《光学》课程教学电子教案 6.2 晶体光学器件(21P).ppt

§6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制主要内容主要内容1. 起偏与检偏器件起偏与检偏器件 2. 相位延迟器件相位延迟器件——波片波片 基于布儒斯特定律：基于布儒斯特定律：界面反射（偏振分光棱镜）、波片堆、布儒斯特窗界面反射（偏振分光棱镜）、波片堆、布儒斯特窗 基于晶体的双折射原理：基于晶体的双折射原理：双折射棱镜双折射棱镜 (1) 渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜 结构：结构：由由两块光轴平行于各自端面且相互正交的直角棱镜胶合两块光轴平行于各自端面且相互正交的直角棱镜胶合而成而成 用途：用途：可可获得两束彼此分开且偏振面正交的平面偏振光获得两束彼此分开且偏振面正交的平面偏振光 6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.1 起偏与检偏器件起偏与检偏器件常用材料：常用材料：两光束夹角：两光束夹角： (6.2-1) 方解石晶体（方解石晶体（no>ne）） 图图6.2-1 渥拉斯顿棱镜（负晶体）渥拉斯顿棱镜（负晶体）BCDage→oo→eAcc说明：说明：② ② 渥拉斯顿棱镜的推广形式：渥拉斯顿棱镜的推广形式：洛匈棱镜，玻璃洛匈棱镜，玻璃+方解石棱镜方解石棱镜6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.1 起偏与检偏器件起偏与检偏器件①① 若用石英晶体做棱镜，则若用石英晶体做棱镜，则no

合在一起 说说明明：：光光轴轴与与两两端端面面的的夹夹角角均均为为48o；；加加拿拿大大树树胶胶对对可可见见光光透透明明，，对对钠钠黄黄光光的的折折射射率率nD=，，就就o光光和和e光光而而言言，，加加拿拿大大树树胶胶相相对对于于晶晶体体分分别别为为疏疏介介质和密介质质和密介质（（no=> >nD> >ne=）） 6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.1 起偏与检偏器件起偏与检偏器件(2) 尼科耳棱镜尼科耳棱镜图图6.2-4 尼科耳棱镜（负晶体）尼科耳棱镜（负晶体）cD'48oA'BCD68oA71ocA'（（C））B（（D'））c② ② 工工作作原原理理：：自自然然光光沿沿晶晶体体长长棱棱方方向向（（A'C或或BD'））进进入入晶晶体体后后，，分分解解为为偏偏向向略略有有不不同同的的o光光和和e光光在在树树胶胶层层A'D'处处，，o光光的的入入射射角角（（io=76o））大大于于全全反反射射临临界界角角（（ioc=70o）），，经经树树胶胶层层全全部部反反射射至至被被涂涂黑黑的的棱棱镜镜侧侧壁壁；；e光光因因不不满满足足全全反反射射条条件件而而透透过过树树胶胶层层，，故故由由棱棱镜镜出出射射的的光光束束变变为为一一束束偏偏振振面面平平行行于于晶晶体体主主截截面和入射面的平面偏振光面和入射面的平面偏振光。

6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.1 起偏与检偏器件起偏与检偏器件结论：结论：与玻片堆类似，尼科耳棱镜可以用作起偏和检偏器与玻片堆类似，尼科耳棱镜可以用作起偏和检偏器 尼科耳棱镜分光原理尼科耳棱镜分光原理cD'oA'BCeCD'c说说明明：：平平面面偏偏振振光光进进入入尼尼科科耳耳棱棱镜镜时时，，若若偏偏振振面面平平行行（（垂垂直直））于于晶晶体体的的主主截截面面，，则则将将作作为为e（（o））光光全全部部透透过过（（损损耗耗掉掉））；；若若偏偏振振面面与与晶晶体体的的主主截截面面夹夹角角为为q q，，则则只只有有其其在在主主截截面面上上的的投投影影分分量量可可以以穿穿过过棱棱镜镜，，且且透射光强度大小由马吕斯定律确定透射光强度大小由马吕斯定律确定 ③ ③ 缺陷：缺陷：a. 入射光锥角不能太大，否则透射光的偏振度降低；入射光锥角不能太大，否则透射光的偏振度降低；6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.1 起偏与检偏器件起偏与检偏器件b. 加拿大树胶对紫外光不透明，不能用于紫外光；加拿大树胶对紫外光不透明，不能用于紫外光；c. 透射光相对入射光产生平移，同轴性不好。

透射光相对入射光产生平移，同轴性不好 格兰棱镜：格兰棱镜：尼科耳棱镜的一种改进形式，由尼科耳棱镜的一种改进形式，由两块直角棱镜胶合两块直角棱镜胶合而成 格格兰兰- -傅傅科科棱棱镜镜：：两两直直角角棱棱镜镜的的光光轴轴均均平平行行于于棱棱镜镜端端面面，，同同时时平平行行（（或或垂垂直直））于于入入射射面面，，两两棱棱镜镜斜斜边边之之间间以以空空气气间间隔隔代代替替加加拿拿大大树树胶胶，，棱棱镜镜角角大大于于o光光（（但但小小于于e光光））临临界界角角（（a a=o，，ico=o，，ice=o）），，既既可可使使紫紫外外光光透透过过（（透透光光波波段段230nm～～5000nm）），，又又可可使使o光光和和e光光的的临临界界角角减减小小，，从从而而使使棱棱镜的长宽比减小镜的长宽比减小 6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.1 起偏与检偏器件起偏与检偏器件(3) 格兰棱镜格兰棱镜图图6.2-5格兰格兰-傅科棱镜（负晶体）傅科棱镜（负晶体）吸光涂层吸光涂层cc38.5o38.5o(a)吸光涂层吸光涂层38.5oc38.5o(b)c两两个个直直角角棱棱镜镜的的光光轴轴同同时时平平行行于于棱棱镜镜端端面面和和入入射射面面，，两两棱棱镜镜的的斜斜边边之之间间以以亚亚麻麻油油代代替替加加拿拿大大树树胶胶，，棱棱镜镜角角大大于于o光光（（但但小小于于e光光））临临界界角角，，故故出出射射光光仍仍然然是是偏偏振振面面平平行行于于入入射射面面和和晶晶体体主主截截面面的的平平面面偏偏振振光光，，并并且且出出射射光光束束相相对对入入射射光光束束不不产产生生横横向向平平移移。

此此外外，，可可以以根根据据对对入入射射光光束束孔孔径角的不同需要而取不同长宽比径角的不同需要而取不同长宽比 图图6.1-6 格兰格兰- -汤汤普森普森棱镜（负晶体）棱镜（负晶体）occe6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.1 起偏与检偏器件起偏与检偏器件格兰格兰- -汤普森棱镜：汤普森棱镜：晶晶体体的的二二向向色色性性：：某某些些单单轴轴晶晶体体（（电电气气石石、、硫硫酸酸碘碘奎奎宁宁等等））对对o光光和和e光光强强烈烈的选择吸收特性的选择吸收特性 二二向向色色性性偏偏振振片片：：根根据据晶晶体体二二向向色色性性原原理理制制成成的的偏偏振振片片能能够够将将入入射射光光中中的的o光光分分量量全全部部吸吸收收，，而而e光光分分量量全全部部透透过过，，从从而而使使透透射射光变为偏振面平行于晶体光轴的平面偏振光光变为偏振面平行于晶体光轴的平面偏振光 单晶体二向色性偏振片：单晶体二向色性偏振片：平行于光轴切割并加工成表面平行的电气石晶片平行于光轴切割并加工成表面平行的电气石晶片 人造偏振片：人造偏振片：如如H偏振片，一种经偏振片，一种经加热、拉伸、浸碘处理的聚乙烯醇薄膜加热、拉伸、浸碘处理的聚乙烯醇薄膜。

优点：优点：面积可以做得很大，有效孔径几乎达面积可以做得很大，有效孔径几乎达180o，且工艺简单，成本低廉且工艺简单，成本低廉缺点：缺点：对黄色自然光的透过率低，约为对黄色自然光的透过率低，约为30%，因而略带墨绿色因而略带墨绿色6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.1 起偏与检偏器件起偏与检偏器件(4) 二向色性偏振片二向色性偏振片结结构构原原理理：：类类似似于于导导电电线线栅栅原原理理，，用用拉拉直直的的细细导导线线做做成成密密排排线线栅栅（（金金质质线线栅栅，，d=5.08×10-4mm）），，当当入入射射自自然然光光的的波波长长远远大大于于栅栅距距时时，，其其振振动动方方向向平平行行于于栅栅线线的的偏偏振振分分量量几几乎乎被被栅栅线线全全部部反反射射，，而而振振动方向垂直于栅线的偏振分量几乎全部通过动方向垂直于栅线的偏振分量几乎全部通过6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.1 起偏与检偏器件起偏与检偏器件(5) 线栅偏振器线栅偏振器线栅偏振器线栅偏振器特特点点：：工工作作波波段段很很宽宽，，几几乎乎在在全全波波段段内内都都具具有有良良好好的的起起偏偏性性能能，，且且抗抗光光损损伤阈值高，是中远红外波段较理想的偏振器。

伤阈值高，是中远红外波段较理想的偏振器结结构构：：两两片片具具有有特特定定折折射射率率的的光光学学玻玻璃璃与与具具有有高高双双折折射射的的晶晶体体构构成成的的三三明明治结构治结构 工工艺艺：：将将两两片片ZK2（（重重冕冕））玻玻璃璃的的一一面面磨磨毛毛，，并并将将其其毛毛面面相相对对平平行行放放置置，，其其间间很很小小的的缝缝隙隙中中灌灌满满硝硝酸酸钠钠（（NaNO3））溶溶液液，，并并将将空空气气挤挤出出从从底底部部向向上上缓缓慢慢冷冷却却以以使使溶溶液液形形成成硝硝酸酸钠钠单单晶晶，，且且其其光光轴轴沿沿冷冷却却方方向向退火处理后，即成为散射型偏振片退火处理后，即成为散射型偏振片6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.1 起偏与检偏器件起偏与检偏器件(6) 散射型偏振片散射型偏振片散射型偏振片散射型偏振片ZK2NaNO3光轴光轴原原理理：：硝硝酸酸钠钠晶晶体体对对黄黄绿绿光光的的主主折折射射率率为为no=，，ne=；；ZK2玻玻璃璃对对黄黄绿绿光光的的折折射射率率为为n=，，非非常常接接近近no，，但但与与ne相相差差较较大大故故o光光将将无无障障碍碍地地通通过过，，e光光因因界界面面的的强强烈烈散散射射而而无无法法通过。

通过优点：优点：对可见光范围的各种色光具有近乎相同的透过率，且面积可以较大对可见光范围的各种色光具有近乎相同的透过率，且面积可以较大(1) 单轴晶体中单轴晶体中o光与光与e光的相位差光的相位差 单轴晶片：单轴晶片：单轴晶体平行于光轴切割并加工而成的一块表面平行的薄晶片单轴晶体平行于光轴切割并加工而成的一块表面平行的薄晶片 设设晶晶片片的的光光轴轴c沿沿表表面面竖竖直直方方向向，，则则进进入入晶晶体体的的o（（e ））光光分分量量的的振振动动方方向向垂垂直直于于（（平平行行于于））光光轴轴————沿沿水水平平方方向向（（竖竖直直方方向向））两两个个偏偏振振分分量量同向传播，在空间上不分开，但相位延迟不同同向传播，在空间上不分开，但相位延迟不同图图6.2-7 平面偏振光在单轴晶体表面的分解平面偏振光在单轴晶体表面的分解AcAoAeq qzc平面偏振光在单轴晶片表面的分解：平面偏振光在单轴晶片表面的分解：6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.2 相位延迟器件相位延迟器件————波片波片(6.2-2) o光和光和e光的振幅：光的振幅： o光和光和e光在距离晶片前表面为光在距离晶片前表面为z处的相位差：处的相位差： (6.2-3) 对于厚度为对于厚度为d的晶片，两偏振分量在出射时的相位差：的晶片，两偏振分量在出射时的相位差： (6.2-4) 结结论论：：平平面面偏偏振振光光垂垂直直进进入入光光轴轴平平行行于于表表面面的的单单轴轴晶晶片片后后，，分分解解为为传传播播方方向向相相同同但但偏偏振振面面分分别别平平行行和和垂垂直直于于光光轴轴的的两两个个偏偏振振分分量量，，两两偏偏振振分分量量的的振振幅幅比比取取决决于于入入射射光光偏偏振振面面与与晶晶片片光光轴轴的的夹夹角角q q。

由由于于传传播播速速度度不不同同，，两两偏偏振振分分量量在在晶晶体体中中同同一一点点具具有有不不同同的的相相位位延延迟迟，，其其相相位位差差取取决决于于入入射射光光波波长长l l、、晶晶体体对对两两偏偏振振分分量量的的折折射射率率no和和ne，，以以及及光光波波在晶体中的传播距离在晶体中的传播距离z或晶片的厚度或晶片的厚度d 6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.2 相位延迟器件相位延迟器件——波片波片快轴：快轴：晶片中晶片中与传播速度较快的光振动分量的偏振面平行的方向与传播速度较快的光振动分量的偏振面平行的方向 慢轴：慢轴：晶片中晶片中与传播速度较慢的光振动分量的偏振面平行的方向与传播速度较慢的光振动分量的偏振面平行的方向 快慢轴的正方向：快慢轴的正方向：按右手螺旋法则确定按右手螺旋法则确定 说说明明：：正正单单轴轴晶晶片片的的快快轴轴垂垂直直于于光光轴轴或或平平行行于于o o光光偏偏振振面面，，慢慢轴轴平平行行于于光光轴轴或或e e光偏振面；光偏振面；负单轴晶片负单轴晶片的的快慢轴与快慢轴与正单轴晶片正单轴晶片相反相反 6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.2 相位延迟器件相位延迟器件——波片波片(2) 单轴晶片的快慢轴单轴晶片的快慢轴光线光线光轴光轴快（慢）轴快（慢）轴慢（快）轴慢（快）轴光线光线光轴光轴/慢轴慢轴快轴快轴正正晶晶体体光线光线光轴光轴/快轴快轴慢轴慢轴负负晶晶体体定义：定义：厚度正比于四分之一波长奇数倍的平行平面单轴晶片厚度正比于四分之一波长奇数倍的平行平面单轴晶片，即，即 (6.2-5) 透过透过l l/4片的片的o光和光和e光的相位差：光的相位差： 最小厚度：最小厚度： 最小相位差：最小相位差： (6.2-6) (6.2-7) (6.2-8) 特点：特点：能使透射的能使透射的o光和光和e光产生光产生p p/2或其奇数倍大小的相位差或其奇数倍大小的相位差 ，j=0, 1, 2, 3, ··· ，j=0, 1, 2, 3, ··· （正号对应负单轴晶体，负号对应正单轴晶体）（正号对应负单轴晶体，负号对应正单轴晶体）6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.2 相位延迟器件相位延迟器件——波片波片(3) 四分之一波片（四分之一波片（l l/4片）片） 定义：定义：厚度正比于二分之一波长奇数倍的平行平面单轴晶片厚度正比于二分之一波长奇数倍的平行平面单轴晶片，即，即 (6.2-10) 透过透过l l/2片的片的o光和光和e光的相位差：光的相位差： 最小厚度：最小厚度： 最小相位差：最小相位差： (6.2-9) 特点：特点：能使透射的能使透射的o光和光和e光产生光产生p p 或其奇数倍大小的相位差或其奇数倍大小的相位差 (6.2-11) (6.2-12) （正号对应负单轴晶体，负号对应正单轴晶体）（正号对应负单轴晶体，负号对应正单轴晶体）6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.2 相位延迟器件相位延迟器件——波片波片(4) 二分之一波片（二分之一波片（l l/2片）片），j=0, 1, 2, 3, ···，j=0, 1, 2, 3, ···定义：定义：厚度正比于波长整数倍的平行平面单轴晶片厚度正比于波长整数倍的平行平面单轴晶片，即，即 (6.2-14) 透过透过1l l片的片的o光和光和o光的相位差：光的相位差： 最小厚度：最小厚度： 最小相位差：最小相位差： (6.2-13) 特点：特点：能使透射的能使透射的o光和光和e光产生光产生2p p或其整数数倍大小的相位差或其整数数倍大小的相位差 (6.2-15) (6.2-16) （正号对应负单轴晶体，负号对应正单轴晶体）（正号对应负单轴晶体，负号对应正单轴晶体）6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.2 相位延迟器件相位延迟器件——波片波片(5) 全波片（全波片（1l l片）片），j=0, 1, 2, 3, ···，j=0, 1, 2, 3, ···v 两块两块l l/4片平行叠置片平行叠置（快慢轴分别平行（快慢轴分别平行））时，其作用等效于一块时，其作用等效于一块l l/2片；片；v 两块两块l l/ /2片平行叠置片平行叠置（快慢轴分别平行）（快慢轴分别平行）时，其作用等效于一块时，其作用等效于一块1l l片；片；v 两两块块l l/4片片或或l l/2片片正正交交叠叠置置（（第第一一块块晶晶片片的的快快轴轴和和慢慢轴轴分分别别与与第第二二块块晶晶片的慢轴和快轴平行）片的慢轴和快轴平行）时，其作用等效于一块平行平面的玻璃板时，其作用等效于一块平行平面的玻璃板。

说说 明明6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.2 相位延迟器件相位延迟器件——波片波片l l/4l l/4l l/2（平行叠置）（平行叠置）平板玻璃（正交平板玻璃（正交叠置叠置））l l/2l l/21l l（平行叠置）（平行叠置）平板玻璃（正交平板玻璃（正交叠置叠置））定义：定义：能够使透射的两个正交平面偏振光分量的相位差任意改变能够使透射的两个正交平面偏振光分量的相位差任意改变的晶片的晶片 巴巴俾俾涅涅补补偿偿器器：：由由两两块块光光轴轴正正交交的的直直角角石石英英棱棱镜镜叠叠置置而而成成，，用用于于细细光光束束的的相位补偿调节相位补偿调节 索索累累补补偿偿器器：：由由两两块块光光轴轴平平行行的的石石英英直直角角楔楔与与一一块块光光轴轴正正交交的的平平行行平平面面石石英晶片叠置而成英晶片叠置而成，可用于宽光束的相位补偿可用于宽光束的相位补偿 6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制6.2.2 相位延迟器件相位延迟器件——波片波片(6) 任意波片任意波片————相位补偿器相位补偿器图图6.2-8 巴俾涅补偿器巴俾涅补偿器cc图图6.2-9 索累补偿器索累补偿器ccc本节重点本节重点6.2 晶体光学器件晶体光学器件6 光的双折射与光调制光的双折射与光调制1. 渥拉斯顿棱镜的结构及分光特点渥拉斯顿棱镜的结构及分光特点 2. 尼科耳棱镜的结构特点及应用尼科耳棱镜的结构特点及应用 3. 二向色性偏振片的工作原理及应用二向色性偏振片的工作原理及应用 4. 四分之一波片与二分之一波片的结构特点四分之一波片与二分之一波片的结构特点 5. 巴毕涅补偿器与索累补偿器的结构特点及应用巴毕涅补偿器与索累补偿器的结构特点及应用 。