现代光学课程讲义：第3章 光偏振技术基础.doc

第三章 光偏振技术基础随着激光器的出现和激光技术的发展，古老的光学获得新的生命，其应用范围日益扩大，有的已发展成高科技产业，有的则形成新型检测技术，例如：光纤通信、光大气通信、光盘存储、光全息技术、光弹技术、光散射技术、激光加工技术、光调制技术以及光传感技术等为了进一步发展和应用这些技术，经常需要处理光的偏振问题，因而已开始形成光学技术中新的分支：光偏振技术随着光纤技术、光调制技术、光检测技术以及光传感技术的发展和应用的日益广泛，例如：在晶体中如何处理多参量同时作用下的偏振光传输问题；晶体中线偏振光和圆偏振光、自然旋光和磁旋光的分离问题；如何处理单模光纤中圆偏振光和线偏振光的去耦合；如何处理光纤器件中偏振光传输、控制和检测；如何处理光散射的偏振；以及高速光通信中偏振模色散的检测和补偿等等一系列有关偏振的传输、分离、检测、控制和补偿问题，是光调制、光弹技术、光传感、光散射等技术中急需解决的基本问题1 偏振器 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我们将能够产生偏振光的装置，包括仪器、器件等，称为起偏器(Polarizer)。

用来检测偏振光及其偏振方向的装置，叫检偏器(Analyzer)当然，起偏器也可用来作检偏器，二者无实质性的差别，只是用途不同，完全可以互换 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其中反射型和散射型因其存在消光比差、抗损伤能力低等缺点，应用受到限制在光电子技术中，由于液晶技术的成熟，目前除了大量采用双折射型偏振器外，吸收型偏振器也已经得到广泛应用由晶体双折射特性的讨论已知，一块晶体本身就是一个偏振器，从晶体中射出的两束光都是线偏振光但是，由于从晶体中射出的两束光通常靠得很近，不便于分离应用所以，实际的偏振器，或者利用两束偏振光折射的差别，使其中一束在偏振器内发生全反射或散射，而让另一束光通过；或者利用某些各向异性介质的二向色性，吸收掉一束线偏振光，而使另一束线偏振光通过一 偏振棱镜偏振棱镜是利用晶体的双折射特性制成的偏振器，它通常是由两块晶体按一定的取向组合而成的利用晶体的双折射现象，可以制成各种偏振棱镜1 尼科耳(Nicol)棱镜尼科耳棱镜是一种常用的偏振棱镜，是由优质的方解石制成的，它能使双折射产生的 两束线偏振光的一束在粘合界面处发生全反射，偏折出棱镜；高纯度的另一束线偏振光几 乎无偏折地从棱镜穿出。

图3.1.1 尼科耳棱镜 (a)切开方解石的方位；(b)尼科耳棱镜的主截面 我们首先简单介绍主截面的基本概念在单轴晶体中，由光线与光轴组成的平面称为主平面；由光线与光轴组成的平面称为主平面一般主平面和主平面不是重合的但是，实验和理论证明，当入射光线在由光轴与晶体表面法线组成的平面内时，光线和光线都在这个平面内，这个平面也就是光和光共同组成的主平面这个由光轴和晶体表面法线组成的面称为晶体的主截面实际使用中，都有意选择入射面与主截面重合，以使所研究的双折射变得简单天然的方解石晶体的主截面总是与晶面相交成一个角度为和的平行四边形，如图3.1.1所示取长度约为宽度三倍的优质方解石晶体，将两端磨去约，使其主截面的锐角由变为，然后按照图3.1.1(a)所示，将晶体沿着垂直于主截面及两端面的平面切开，把切开的面磨成光学面，再用加拿大树胶粘合在一起，并将周围涂黑，就制成了尼科耳棱镜，如图3.1.1(b)所示加拿大树胶是一种各向同性的物质，它的折射率，比方解石寻常光的折射率小，但是比方解石非寻常光的折射率大例如，对于的钠黄光，方解石的折射率为，因此，光和光在胶合层反射的情 图3.1.2 光在胶合层面上的全反射况是不同的。

对于光，它从光密媒质入射到光疏媒质，有发生全反射的可能性；而光相当于从光疏媒质到光密媒质，不会发生全反射，可以透过胶合层从棱镜的另一端射出一般将光所到达的侧面涂黑，以吸收光这样，在面出射振动方向在主截面内的线偏振光（光）显然，所透出的偏振光的光矢量与入射面平行对于光，如图3.1.2所示，发生全反射的临界角为 （3.1.1）由此，可以得到，在界面上，光的最大折射角为 （3.1.2）因此，入射光从空气射向晶体的最大入射角为 （3.1.3）如果入射角大于，则光对界面的入射角将小于临界角这时，光将不发生全反射，将有部分光从树脂胶射出，而与光混合进入晶体 对于光，虽然其折射率是随光线方向改变（～），但在入射角不是很小时（基本垂直于光轴），其折射率，不发生全反射，可以透过胶合层从棱镜的另一端射出但光在界面上有反射，将与光混合，而射向面这也就是为什么不利用光全反射来产生线偏振光的原因当入射角比较小时，光光线偏离垂直于光轴的方向较大，光的折射率变大，有可能（当然），也有可能在界面上发生全反射，而不能够从面出射。

当光沿着棱镜的纵长方向入射时，入射角为（入射线为），光的折射角为，因此在胶合层的入射角约为，大于临界角，发生全反射，被棱镜壁吸收至于光，由折射率椭球可以计算出，此时的折射率，不发生全反射，可以透过胶合层从棱镜的另一端射出而且是一个非常合适的入射角以入射角为的入射线为中心，光在面入射的孔径角（增大方向） （3.1.4）入射角比大的光线，不能在界面上全反射入射角小于 （3.1.5）的入射线，其光在界面上也将全反射由此可见，入射角在 （3.1.6）的范围内，既不使光透过树脂膜，又不使光在树脂膜处全反射就是尼科耳棱镜的孔径角 尼科耳棱镜的孔径角很小，不适合高度会聚或发散的光束而且，天然方解石晶体体积一般比较小，所制成的尼科耳棱镜的有效使用截面都很小，而价格却十分昂贵但是，由于它对可见光的透明度非常高，并且能产生完善的线偏振光，所以尽管有上述缺点，对于平行可见光光束而言，在偏振光的偏振度要求较高的场合仍然是一种比较优良的偏振器一般只在对偏振光的纯度要求较高的场合下使用。

由于尼科耳棱镜能将自然光变成线偏振光，它可被用作起偏器，也可用作检偏器图3.1.3是用尼科耳棱镜做起、检偏器的实验装置，置于光路前面的为起偏器，后面的则为检偏器其中(a)是相互平行放置的两尼科耳棱镜，可让光通过；(b)是相互垂直放置的两曲尼科耳棱镜，即将(a)中的第二个尼科耳棱镜绕光束方向旋转，则该棱镜的主截面相对于第一个尼科耳棱镜旋转了，透过第一棱镜的光相对于第二个棱镜变成了光，在介质界面处全反射；(c)也属于相互平行放置的两尼科耳棱镜的情况 图3.1.3 由两个尼科耳棱镜组成的起、检偏器(a)，(c)平行放置，可让光通过；(b)垂直放置，阻止光通过2 沃拉斯顿(Wollaston)棱镜沃拉斯顿棱镜能产生两束互相分开的、光矢量互相垂直的线偏振光，如图3.1.4所示它由两个直角的方解石(或石英)棱镜胶合而成，且这两个光轴方向相互垂直，又都平行于各自的表面当一束自然光垂直到入射到面上时，由于双折射，将产生光和光但由于光线与光轴垂直，由第一块棱镜产生的光（垂直于界面法线与光轴组成的主截面的振动：垂直于纸面）和光（平行于界面法线与光轴组成的主截面的振动：平行于纸面）方向均保持不变，均沿着入射光线的方向传播，而传播速度不同，折射率不同。

由于第二块棱镜相对于第一块棱镜转过了，因此在界面处，光与光发生了转化第一块棱镜产生的光（垂直于界面法线与光轴组成的主截面的振动），变成了平行于界面法线与光轴组成的主截面的振动的光（垂直于纸面）；第一块棱镜产生的光（平行于界面法线与光轴组成的主截面的振动），变成了垂直于界面法线与光轴组成的主截面的振动的光（平行于纸面）先看光矢量垂直于纸面的这束偏振光，它在第一块棱镜里是光（振动方向垂直于传播方向与光轴组成的平面），在第二棱镜里却成了光（振动方向平行于传播方向与光轴组成的平面），由于方解石是负单轴晶体，，这束光在通过界面时是由光密媒质入射到光疏媒质，因此将远离法线方向（方向）传播再看光矢量平行于纸面的这束光，在第一块棱镜里是光，在第二棱镜里却成了光，在界面上的折射则为由光疏媒质到光密媒质，因此靠近法线方向传播从界面处折射后进入第二块棱镜的两束偏振方向垂直的线偏振光在界面处的折射都是从光密媒质到光疏媒质，所以远离法线方向偏折，彼此再次分开这样，从沃拉斯顿棱镜出射的是两束有一定夹角、且光矢量互相垂直的线偏 图3.1.4 沃拉斯顿棱镜振光 不难证明（见附录3-1），当棱镜顶角不很大时，这两束光基本上对称地分开，它们之间的夹角为 （3.1.7）若入射光是白光，则出射的是彩虹光斑。

出射光束间的夹角取决于方解石两主折射率之差和棱镜的顶角同样，制造沃拉斯顿棱镜的材料也可以用水晶(即石英)水晶比方解石容易加工成完善的光学平面，但是分出的两束光的夹角要小得多3 格兰—汤普森(Glan-Tompson)棱镜 尼科耳棱镜的缺点在于：第一，出射光束与入射光束不在同一直线上；第二，出射光做检偏器时会因尼科耳棱镜旋转而旋转，这在仪器的使用中会带来不便格兰—汤普森棱镜就是为克服尼科耳棱镜的缺点而设计的如图3.1.5所示，它由两块方解石直角棱镜斜面相对胶合制成，在两个棱柱间可以用甘油、树脂等胶合，也可以用空气隔开与尼科耳棱镜的不同之处在于：其端面与底面垂直，光轴方向既平行于端面又平行于斜面，即与图面垂直自然光从端面正入射时，由于光线与光轴垂直，光和光都不发生偏折，它们在斜面上的入射角等于棱镜斜面与直角面的夹角制作时应使胶合剂的折射率大于并接近非常光的折射率但小于寻常光折射率，并选取角大于光在胶合面上的临界角这样，光在胶合面上将发生全反射，并被棱镜直角面上的涂层吸收；而对于光，由于在两块晶体中，光线与光轴垂直，折射率，经过两次折射后，光线与入射光线平行出射；又由于胶合剂的折射率接近非常光的折射率，光几乎无偏折和错位地从棱镜出射。

当然，在胶合面上反射的光与全反射的光一起被第一块晶体的侧面涂层吸收掉从而得到非常纯净的线偏振光 图3.1.5 格兰棱镜 图3.1.6 格兰棱镜孔径角当入射光束不是平行光或平行光非正入射偏振棱镜时，棱镜的全偏振角或孔径角受到限制如图3.1.6所示，当上偏角大于某一值时，光在胶合面上的入射角将会小于临界角，导致光不发生全反射而部分地透过棱镜因此这种棱镜不宜用于高度会聚或发散的光束对于给定的晶体，孔径角与使用波段、胶合剂折射率和棱镜底角有关例如，对于的钠黄光，方解石的折射率为，，加拿大树胶的折射率在方解石.树胶界面上光的临界角为则，则入射自然光在空气与晶体的界面处的最大入射角为 （3.1.8）若选取棱镜的底角，则，，孔径角约为；由，可定出棱镜相应的长宽比为若选取，则棱镜长宽比为，孔径角接近表明较大的孔径角须以增加棱镜材料为代价若方解石棱镜改用甘油（，近紫外波段也透明）胶合，对于激光，在大致相同的棱镜长宽比（）时，可获得孔径角约用加拿大树胶胶合有两个。