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

AB

DB

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 no 和 ne 之间，并且尽量和 ne 接近。

因为方解石是负单轴晶体， ne< no ，所以 o 光在胶合

面上相当于从光密介质射向光疏介质，当 i > arcsin(n/no) 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。

DB

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

CB

A

对于负单轴晶体，分开的角度近似为：

2arcsin[(none) tan ]

对于方解石棱镜， 角一般为 10~ 40 。例如，当 =45 时， ≈ 2040 。

3) 偏振棱镜的特性参量

①通光面积

②孔径角

③消光比

④抗损伤能力

① 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 。

② 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 2m(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。

③ 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 。

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/cm2 ，对于脉冲激光抗损伤能力约为 104 W/cm2 。

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 :

oe

1arcsin

1arcsin

nn

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 (ZK2)夹着一层双折射性很强的硝酸钠 (NaNO3) 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。

x1

d

x3

x2

光轴平行于晶片表面，设为 x3 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。

dnn )(π2

eo

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 x1 和 x3 方向，折射率分别为 no 和 ne 。它们通过厚度为 d 的波片后，将产生一定的相位差 ：

D

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 Ao 和 Ae 。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。

2

eo

31

2

e

3

2

o

1 sincos2

AA

EE

A

E

A

E

1) 全波片

全波片的附加相位延迟差为 :

33e

o1 tan EE

A

AE

02

e

3

o

1

A

E

A

E

2,1,π2)(π2

eo mmdnn

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。

eo nn

md

全波片的厚度：

2,1,π2)(π2

eo mmdnn

由 得

2) 半波片

半波片的附加相位延迟差为：

33e

o1 )tan( EE

A

AE

02

e

3

o

1

A

E

A

E

,2,1,0π)12()(π2

eo mmdnn

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 ：2

12

eo

nn

md

3) 1/4 波片

1/4 波片的附加相位延迟差为 :

12e

23

2o

21

A

E

A

E由此得：

2

π)12()(

π2eo mdnn

m=0, ±1, ±2, …

223

21 2

1AEE

该式是标准椭圆方程，长、短半轴长分别为 Ae 和 Ao 。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 Ae 、

Ao 的椭圆偏振光。 当 =45 时， Ae=Ao=A/ ，出射光为一圆偏振光：2

4

12

eo

nn

md

1/4 波片的厚度：

在使用波片时，有两个问题必须注意：

① 波长问题

任何波片都是对特定波长而言，例如对于波长为 0.5m

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 1.06m 的 1/4 波片，对 0.53m 来说恰好是半波片。

② 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 2~3 ) ，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(d1=d2) 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(d1>d2) 的光线 A 和 (d1<d2) 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

d1

d2

A M B

当入射光从补偿器上方不同位置射入时，相应的(d2d1)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， (d2d1)值随上劈移动而变化，值随之改变。因此调整 (d2d1)值，便可得到任意的 值。

))((π2

)()[(π2

12eo

2e1o2o1e

ddnn

dndndndn

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 (ned1+nod2) ；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 (nod1+ned2), 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 d1 。对于某个确定的 d1 ，可以在相当宽的区域内获得相同的 值。

作 业

7 ， 10 ， 11 ， 12 ，13