:

9、,即：,所以,該式為一直線方程，即線偏振光通過全波片后，其偏振狀態(tài)不變。,將全波片放入光路中，不改變光路的偏振狀態(tài)。,全波片的厚度：,2) 半波片 半波片的附加相位延遲差為：,由此得：,即,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 2 角，當 =45時，振動面轉(zhuǎn)過 90 。,半波片的厚度 ：,3) 1/4 波片 1/4 波片的附加相位延遲差為:,由此得：,m=0, 1, 2, ,該式是標準橢圓方程，長、短半軸長分別為Ae和Ao。這說明線偏振光通過1/4 波片后，出射光將變?yōu)殚L、短半軸等于Ae、Ao的橢圓偏振光。,當 =45 時，Ae=Ao=A/ ，出射光為一圓偏振

10、光：,1/4 波片的厚度：,在使用波片時，有兩個問題必須注意： 波長問題 任何波片都是對特定波長而言，例如對于波長為 0.5m的半波片，對于 0.6328 m的光波長就不再是半波片；對于波長為 1.06m的 1/4 波片，對0.53m 來說恰好是半波片。 波片的主軸方向問題 使用波片時應當知道波片所允許的兩個振動方向(即兩個主軸方向)及相應波速的快慢。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叫快軸，與之垂直的主軸叫慢軸。,2. 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)生可控制的相位差。 最簡單的一種

11、補償器叫巴俾涅補償器，由兩個方解石或石英劈組成，其光軸相互垂直。當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 o光和 e光，且在上劈中的 o光(或 e光)，進入下劈時就成了 e光(或 o光)。 由于劈尖頂角很小( 約 23 )，在兩個劈界面上，e光和 o光可認為不分離。,在三束光A、M、B中，相應于通過兩劈厚度相同處(d1=d2)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的相位差為零；相應于通過兩劈厚度不相等處(d1d2)的光線A和(d1d2)光線B，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。,當入射光從補償器上方不同位置射入時，相應的(d2d1)值不同， 值也不同?；蛘?，當上劈沿圖中所示箭頭方向移動時，對于同一條入射光線，(d2d1)值隨上劈移動而變化，值隨之改變。因此調(diào)整(d2d1)值，便可得到任意的 值。,因為上劈中的e光在下劈中變?yōu)閛光，它通過上、下劈的總光程為(ned1+nod2)；上劈中的o光在下劈中變?yōu)閑光，它通過上、下劈的總光程為(nod1+ned2),所以，從補償器出來時，這兩束振動方向相互垂直的線偏振光間的相位差為：,巴