第五章偏振2課件

一.晶體偏振器利用單軸晶體中o光和e光傳播情況的不同，可以做成晶體偏振器件，使o光、e光分開(kāi)而產(chǎn)生線(xiàn)偏振光。5.6偏振器件這種器件可分為兩類(lèi)：

一類(lèi)是只讓o光、e光中的一束通過(guò)，得到單束線(xiàn)偏振光，如格蘭棱鏡、尼科耳棱鏡等。

另一類(lèi)是偏振分束器，得到振動(dòng)方向互相垂直的兩束分離的線(xiàn)偏振光，如渥拉斯頓棱鏡、洛匈棱鏡等。1.尼科耳棱鏡

(Nicol

)優(yōu)質(zhì)方解石晶體，長(zhǎng)度約為寬度的3倍，剖開(kāi)、磨平拋光，兩塊用加拿大樹(shù)膠粘合起來(lái)。加拿大樹(shù)膠是一種折射率介于方解石的no和ne之間的透明物質(zhì)。缺點(diǎn)：入射光線(xiàn)上、下方的極限角為14°，入射光與透射光不在一條直線(xiàn)上。2.格蘭棱鏡Glan-Thompson

:············光軸光軸方解石方解石加拿大樹(shù)膠

(n=1.55)oei吸收涂層(76°這樣安排光軸的取向使e光對(duì)應(yīng)的恰好是

ne

。no(1.6584)＞n(1.55)＞

ne(1.4864)o光在粘合處發(fā)生全反射，透射的是極純的線(xiàn)偏振光。(鈉黃光)格蘭—湯普森棱鏡主要特性參數(shù)：通光面積、孔徑角、消光比、抗損傷能力.格蘭-傅科(Glan-Foucault)棱鏡:空氣間隔，較短。(=38.5°)優(yōu)、缺點(diǎn):格蘭—湯普森棱鏡的有效張角約為30°，格蘭-傅科棱鏡的有效張角約為15°。

在格蘭—湯普森棱鏡中加拿大樹(shù)膠強(qiáng)烈吸收紫外光，限制了使用光譜范圍（可以換用紫外區(qū)透明的粘合物）。另外，界面膠不能承受高的功率（連續(xù)照射時(shí)上限1W/cm2）。

格蘭-傅科棱鏡有很寬的使用光譜范圍，方解石的透明區(qū)從紅外的5000nm直到紫外的230nm；另外還有能承受較高功率的優(yōu)點(diǎn)（連續(xù)照射時(shí)上限100W/cm2

），使用激光束時(shí)這是很重要的。3.偏振分束鏡:·12方解石方解石·······oe光軸光軸·

自然光垂直入射，在第一塊直角棱鏡中o光（圓點(diǎn)）、e光（短線(xiàn)）傳播方向不變，但速度不同，它們進(jìn)入第二塊直角棱鏡后，由于光軸沃拉斯頓(Wollaston)棱鏡相對(duì)于第一塊的光軸轉(zhuǎn)了90°

，原o光成了e光，它是由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)（方解石ne

<no），因而遠(yuǎn)離法線(xiàn)而傳播。同理，從第一塊進(jìn)入第二塊，原e光變成o光，傳播方向靠近法線(xiàn)。于是在第二塊內(nèi)兩光分開(kāi)。進(jìn)入空氣后，它們因折射進(jìn)一步分開(kāi)，成為兩束線(xiàn)偏振光，二者振動(dòng)方向互相垂直。二.晶體相移器件Retarders1.波晶片─相位延遲片Waveplates波晶片是光軸平行于表面的晶體薄片。ydxAAoAe線(xiàn)偏振光光軸λ

通過(guò)厚為d的晶片，o、e光產(chǎn)生相位差：AAoAe光軸P

振幅關(guān)系：設(shè)線(xiàn)偏振光入射，真空中的波長(zhǎng)從晶片出射的是兩束傳播方向相同、振動(dòng)方向相互垂直、頻率相等、相位差為的線(xiàn)偏振光，它們合成為一束橢圓偏振光。時(shí)為圓偏振光。且設(shè)在入射面上分解的兩種線(xiàn)偏振光的瞬時(shí)光矢量大小可表示為：

在后表面上的出射光應(yīng)表示為：，線(xiàn)偏振光→圓偏振光，線(xiàn)偏振光→線(xiàn)偏振光從線(xiàn)偏振光獲得橢圓或圓偏振光（或相反）

四分之一波片(4片)Thequarter-waveplate，線(xiàn)偏振光→橢圓偏振光通過(guò)4片：在出射光中，兩種線(xiàn)偏振光的相位差為：dnneoxy)(20-+=-=lpjjjjD圓起偏器原理左旋右旋快軸慢軸橢圓起偏器原理z

二分之一波片Ahalf-waveplate半波片的作用是旋轉(zhuǎn)它的偏振面的方向，旋轉(zhuǎn)角度為2，為波片的快軸方向與入射光振動(dòng)方向之間的夾角。Ahalf-waveplate

全波片Thefull-waveplate2.通過(guò)波晶片后的光強(qiáng)總光強(qiáng)3.

補(bǔ)償器

─可變相位延遲器Compensators定義：能夠使透過(guò)的o光和e光的相位差任意改變的晶片

巴俾涅補(bǔ)償器：由兩塊光軸正交的直角石英棱鏡迭置而成，用于細(xì)光束的相位補(bǔ)償調(diào)節(jié)。

第一劈內(nèi)的o光進(jìn)入第二劈內(nèi)變?yōu)閑光，光程：同樣地，e光，兩者的相位差：三.橢圓偏振光和圓偏振光的檢偏用

4片和偏振片P配合，可以區(qū)分自然光和圓偏振光，也可區(qū)分部分偏振光和橢圓偏振光。索列爾補(bǔ)償器：由兩塊光軸平行的石英直角劈楔與一塊光軸正交的平行平面石英晶片迭置而成，可用于寬光束的相位補(bǔ)償。

兩者的相位差：四分之一波片圓偏振光自然光自然光線(xiàn)偏振光偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）線(xiàn)偏振光

I不變線(xiàn)偏振光I變,有消光以入射光方向?yàn)檩S四分之一波片橢圓偏振光部分偏振光線(xiàn)偏振光偏振片（轉(zhuǎn)動(dòng)）線(xiàn)偏振光I變,有消光部分偏振光光軸平行于最大光強(qiáng)或最小光強(qiáng)方向放置，或光軸平行于橢圓偏振光的長(zhǎng)軸或短軸放置線(xiàn)偏振光I變,無(wú)消光例1.已知方解石晶體的o光和e光的折射率分別為n0=1.658，n0=1.486;今將該晶體做成波晶片，使光軸與晶面平行，用波長(zhǎng)為l=589.3nm的單色偏振光入射，光的振動(dòng)方向與光軸成a=45°角，若使出射光是圓偏振光，問(wèn)這晶片的最小厚度是多少？解：要使透過(guò)波晶片的光是圓偏振光，除滿(mǎn)足題中給的條件a=45°，使Ao=Ae外，還要求晶片有特定的厚度d，從而使o光和e光的周期相差為p/2，光程差為

l/4，既對(duì)波長(zhǎng)為

l=589.3nm的光而言是四分之一波片則晶片的最小厚度為：例2.ABCD為一塊方解石的一個(gè)截面，AB為垂直于紙面的晶體平面與紙面的交線(xiàn).光軸方向在紙面內(nèi)且與AB成一銳角q,如圖所示.

一束平行的單色自然光垂直與AB端面入射.

在方解石內(nèi)折射分解為o光和e光,o光和e光的:(A)傳播方向相同,

光矢量的振動(dòng)方向互相垂直.(B)傳播方向相同,

光矢量的振動(dòng)方向不互相垂直(C)傳播方向不相同,

光矢量的振動(dòng)方向互相垂直(D)傳播方向不相同,

光矢量的振動(dòng)方向不互相垂直[C]例3.兩偏振片堆疊在一起，一束自然光垂直入射其上時(shí)沒(méi)有光線(xiàn)透過(guò)。當(dāng)其中一偏振片慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)180

時(shí)透射光強(qiáng)度發(fā)生的變化為:[B]（A）光強(qiáng)單調(diào)增加；（B）光強(qiáng)先增加，后又減小至零；（C）光強(qiáng)先增加，后減小，再增加；（D）光強(qiáng)先增加，然后減小，再增加再減小至零。例4.自然光以60的入射角照射到某一透明介質(zhì)表面時(shí)，反射光為線(xiàn)偏振光，則：[B]（A）折射光為線(xiàn)偏振光30

；（B）折射光為部分偏振光，折射角為30

；（C）折射光為線(xiàn)偏振光，折射角不能確定；（D）折射光為部分偏振光，折射角不能確定；例5.波長(zhǎng)l=589.3nm的一束左旋圓偏振光垂直入射到5.141×10-4

cm厚的方解石波片上，試問(wèn)透射光束具有什么樣的偏振態(tài)？已知no=1.65836；ne=1.48641。解:左旋圓偏振光電矢量的分量可以算得出射時(shí)e光和o光之間的相位差顯然該方解石波片是半波片，透射光的分量將是它表示的是右旋圓偏振光。由此可見(jiàn)，半波片使左旋圓偏振光變成了右旋圓偏振光。例6.線(xiàn)偏振光垂直入射到一塊光軸平行于表面的方解石晶片上，光的振動(dòng)面和晶片的主截面成30°。(1)試問(wèn)透射出來(lái)的兩束線(xiàn)偏振光的相對(duì)強(qiáng)度為多少？(2)用鈉光時(shí)，若要產(chǎn)生90°的相位差，晶片的厚度應(yīng)為多少？設(shè)波長(zhǎng)為589.3nm；no=1.658；ne=1.486。解(1)尋常光和非尋常光的振幅為它們的相對(duì)強(qiáng)度之比為(2)尋常光與非常光之間的相位差為令故（k=0,1,2,…）晶片的最小厚度為例7.在兩正交尼科耳棱鏡之間插入一方解石晶片，它的光軸與表面平行，并與尼科耳棱鏡的主截面成45°角。設(shè)光通過(guò)第一個(gè)尼科耳棱鏡后的振幅為1。求：(1)通過(guò)晶片時(shí)分解出來(lái)的o光和e光的振幅和強(qiáng)度；(2)這兩束光通過(guò)檢偏器后的振幅和強(qiáng)度。解(1)通過(guò)晶片時(shí)分解出來(lái)的o光和e光的振幅分別為故(2)通過(guò)檢偏器后的振幅和強(qiáng)度計(jì)算如下：故振幅為EllipticallypolarizedlightTheWollastonprism負(fù)晶體:

ne<no圓檢偏器原理保偏光纖，橢圓偏振光的分析技術(shù)例1.通過(guò)偏振片觀察部分偏振光時(shí)，當(dāng)偏振片繞入射光方向旋轉(zhuǎn)到某一位置上，透射光強(qiáng)為極大，然后再將偏振片旋轉(zhuǎn)30度，發(fā)現(xiàn)透射光強(qiáng)為極大值的4/5。試求該入射部分偏振光的偏振度P及該光內(nèi)自然光與線(xiàn)偏振光光強(qiáng)之比。解：設(shè)IL和In分別表示部分偏振光中的線(xiàn)偏振光強(qiáng)和自然光強(qiáng)。偏振片處于第一個(gè)位置時(shí)，透射光強(qiáng)為極大，應(yīng)等于（IL+In

/2）根據(jù)題意，偏振片處于第二個(gè)位置時(shí)，透射光強(qiáng)為因此所以最大光強(qiáng)為最小光強(qiáng)為入射部分偏振光的偏振度為：該光內(nèi)自然光與線(xiàn)偏振光光強(qiáng)之比：Rotationoftheelectricvectorinaright-circularwave.Notethattherotationrateisand普通光源原子發(fā)光的示意圖若使P2以光線(xiàn)為軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，q將連續(xù)地改變360°，光強(qiáng)就按上式做周期性的變化。當(dāng)q=0、180°時(shí)，光強(qiáng)為極大(2)由(1)得到的Imax可知，只有當(dāng)q=0或180°且a=0時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)的光強(qiáng)最大。當(dāng)q=90°、270°時(shí)，光強(qiáng)為零。此時(shí)因同時(shí)滿(mǎn)足了q=0（或180°）和a=0，所以通過(guò)系統(tǒng)的光強(qiáng)最大。1.應(yīng)先固定P1，再轉(zhuǎn)動(dòng)P2使透射光強(qiáng)達(dá)到最大值，表明已調(diào)到q=0或180°；2.再讓P1和P2同步旋轉(zhuǎn)，使透射光強(qiáng)再度達(dá)到最大值時(shí)，表明已調(diào)到a