《晶体光学元器》PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4.4,晶体光学元器件,4.4.1,偏振器,4.4.2,波片和补偿器,4.4.1,偏振器,1.,偏振棱镜,2.,偏振片,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。,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,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。,(a),立体图,D,C,A,B,D,B,A,C,i,(b),顶视图,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,n,o,和,n,e,之间，并且尽量和,n,e,接近。,因为方解石是负单轴晶体，,n,e,arcsin(,n/n,o,),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,。,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。,D,B,A,C,i,改进型格兰,汤普森棱镜,A,C,i,E,D,B,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。,D,C,B,A,对于负单轴晶体，分开的角度近似为：,2arcsin(,n,o,n,e,)tan,对于方解石棱镜，,角一般为,10,40,。例如，当,=45,时，,20,40,。,3),偏振棱镜的特性参量,通光面积,孔径角,消光比,抗损伤能力,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,。,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。,孔径角的限制,A,D,C,B,2,1,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。,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。,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,。,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/cm,2,，对于脉冲激光抗损伤能力约为,10,4,W/cm,2,。,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,:,格兰,傅科棱镜,A,D,C,B,i,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,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,(ZK,2,),夹着一层双折射性很强的硝酸钠,(NaNO,3,),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。,散射型偏振片,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。,二向色型偏振片,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,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。,x,1,d,x,3,x,2,光轴平行于晶片表面，设为,x,3,方向。,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。,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,x,1,和,x,3,方向，折射率分别为,n,o,和,n,e,。它们通过厚度为,d,的波片后，将产生一定的相位差,：,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,A,o,和,A,e,。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,。,1),全波片,全波片的附加相位延迟差为,:,即：,所以,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。,将全波片放入光路中，不改变光路的偏振状态。,全波片的厚度：,由,得,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,。,半波片的厚度：,3)1/4,波片,1/4,波片的附加相位延迟差为,:,由此得：,m,=0,1,2,该式是标准椭圆方程，长、短半轴长分别为,A,e,和,A,o,。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,A,e,、,A,o,的椭圆偏振光。,当,=45,时，,A,e,=,A,o,=,A,/,，出射光为一圆偏振光：,1/4,波片的厚度：,在使用波片时，有两个问题必须注意：,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。,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。,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,23,),，在两个劈界面上，,e,光和,o,光可认为不分离。,在三束光,A,、,M,、,B,中，相应于通过两劈厚度相同处,(,d,1,=,d,2,),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,(,d,1,d,2,),的光线,A,和,(,d,1,d,2,),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。,巴俾涅补偿器,d,1,d,2,A M B,当入射光从补偿器上方不同位置射入时，相应的,(,d,2,d,1,),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，,(,d,2,d,1,),值随上劈移动而变化，,值随之改变。因此调整,(,d,2,d,1,),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,(,n,e,d,1,+,n,o,d,2,),；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,(,n,o,d,1,+,n,e,d,2,),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：,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,d,1,。对于某个确定的,d,1,，可以在相当宽的区域内获得相同的,值。,作 业,7,，,10,，,11,，,12,，,13,