西安電子科技大學(xué) 物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué) ppt 17

4.4晶體光學(xué)元器件4.4.1偏振器4.4.2波片和補(bǔ)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(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，大部分都是通過(guò)對(duì)入射光進(jìn)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(diǎn)，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。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)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(jìn)而成的。由兩塊方解石直角棱鏡沿斜面相對(duì)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。(a)立體圖DCABDBAC

i(b)頂視圖

當(dāng)一束自然光垂直射入棱鏡時(shí)，o光和e光均無(wú)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(shí)，選擇膠合劑(例如加拿大樹(shù)膠)的折射率n介于no和ne之間，并且盡量和ne接近。因?yàn)榉浇馐秦?fù)單軸晶體，ne<no，所以o光在膠合面上相當(dāng)于從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，當(dāng)i>arcsin(n/no)時(shí)，o光產(chǎn)生全反射，而e光照常通過(guò)，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(wèn)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。DBAC

i改進(jìn)型格蘭—湯普森棱鏡ACiEDB

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(shí)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。

DCBA

對(duì)于負(fù)單軸晶體，分開(kāi)的角度近似為：

2arcsin[(no

ne)tan

]

對(duì)于方解石棱鏡，

角一般為10

~40

。例如，當(dāng)

=45

時(shí)，

≈20

40

。3)偏振棱鏡的特性參量①通光面積②孔徑角③消光比④抗損傷能力①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5～20mm。

②孔徑角

對(duì)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。

孔徑角的限制A

DCB

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上面討論格蘭—湯普森棱鏡的工作原理時(shí)，假設(shè)入射光垂直入射。當(dāng)光斜入射時(shí)，若入射角過(guò)大，則對(duì)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(guò)棱鏡；對(duì)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(huì)聚角)過(guò)大的光路?；蛘哒f(shuō)，這種棱鏡對(duì)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2

m(

m是

和

中較小的一個(gè))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(guān)。③消光比——指通過(guò)偏振器后兩正交偏振光的強(qiáng)度比，一般偏振棱鏡的消光比為10-5～10-4。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(shí)，由于激光束功率密度極高，會(huì)損壞膠合層，因此偏振棱鏡對(duì)入射光能密度有限制。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于連續(xù)激光偏振棱鏡的抗損傷能力約為10W/cm2，對(duì)于脈沖激光抗損傷能力約為104W/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。這種棱鏡的底角

應(yīng)滿足:格蘭—傅科棱鏡A

DCBi2.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(jià)昂貴，所以在許多要求不高的場(chǎng)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(xué)玻璃(ZK2)夾著一層雙折射性很強(qiáng)的硝酸鈉(NaNO3)晶體。制作過(guò)程：把兩片光學(xué)玻璃的相對(duì)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(jìn)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(duì)傳輸光中兩個(gè)相互垂直的振動(dòng)分量具有選擇吸收的性能。例如電氣石對(duì)傳輸光中垂直光軸的尋常光矢量分量吸收很強(qiáng)烈，吸收量與晶體厚度成正比，而對(duì)非常光矢量分量只吸收某些波長(zhǎng)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(bǔ)償器1.波片

1)全波片

2)半波片

3)1/4波片2.補(bǔ)償器

1.波片——對(duì)二垂直振動(dòng)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。

x1dx3x2光軸平行于晶片表面，設(shè)為x3方向。

是光在真空中的波長(zhǎng)。入射的偏振光通過(guò)波片后，由于其二垂直分量之間附加了一個(gè)相位差，將會(huì)改變偏振狀態(tài)。

一束正入射的光波進(jìn)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(guò)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(guò)波片射出時(shí)，附加了一個(gè)相位延遲差

，因而其合成光矢量端點(diǎn)的軌跡方程為:該式為一橢圓方程，說(shuō)明輸出光的