4.4 晶体光学元器件

1. 4.4 晶体光学元器件 4.4.1 偏振器 4.4.2 波片和补偿器

2. 4.4.1 偏振器 1. 偏振棱镜 2. 偏振片

3. 概述 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。 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偏振器。

4. 1. 偏振棱镜 ——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。 1) 格兰—汤普森(Glan-Thompson)棱镜 2) 渥拉斯顿(Wollaston)棱镜 3) 偏振棱镜的特性参量

5. 1) 格兰—汤普森(Glan-Thompson)棱镜 格兰—汤普森棱镜是由著名的尼科尔(Nical)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，两块晶体的光轴与通光的直角面平行，且或与AB棱平行，或与AB棱垂直。 B A D C B D  i A C (b) 顶视图 (a) 立体图

6. 当一束自然光垂直射入棱镜时，o光和e光均无偏折地射向胶合面，在BC面上, 入射角 i 等于棱镜底角。 制作棱镜时，选择胶合剂(例如加拿大树胶)的折射率n介于no和ne之间，并且尽量和 ne接近。 因为方解石是负单轴晶体，ne< no，所以 o 光在胶合面上相当于从光密介质射向光疏介质，当 i > arcsin(n/no)时，o 光产生全反射，而 e 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。

7. A D B D   i i B A C C E 改进型格兰—汤普森棱镜 存在的问题：反射到 AC面的 o光，有可能反回到 BC 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。

8. 2) 渥拉斯顿(Wollaston)棱镜 渥拉斯顿棱镜是加大了两种线偏振光的离散角，且同时出射两束线偏振光的双像棱镜。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，一般都是由方解石或石英等透明单轴晶体制作。 A D   B C

9. 对于负单轴晶体，分开的角度近似为：   2arcsin[(none) tan ] 对于方解石棱镜，  角一般为10~ 40。例如，当=45时，  ≈2040。

10. 3) 偏振棱镜的特性参量 ①通光面积 ②孔径角 ③消光比 ④抗损伤能力

11. ① 通光面积 偏振棱镜所用的材料通常都是稀缺贵重晶体， 其通光面积都不大，直径约为5～20mm。 ② 孔径角 对于利用全反射原理制成的偏振棱镜，存在着入射光束锥角限制。

12. B D 2     1 A C 孔径角的限制 上面讨论格兰—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 1 中的o光，在BC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 2中的e光，在BC面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，这将降低出射光的偏振度。

13. 因此，这种棱镜不适合发散角(或会聚角)过大的光路。或者说，这种棱镜对入射光锥角有一定的限制，并且称入射光束锥角的限制范围 2m(m是 和 中较小的一个)为偏振棱镜的有效孔径角。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。

14. ③ 消光比——指通过偏振器后两正交偏振光的强度比， 一般偏振棱镜的消光比为 10-5～10-4。 ④ 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。 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 104 W/cm2。

15. D B i  A C 格兰—傅科棱镜 为了提高偏振棱镜的抗损伤能力，可以把格兰—汤普森棱镜的胶合层改为空气层，制成格兰—傅科(Foucault)棱镜。这种棱镜的底角  应满足:

16. 2. 偏振片 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，都采用偏振片产生线偏振光。 1) 散射型偏振片 2) 二向色性偏振片

17. 1) 散射型偏振片 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(ZK2)夹着一层双折射性很强的硝酸钠(NaNO3)晶体。 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，进行退火处理后，即可截成所需要的尺寸。

18. 散射型偏振片

19. 2) 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。 所谓二向色性，就是有些晶体(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。 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。

20. 二向色型偏振片

21. 4.4.2 波片和补偿器 1. 波片 1) 全波片 2) 半波片 3) 1/4 波片 2. 补偿器

22. 1. 波片 ——对二垂直振动分量提供固定相位差的元件。通常是从单轴晶体上按一定方式切割的、有一定厚度的平行平面薄片。 x1 x3 d x2 光轴平行于晶片表面，设为x3方向。

23. 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：o光和 e光，其矢量分别平行于x1和x3方向，折射率分别为no和ne。它们通过厚度为d 的波片后，将产生一定的相位差 ：  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。

24. 一束线偏振光垂直射入波片，在入射表面上所产生的 o光和 e光分量同相位，振幅分别为Ao和Ae。该二光穿过波片射出时，附加了一个相位延迟差，因而其合成光矢量端点的轨迹方程为: 该式为一椭圆方程，说明输出光的偏振态发生了变化，为椭圆偏振光。 在光电子技术中，经常应用的是全波片、半波片和1/4 波片。

25. 1) 全波片 全波片的附加相位延迟差为: 所以 即： 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。

26. 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。 由 得 全波片的厚度：

27. 2) 半波片 半波片的附加相位延迟差为： 由此得： 即 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 2 角，当=45时，振动面转过 90 。

28. 半波片的厚度 ：

29. 3) 1/4 波片 1/4 波片的附加相位延迟差为: m=0, ±1, ±2, … 当 =45 时，Ae=Ao=A/ ，出射光为一圆偏振光： 由此得： 该式是标准椭圆方程，长、短半轴长分别为Ae和Ao。这说明线偏振光通过1/4 波片后，出射光将变为长、短半轴等于Ae、Ao的椭圆偏振光。

30. 1/4 波片的厚度：

31. 在使用波片时，有两个问题必须注意：  ① 波长问题 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 0.6328 m的光波长就不再是半波片；对于波长为 1.06m的 1/4 波片，对0.53m 来说恰好是半波片。 ② 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(即两个主轴方向)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叫快轴，与之垂直的主轴叫慢轴。

32. 2. 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，由两个方解石或石英劈组成，其光轴相互垂直。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 o光和 e光，且在上劈中的 o光(或 e光)，进入下劈时就成了 e光(或 o光)。 由于劈尖顶角很小( 约 2~3 )，在两个劈界面上，e光和 o光可认为不分离。

33. 在三束光A、M、B中，相应于通过两劈厚度相同处(d1=d2)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的相位差为零；相应于通过两劈厚度不相等处(d1>d2)的光线A和(d1<d2)光线B，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。在三束光A、M、B中，相应于通过两劈厚度相同处(d1=d2)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的相位差为零；相应于通过两劈厚度不相等处(d1>d2)的光线A和(d1<d2)光线B，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。 d1 d2 A M B 巴俾涅补偿器

34. 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，(d2d1)值随上劈移动而变化，值随之改变。因此调整(d2d1)值，便可得到任意的 值。 因为上劈中的e光在下劈中变为o光，它通过上、下劈的总光程为(ned1+nod2)；上劈中的o光在下劈中变为e光，它通过上、下劈的总光程为(nod1+ned2),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：

35. 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。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。 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索累(Soleil)补偿器可以弥补这个不足。 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行移动，从而改变光线通过两劈的总厚度d1。对于某个确定的d1，可以在相当宽的区域内获得相同的 值。

36. 作 业 7，10，11，12，13