晶體光學元器件ppt課件

1、4.4 晶體光學元器件晶體光學元器件4.4.1 偏振器偏振器4.4.2 波片和補償器波片和補償器 docin/sundae_meng4.4.1 偏振器偏振器1. 偏振棱鏡偏振棱鏡2. 偏振片偏振片概述概述 在光電子技術(shù)運用中，經(jīng)常需求偏振在光電子技術(shù)運用中，經(jīng)常需求偏振度很高的線偏振光。除了某些激光器本身度很高的線偏振光。除了某些激光器本身即可產(chǎn)生線偏振光外，大部分都是經(jīng)過對即可產(chǎn)生線偏振光外，大部分都是經(jīng)過對入射光進展分解和選擇獲得線偏振光的。入射光進展分解和選擇獲得線偏振光的。通常將可以產(chǎn)生線偏振光的元件叫做偏振通常將可以產(chǎn)生線偏振光的元件叫做偏振器。器。 根據(jù)偏振器的任務原理不同，可以分

2、根據(jù)偏振器的任務原理不同，可以分為雙折射型、反射型、吸收型和散射型偏為雙折射型、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，振器。后三種偏振器因其存在消光比差，抗損傷才干低，有選擇性的吸收等缺陷，抗損傷才干低，有選擇性的吸收等缺陷，運用遭到限制，在光電子技術(shù)中，廣泛地運用遭到限制，在光電子技術(shù)中，廣泛地采用雙折射型偏振器。采用雙折射型偏振器。1. 偏振棱鏡偏振棱鏡利用晶體的雙折射特性制成的偏振器，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。通常是由兩塊晶體按一定的取向組合而成。 1) 格蘭格蘭湯普森湯普森(Glan-Thompson)棱鏡棱鏡2) 渥

3、拉斯頓渥拉斯頓(Wollaston)棱鏡棱鏡3) 偏振棱鏡的特性參量偏振棱鏡的特性參量 1) 格蘭格蘭湯普森湯普森(Glan-Thompson)棱鏡棱鏡 格蘭格蘭湯普森棱鏡是由著名的尼科爾湯普森棱鏡是由著名的尼科爾(Nical)棱鏡棱鏡改良而成的。由兩塊方解石直角棱鏡沿斜面相對膠改良而成的。由兩塊方解石直角棱鏡沿斜面相對膠合制成，兩塊晶體的光軸與通光的直角面平行，且合制成，兩塊晶體的光軸與通光的直角面平行，且或與或與AB棱平行，或與棱平行，或與AB棱垂直。棱垂直。(a) 立體圖立體圖DCABDBACi(b) 頂視圖頂視圖 當一束自然光垂直射入棱鏡時，當一束自然光垂直射入棱鏡時，o光和光和e光均

4、無偏折地射光均無偏折地射向膠合面，在向膠合面，在BC面上面上, 入射角入射角 i 等于棱鏡底角等于棱鏡底角 。 制造棱鏡時，選擇膠合劑制造棱鏡時，選擇膠合劑(例如加拿大樹膠例如加拿大樹膠)的折射率的折射率n介介于于no和和ne之間，并且盡量和之間，并且盡量和 ne接近。接近。 由于方解石是負單軸晶體，由于方解石是負單軸晶體，ne arcsin(n/no)時，時，o 光產(chǎn)生全反射，而光產(chǎn)生全反射，而 e 光照常經(jīng)過，因此，輸出光中只需一種光照常經(jīng)過，因此，輸出光中只需一種偏振分量。偏振分量。 通常將這種偏振分光棱鏡叫作單像偏光棱鏡。通常將這種偏振分光棱鏡叫作單像偏光棱鏡。存在的問題：反射到存在的

5、問題：反射到 AC面的面的 o光，有能夠反回到光，有能夠反回到 BC 面，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。光的偏振度。DBACi改良型格蘭改良型格蘭湯普森棱鏡湯普森棱鏡 ACiEDB2) 渥拉斯頓渥拉斯頓(Wollaston)棱鏡棱鏡 渥拉斯頓棱鏡是加大了兩種線偏振光的離散角，渥拉斯頓棱鏡是加大了兩種線偏振光的離散角，且同時出射兩束線偏振光的雙像棱鏡。由光軸相互且同時出射兩束線偏振光的雙像棱鏡。由光軸相互垂直的兩塊直角棱鏡沿斜面用膠合劑膠合而成，普垂直的兩塊直角棱鏡沿斜面用膠合劑膠合而成，普通都是由方解石或石英

6、等透明單軸晶體制造。通都是由方解石或石英等透明單軸晶體制造。DCBA 對于負單軸晶體，分開的角度近似為：對于負單軸晶體，分開的角度近似為： 2arcsin(none) tan 對于方解石棱鏡，對于方解石棱鏡， 角普通為角普通為10 40 。例如，當。例如，當 =45 時，時， 2040。3) 偏振棱鏡的特性參量偏振棱鏡的特性參量通光面積通光面積孔徑角孔徑角消光比消光比抗損傷才干抗損傷才干 通光面積通光面積 偏振棱鏡所用的資料通常都是稀缺貴重晶體，偏振棱鏡所用的資料通常都是稀缺貴重晶體， 其通光面積都不大，直徑約為其通光面積都不大，直徑約為5 520mm20mm。 孔徑角孔徑角 對于利用全反射原

7、理制成的偏振棱鏡，存在對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。著入射光束錐角限制。 孔徑角的限制孔徑角的限制ADCB 21 上面討論格蘭上面討論格蘭湯普森棱鏡的任務原理時，假設入射光湯普森棱鏡的任務原理時，假設入射光垂直入射。當光斜入射時，假設入射角過大，那么對于光束垂直入射。當光斜入射時，假設入射角過大，那么對于光束 1 中的中的o光，在光，在BC面上的入射角能夠小于臨界角，致使不能面上的入射角能夠小于臨界角，致使不能發(fā)生全反射，而部分地透過棱鏡；對于光束發(fā)生全反射，而部分地透過棱鏡；對于光束 2中的中的e光，在光，在BC面上的入射角能夠大于臨界角，使面上的入射角能夠大于臨

8、界角，使e光在膠合面上發(fā)生全光在膠合面上發(fā)生全反射，這將降低出射光的偏振度。反射，這將降低出射光的偏振度。 因此，這種棱鏡不適宜發(fā)散角因此，這種棱鏡不適宜發(fā)散角( (或會聚角或會聚角) )過大的光路。過大的光路?；蛘哒f，這種棱鏡對入射光錐角有一定的限制，并且稱入射或者說，這種棱鏡對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光束錐角的限制范圍 2 2m(m(m m是是 和和 中較小的一個中較小的一個) )為偏振棱鏡的有效孔徑角。有效孔徑角的大小與棱鏡資料、為偏振棱鏡的有效孔徑角。有效孔徑角的大小與棱鏡資料、構(gòu)造、運用波段和膠合劑的折射率諸要素有關(guān)。構(gòu)造、運用波段和膠合劑的折射率諸要素有

9、關(guān)。 消光比消光比指經(jīng)過偏振器后兩正交偏振光的強度指經(jīng)過偏振器后兩正交偏振光的強度比，比， 普通偏振棱鏡的普通偏振棱鏡的消光比為消光比為 10-5 10-510-410-4。 抗損傷才干抗損傷才干 在激光技術(shù)中運用利用膠合劑的偏振棱鏡時，在激光技術(shù)中運用利用膠合劑的偏振棱鏡時，由于激光束功率密度極高，會損壞膠合層，因此偏由于激光束功率密度極高，會損壞膠合層，因此偏振棱鏡對入射光能密度有限制。振棱鏡對入射光能密度有限制。 普通來說，對于延續(xù)激光偏振棱鏡的抗損普通來說，對于延續(xù)激光偏振棱鏡的抗損傷才干約為傷才干約為 10 W/cm2 10 W/cm2，對于脈沖激光抗損傷才干，對于脈沖激光抗損傷才干

10、約為約為 104 W/cm2 104 W/cm2。 為了提高偏振棱鏡的抗損傷才干，可以把格蘭為了提高偏振棱鏡的抗損傷才干，可以把格蘭湯普森湯普森棱鏡的膠合層改為空氣層，制成格蘭棱鏡的膠合層改為空氣層，制成格蘭傅科傅科(Foucault)棱鏡。棱鏡。這種棱鏡的底角這種棱鏡的底角 應滿足應滿足:oe1arcsin1arcsinnn格蘭格蘭傅科棱鏡傅科棱鏡ADCBi2. 偏振片偏振片 由于偏振棱鏡的通光面積不大，存在孔徑角限制，造由于偏振棱鏡的通光面積不大，存在孔徑角限制，造價昂貴，所以在許多要求不高的場所，都采用偏振片產(chǎn)生價昂貴，所以在許多要求不高的場所，都采用偏振片產(chǎn)生線偏振光。線偏振光。 1)

11、 1) 散射型偏振片散射型偏振片 2) 2) 二向色性偏振片二向色性偏振片1) 1) 散射型偏振片散射型偏振片 利用雙折射晶體的散射起偏。兩片具利用雙折射晶體的散射起偏。兩片具有特定折射率的光學玻璃有特定折射率的光學玻璃(ZK2)(ZK2)夾著一層雙折夾著一層雙折射性很強的硝酸鈉射性很強的硝酸鈉(NaNO3)(NaNO3)晶體。晶體。 制造過程：把兩片光學玻璃的相對制造過程：把兩片光學玻璃的相對面打毛，豎立在云母片上，將硝酸鈉溶液倒面打毛，豎立在云母片上，將硝酸鈉溶液倒入兩毛面構(gòu)成的縫隙中，壓緊二毛玻璃，擠入兩毛面構(gòu)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，并出氣泡，使得

12、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，構(gòu)成單晶，使溶液從云母片一邊緩慢冷卻，構(gòu)成單晶，其光軸恰好垂直云母片，進展退火處置后，其光軸恰好垂直云母片，進展退火處置后，即可截成所需求的尺寸。即可截成所需求的尺寸。 散射型偏振片散射型偏振片 2) 二向色性偏振片二向色性偏振片 利用某些物質(zhì)的二向色性制形成的偏振片。利用某些物質(zhì)的二向色性制形成的偏振片。 所謂二向色性，就是有些晶體所謂二向色性，就是有些晶體(電氣石、電氣石、硫酸碘奎寧等硫酸碘奎寧等)對傳輸光中兩個相互垂直的振對傳輸光中兩個相互垂直的振動分量具有選擇吸收的性能。動分量具有選擇吸收的性能。 例如電氣石對傳輸光中垂直光軸的尋常

13、例如電氣石對傳輸光中垂直光軸的尋常光矢量分量吸收很劇烈，吸收量與晶體厚度光矢量分量吸收很劇烈，吸收量與晶體厚度成正比，而對非常光矢量分量只吸收某些波成正比，而對非常光矢量分量只吸收某些波長成分。但是因它略帶顏色，且大小有限，長成分。但是因它略帶顏色，且大小有限，所以用的不多。所以用的不多。 二向色型偏振片二向色型偏振片 4.4.2 波片和補償器波片和補償器1. 波片波片 1) 全波片全波片 2) 半波片半波片 3) 1/4 波片波片2. 補償器補償器1. 波片波片對二垂直振動分量提供固定相位差的元對二垂直振動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件。通常是從單軸晶體上按一

14、定方式切割的、有一定厚度的平行平面薄片。、有一定厚度的平行平面薄片。 x1dx3x2光軸平行于晶片外表，設為光軸平行于晶片外表，設為x3方向。方向。 是光在真空中的波長。入射的偏振光經(jīng)過波片后，由于其是光在真空中的波長。入射的偏振光經(jīng)過波片后，由于其二垂直分量之間附加了一個相位差，將會改動偏振形狀。二垂直分量之間附加了一個相位差，將會改動偏振形狀。dnn)(2eo 一束正入射的光波進入波片后，將沿原方向傳播兩束偏一束正入射的光波進入波片后，將沿原方向傳播兩束偏振光：振光：o光和光和 e光，其光，其 矢量分別平行于矢量分別平行于x1和和x3方向，折射率方向，折射率分別為分別為no和和ne。它們經(jīng)

15、過厚度為。它們經(jīng)過厚度為d 的波片后，將產(chǎn)生一定的的波片后，將產(chǎn)生一定的相位差相位差 ：D 一束線偏振光垂直射入波片，在入射外表上所產(chǎn)生的一束線偏振光垂直射入波片，在入射外表上所產(chǎn)生的 o o光和光和 e e光分量同相位，振幅分別為光分量同相位，振幅分別為AoAo和和AeAe。該二光穿過波片。該二光穿過波片射出時，附加了一個相位延遲差射出時，附加了一個相位延遲差，因此其合成光矢量端點，因此其合成光矢量端點的軌跡方程為的軌跡方程為: :該式為一橢圓方程，闡明輸出光的偏振態(tài)發(fā)生了變化，為橢該式為一橢圓方程，闡明輸出光的偏振態(tài)發(fā)生了變化，為橢圓偏振光。圓偏振光。 在光電子技術(shù)中，經(jīng)常運用的是全波片、

16、半波片和在光電子技術(shù)中，經(jīng)常運用的是全波片、半波片和1/4 波片。波片。2eo312e32o1sincos2AAEEAEAE1) 全波片全波片 全波片的附加相位延遲差為全波片的附加相位延遲差為:33eo1tanEEAAE02e3o1AEAE2,1,2)(2eommdnn即：即：所以所以該式為不斷線方程，即線偏振光經(jīng)過全波片后，其偏振形該式為不斷線方程，即線偏振光經(jīng)過全波片后，其偏振形狀不變。狀不變。將全波片放入光路中，不改動光路的偏振形狀。將全波片放入光路中，不改動光路的偏振形狀。eonnmd全波片的厚度：全波片的厚度：2,1,2)(2eommdnn由由得得2) 半波片半波片 半波片的附加相位

17、延遲差半波片的附加相位延遲差為：為：33eo1)tan(EEAAE02e3o1AEAE, 2, 1, 0) 12()(2eommdnn由此得：由此得：即即 該式也為直線方程，即出射光仍為線偏振光，只是振動面的該式也為直線方程，即出射光仍為線偏振光，只是振動面的方位較入射光轉(zhuǎn)過了方位較入射光轉(zhuǎn)過了 2 角，當角，當 =45時，振動面轉(zhuǎn)過時，振動面轉(zhuǎn)過 90 。 半波片的厚度半波片的厚度 ：212eonnmd3) 1/4 波片波片 1/4 波片的附加相位延遲差波片的附加相位延遲差為為:12e232o21AEAE由此得：由此得： 2) 12()(2eomdnnm=0, 1, 2, 2232121AE

18、E該式是規(guī)范橢圓方程，長、短半軸長分別為該式是規(guī)范橢圓方程，長、短半軸長分別為Ae和和Ao。這闡明。這闡明線偏振光經(jīng)過線偏振光經(jīng)過1/4 波片后，出射光將變?yōu)殚L、短半軸等于波片后，出射光將變?yōu)殚L、短半軸等于Ae、Ao的橢圓偏振光。的橢圓偏振光。 當當 =45 時，時，Ae=Ao=A/ ，出射光為一圓偏振光：，出射光為一圓偏振光：2412eonnmd1/4 波片的厚度：波片的厚度：在運用波片時，有兩個問題必需留意：在運用波片時，有兩個問題必需留意： 波長問題波長問題 任何波片都是對特定波長而言，例如對于波長為任何波片都是對特定波長而言，例如對于波長為 0.5m的半波片，對于的半波片，對于 0.6

19、328 m的光波長就不再是半波片；的光波長就不再是半波片；對于波長為對于波長為 1.06m的的 1/4 波片，對波片，對0.53m 來說恰好是半來說恰好是半波片。波片。 波片的主軸方向問題波片的主軸方向問題 運用波片時該當知道波片所允許的兩個振動方向運用波片時該當知道波片所允許的兩個振動方向(即兩即兩個主軸方向個主軸方向)及相應波速的快慢。這通常在制造波片時曾經(jīng)及相應波速的快慢。這通常在制造波片時曾經(jīng)指出，并已標在波片邊緣的框架上，波速快的那個主軸方向指出，并已標在波片邊緣的框架上，波速快的那個主軸方向叫快軸，與之垂直的主軸叫慢軸。叫快軸，與之垂直的主軸叫慢軸。2. 補償器補償器 波片只能對振

20、動方向相互垂直的兩波片只能對振動方向相互垂直的兩束光產(chǎn)生固定的相位差，補償器那么能束光產(chǎn)生固定的相位差，補償器那么能對振動方向相互垂直的二線偏振光產(chǎn)生對振動方向相互垂直的二線偏振光產(chǎn)生可控制的相位差?？煽刂频南辔徊?。 最簡單的一種補償器叫巴俾涅補償最簡單的一種補償器叫巴俾涅補償器，由兩個方解石或石英劈組成，其光器，由兩個方解石或石英劈組成，其光軸相互垂直。當線偏振光射入補償器后，軸相互垂直。當線偏振光射入補償器后，產(chǎn)生傳播方向一樣、振動方向相互垂直產(chǎn)生傳播方向一樣、振動方向相互垂直的的 o光和光和 e光，且在上劈中的光，且在上劈中的 o光光(或或 e光光)，進入下劈時就成了，進入下劈時就成了

21、e光光(或或 o光光)。 由于劈尖頂角很小由于劈尖頂角很小( 約約 23 )，在，在兩個劈界面上，兩個劈界面上，e光和光和 o光可以為不分別。光可以為不分別。 在三束光在三束光A、M、B中，相應于經(jīng)過兩劈厚中，相應于經(jīng)過兩劈厚度一樣處度一樣處(d1=d2)的光線的光線M，從補償器出射的，從補償器出射的振動方向相互垂直的兩束光之間的相位差為振動方向相互垂直的兩束光之間的相位差為零；相應于經(jīng)過兩劈厚度不相等處零；相應于經(jīng)過兩劈厚度不相等處(d1d2)的的光線光線A和和(d1d2)光線光線B，從補償器出射的振，從補償器出射的振動方向相互垂直的兩束光間，有一定的相位動方向相互垂直的兩束光間，有一定的相位差。差。 巴俾涅補償器巴俾涅補償器 d1d2A M B 當入射光從補償器上方不同位置射入時，相應的當入射光從補償器上方不同位置射入時，相應的(d2d1)值不同，值不同， 值也不同。或者，當上劈沿圖中所