《物理光學(xué)》電子課件4-03

1、4.4 晶體光學(xué)元器件4.4.1 4.4.1 偏振器偏振器4.4.2 4.4.2 波片和補償器波片和補償器 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.偏振棱鏡偏振棱鏡3.3.偏振片偏振片1.1.偏振器概述偏振器概述 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。通常將能夠產(chǎn)生線偏振光的元件叫做偏振器。通常將能夠產(chǎn)生線偏振光的元件叫做偏

2、振器。 根據(jù)偏振器的工作原理不同，可以分為雙折射型、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，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在光電子技術(shù)中，廣泛地采用雙折射型偏振器。振器。 由晶體雙折射特性的討論已知，一塊晶體本身就是一個由晶體雙折射特性的討論已知，一塊晶體本身就是一個偏振器，從晶體中射出的兩束光都是線偏振光。但是，由于偏振器，從晶體中射出的兩束光都是線偏振光。但是，

3、由于由晶體射出的兩束光通?？康煤芙?，不便于分離應(yīng)用，所以由晶體射出的兩束光通?？康煤芙?，不便于分離應(yīng)用，所以實際的雙折射偏振器，或者是利用兩束偏振光折射的差別，實際的雙折射偏振器，或者是利用兩束偏振光折射的差別，使其中一束在偏振器內(nèi)發(fā)生全反射使其中一束在偏振器內(nèi)發(fā)生全反射( (或散射或散射) )，而讓另一束光，而讓另一束光順利通過；或者利用某些各向異性介質(zhì)的二向色性，吸收掉順利通過；或者利用某些各向異性介質(zhì)的二向色性，吸收掉一束線偏振光，而使另一束線偏振光順利通過。一束線偏振光，而使另一束線偏振光順利通過。2. 2. 偏振棱鏡偏振棱鏡1).1).格蘭格蘭湯普森湯普森(Glan-Thompson

4、)(Glan-Thompson)棱鏡棱鏡2).2).渥拉斯頓渥拉斯頓(Wollaston)(Wollaston)棱鏡棱鏡3).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(2).(2).孔徑角孔徑角(3).(3).消光比消光比(4).(4).抗損傷能力抗損傷能力 偏振棱鏡是利用晶體的雙折射特性制成的偏振器，它通偏振棱鏡是利用晶體的雙折射特性制成的偏振器，它通常是由兩塊晶體按一定的取向組合而成的。常是由兩塊晶體按一定的取向組合而成的。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

5、改進而棱鏡改進而成的。如圖所示，它由兩塊方解石直角棱鏡沿斜面相對膠合成的。如圖所示，它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，并且或者與制成，兩塊晶體的光軸與通光的直角面平行，并且或者與AB棱平行，棱平行， 或者與或者與AB棱垂直。棱垂直。圖圖 格蘭格蘭湯普森棱鏡湯普森棱鏡(a) (a) 立體圖；立體圖； (b) (b) 頂視圖頂視圖 DCABDBAC i 格蘭格蘭湯普森棱鏡輸出偏振光的原理如下：當(dāng)一束自湯普森棱鏡輸出偏振光的原理如下：當(dāng)一束自然光垂直射入棱鏡時，然光垂直射入棱鏡時，o光和光和e光均無偏折地射向膠合面，在光均無偏折地射向膠合面，在BC面上面上,

6、 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介于介于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(fù)單軸晶體，因為方解石是負(fù)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。通常將這種偏振分光棱鏡叫作單像偏光棱鏡。偏振分量。通常將這種偏振分光棱鏡叫作單像偏光棱鏡。圖圖 改進型格蘭改進型格蘭湯普森棱鏡湯普森棱鏡 AC iEDB反射到AC面的o光，有可能反回到BC

7、面，由于入射角小于臨界角而混入到出射光中，從而降低出射光的偏振度，可改進如下：2).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雙像棱鏡。它的結(jié)構(gòu)如圖所示，是由光出射兩束線偏振光的雙像棱鏡。它的結(jié)構(gòu)如圖所示，是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的，一軸互相垂直的兩塊直角棱鏡沿斜面用膠合劑膠合而成的，一般都是由方解石或石英等透明單軸晶體制作。般都是由方解石或石英等透明單軸晶體制作。 DCBA渥拉斯頓棱鏡渥拉斯頓棱鏡 正入射的平行光束在第一塊棱鏡內(nèi)垂直光軸傳播，正入

8、射的平行光束在第一塊棱鏡內(nèi)垂直光軸傳播，o光和光和e光以不同的相速度同向傳播。它們進入第二塊光以不同的相速度同向傳播。它們進入第二塊棱鏡時，因光軸方向旋轉(zhuǎn)棱鏡時，因光軸方向旋轉(zhuǎn)90，使得第一塊棱鏡中，使得第一塊棱鏡中的的o光變?yōu)榈诙K棱鏡中光變?yōu)榈诙K棱鏡中e光，且由于方解石為負(fù)單光，且由于方解石為負(fù)單軸晶體軸晶體(ned2)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，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?；ゴ怪钡膬墒忾g，有一定的相位差。 因為上劈中的因為上劈中的e光在下劈中變?yōu)楣庠谙屡凶優(yōu)閛光，它通過上、下劈的總光，它通過上、下劈的總光程為光程

9、為(ned1+nod2)；上劈中的；上劈中的o光在下劈中變?yōu)楣庠谙屡凶優(yōu)閑光，它通過光，它通過上、下劈的總光程為上、下劈的總光程為(nod1+ned2),所以，從補償器出來時，這所以，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：兩束振動方向相互垂直的線偏振光間的相位差為：圖圖 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，值也就不同?；蛘?，當(dāng)上劈沿圖中所示箭頭方向移值不同，值也就不同?；蛘?，當(dāng)上劈沿圖中所示箭頭方向移動時，對于同一條入射光線，動時，對于同一條入射光線，(

10、d2-d1)值也隨上劈移動而變化，值也隨上劈移動而變化，故故 值也隨之改變。因此，調(diào)整值也隨之改變。因此，調(diào)整(d2-d1)值，便可得到任意的值，便可得到任意的 值。值。)(2)()(212eo2e1o2o1eddnndndndndn 巴俾涅補償器的缺點是必須使用極細(xì)的入射光束，因為巴俾涅補償器的缺點是必須使用極細(xì)的入射光束，因為寬光束的不同部分會產(chǎn)生不同的相位差。采用圖寬光束的不同部分會產(chǎn)生不同的相位差。采用圖4-48 所示所示的索累的索累(Soleil)補償器可以彌補這個不足。這種補償器是由補償器可以彌補這個不足。這種補償器是由兩個光軸平行的石英劈和一個石英平行平面薄板組成的。石兩個光軸平行的石英劈和一個石英平行平面薄板組成的。石英板的光軸與兩劈的光軸垂直。上劈可由微調(diào)螺絲使之平英板的光軸與兩劈的光軸垂直。上劈可由微調(diào)螺絲使之平行移動，從而改變光線通過兩劈的總厚度行移動，從而改變光線通過兩劈的總厚度d1。對于某個確定。對于某個確定的的d1，可以在相當(dāng)寬的區(qū)域內(nèi)，可以在相當(dāng)寬的區(qū)域內(nèi)(如圖如圖4-48 中的中的AB寬度內(nèi)寬度內(nèi))獲獲得相同的得相同的 值。值。 圖圖 4-48 4-48 索累補償器索累補償器 顯然，利用上述補償器可