晶体光学器件

6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
6.2.2 相位延迟器件——波片
(1) 单轴晶体中o光与e光的相位差
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
平面偏振光在单轴晶片表面的分解： 设晶片的光轴c沿表面竖直方向，则进入晶体的o（e ）光分量的振动
方向垂直于（平行于）光轴——沿水平方向（竖直方向）。两个偏振分量 同向传播，在空间上不分开，但相位延迟不同。
6.2 晶体光学器件
6.2.2 相位延迟器件——波片
(5) 全波片（1l片）
定义：厚度正比于波长整数倍的平行平面单轴晶片，即
，j=0, 1, 2, 3, ··· (6.2-13)
透过1l片的o光和o光的相位差：
最小厚度：
，j=0, 1, 2, 3, ···
(6.2-14) (6.2-15)
最小相位差： （正号对应负单轴晶体，负号对应正单轴晶体）
于入射面，两棱镜斜边之间以空气间隔代替加拿大树胶，棱镜角大于o
光（但小于e光）临界角（a=38.5o，ico=37.5o，ice=42.6o），既可使紫外
光透过（透光波段230nm～5000nm），又可使o光和e光的临界角减小， 从而使棱镜的长宽比减小。
38.5o c
c 38.5o
c
吸光涂层 (a)
c e
c
o
图6.1-6 格兰-汤普森棱镜（负晶体）
6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
(4) 二向色性偏振片
6.2.1 起偏与检偏器件
晶体的二向色性：某些单轴晶体（电气石、硫酸碘奎宁等）对o光和e光强 烈的选择吸收特性
二向色性偏振片：根据晶体二向色性原理制成的偏振片。能够将入射光中 的o光分量全部吸收，而e光分量全部透过，从而使透射 光变为偏振面平行于晶体光轴的平面偏振光。
说明：
6.2.1 起偏与检偏器件
① 若用石英晶体做棱镜，则no<ne，此时图中出射光束的偏振态互换
② 渥拉斯顿棱镜的推广形式：洛匈棱镜，玻璃+方解石棱镜
A a
D c
o→o
B
c
C
o→e
图6.2-2 洛匈棱镜（负晶体）
A a
D c
e→o e→e
n=ne
B
C
图6.2-3 玻璃+方解石棱镜
6 光的双折射与光调制
(6.2-7)
最小相位差： （正号对应负单轴晶体，负号对应正单轴晶体）
特点：能使透射的o光和e光产生p/2或其奇数倍大小的相位差
(6.2-8)
6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
6.2.2 相位延迟器件——波片
(4) 二分之一波片（l/2片）
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，即
38.5o
c 吸光涂层 (b)
图6.2-5格兰-傅科棱镜（负晶体）
38.5o
6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
6.2.1 起偏与检偏器件
格兰-汤普森棱镜：
两个直角棱镜的光轴同时平行于棱镜端面和入射面，两棱镜的斜边 之间以亚麻油代替加拿大树胶，棱镜角大于o光（但小于e光）临界角， 故出射光仍然是偏振面平行于入射面和晶体主截面的平面偏振光，并且 出射光束相对入射光束不产生横向平移。此外，可以根据对入射光束孔 径角的不同需要而取不同长宽比。
巴俾涅补偿器：由两块光轴正交的直角石英棱镜叠置而成，用于细光束的 相位补偿调节。
索累补偿器：由两块光轴平行的石英直角楔与一块光轴正交的平行平面石 英晶片叠置而成，可用于宽光束的相位补偿。
c c
图6.2-8 巴俾涅补偿器
c
c
c
图6.2-9 索累补偿器
6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
本节重点
退火处理后，即成为散射型偏振片。
光轴
原理：硝酸钠晶体对黄绿光的主折射率为
ZK2
no=1.5854，ne=1.3369；ZK2玻璃对黄绿光 的折射率为n=1.5831，非常接近no，但与 ne相差较大。故o光将无障碍地通过，e光 因界面的强烈散射而无法通过。

NaNO3
散射型偏振片
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。
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。
l/4
l/4
l/2（平行叠置）
平板玻璃（正交叠置）
l/2
l/2
1l（平行叠置）
平板玻璃（正交叠置）
6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
6.2.2 相位延迟器件——波片
(6) 任意波片——相位补偿器
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的晶片
1. 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 3. 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 5. 巴毕涅补偿器与索累补偿器的结构特点及应用
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 人造偏振片：如H偏振片，一种经加热、拉伸、浸碘处理的聚乙烯醇薄膜。 优点：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。 缺点：对黄色自然光的透过率低，约为30%，因而略带墨绿色。
6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
A A'
48o 71o 68o c B
C c
D' D
图6.2-4 尼科耳棱镜（负晶体）
A'（C） c
B（D'）
说明：光轴与两端面的夹角均为48o；加拿大树胶对可见光透明，对钠黄
光的折射率nD=1.55，就o光和e光而言，加拿大树胶相对于晶体分别 为疏介质和密介质（no=1.6548>nD>ne=1.4864） 。
6.2.1 起偏与检偏器件
(5) 线栅偏振器
结构原理：类似于导电线栅原理，用拉直的细导线做成密排线栅（金质线 栅，d=5.08×10-4mm），当入射自然光的波长远大于栅距时， 其振动方向平行于栅线的偏振分量几乎被栅线全部反射，而振 动方向垂直于栅线的偏振分量几乎全部通过。
线栅偏振器
特点：工作波段很宽，几乎在全波段内都具有良好的起偏性能，且抗光 损伤阈值高，是中远红外波段较理想的偏振器。
Ae
A
z
q
c
c
Ao
图6.2-7 平面偏振光在单轴晶体表面的分解
o光和e光的振幅： (6.2-2)
6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
6.2.2 相位延迟器件——波片
o光和e光在距离晶片前表面为z处的相位差：
(6.2-3)
对于厚度为d的晶片，两偏振分量在出射时的相位差：
(6.2-4)
结论：平面偏振光垂直进入光轴平行于表面的单轴晶片后，分解为传播方 向相同但偏振面分别平行和垂直于光轴的两个偏振分量，两偏振分
6.2 晶体光学器件
6.2.1 起偏与检偏器件
(2) 尼科耳棱镜
① 结构：一块长宽比为3:1的方解石晶体两端面平行地磨去一部分，使 ∠ A'BD'=∠D'CA'=68o ， 然 后 沿 垂 直 于 主 截 面 及 两 端 面 的 A'D' 方向将晶体对切，并用加拿大树胶将切开的两个端面均匀地胶 合在一起。
6 光的双折射与光调制
§6.2 晶体光学器件
6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
主要内容
1. 起偏与检偏器件 2. 相位延迟器件——波片
6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
6.2.1 起偏与检偏器件
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 基于晶体的双折射原理：双折射棱镜
6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
6.2.1 起偏与检偏器件
② 工作原理：自然光沿晶体长棱方向（A'C或BD'）进入晶体后，分解为偏 向 略 有 不 同 的 o 光 和 e 光 。 在 树 胶 层 A'D' 处 ， o 光 的 入 射 角 （io=76o）大于全反射临界角（ioc=70o），经树胶层全部反 射至被涂黑的棱镜侧壁；e光因不满足全反射条件而透过树 胶层，故由棱镜出射的光束变为一束偏振面平行于晶体主截 面和入射面的平面偏振光。
快轴：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 慢轴：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
快慢轴的正方向：按右手螺旋法则确定
慢（快）轴
光轴 快（慢）轴
光线
正
光轴/慢轴
晶
体
快轴
光线
负 光轴/快轴 晶 体
慢轴
光线
说明：正单轴晶片的快轴垂直于光轴或平行于o光偏振面，慢轴平行于光 轴或e光偏振面；负单轴晶片的快慢轴与正单轴晶片相反。
，j=0, 1, 2, 3, ···
(6.2-9)
透过l/2片的o光和e光的相位差：
最小厚度：
，j=0, 1, 2, 3, ··· (6.2-10)
(6.2-11)
最小相位差： （正号对应负单轴晶体，负号对应正单轴晶体）
特点：能使透射的o光和e光产生p 或其奇数倍大小的相位差
(6.2-12)
6 光的双折射与光调制
(1) 渥拉斯顿棱镜
结构：由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 用途：可获得两束彼此分开且偏振面正交的平面偏振光
A a
D
e→o
c
g
常用材料： 方解石晶体（no>ne）
c B
两光束夹角：
C
o→e
图6.2-1 渥拉斯顿棱镜（负晶体）
(6.2-1)
6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
6.2.2 相位延迟器件——波片
(3) 四分之一波片（l/4片）
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，即
，j=0, 1, 2, 3, ···
(6.2-5)
透过l/4片的o光和e光的相位差：
最小厚度：
，j=0, 1, 2, 3, ··· (6.2-6)
量的振幅比取决于入射光偏振面与晶片光轴的夹角q。由于传播速度
不同，两偏振分量在晶体中同一点具有不同的相位延迟，其相位差
取决于入射光波长l、晶体对两偏振分量的折射率no和ne，以及光波
在晶体中的传播距离z或晶片的厚度d。
6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
(2) 单轴晶片的快慢轴
6.2.2 相位延迟器件——波片
A'
C C
c
e
c o
B
D'
D'
尼科耳棱镜分光原理
结论：与玻片堆类似，尼科耳棱镜可以用作起偏和检偏器。
6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
6.2.1 起偏与检偏器件
说明：平面偏振光进入尼科耳棱镜时，若偏振面平行（垂直）于晶体的主 截面，则将作为e（o）光全部透过（损耗掉）；若偏振面与晶体的
主截面夹角为q，则只有其在主截面上的投影分量可以穿过棱镜，且
透射光强度大小由马吕斯定律确定。
③ 缺陷：a. 入射光锥角不能太大，否则透射光的偏振度降低； b. 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。
6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
6.2.1 起偏与检偏器件
(3) 格兰棱镜
格兰棱镜：尼科耳棱镜的一种改进形式，由两块直角棱镜胶合而成。 格兰-傅科棱镜：两直角棱镜的光轴均平行于棱镜端面，同时平行（或垂直）
(6.2-16)
特点：能使透射的o光和e光产生2p或其整数数倍大小的相位差
6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
6.2.2 相位延迟器件——波片
说明
两块l/4片平行叠置（快慢轴分别平行）时，其作用等效于一块l/2片；
两块l/2片平行叠置（快慢轴分别平行）时，其作用等效于一块1l片；
两块l/4片或l/2片正交叠置（第一块晶片的快轴和慢轴分别与第二块晶
6 光的双折射与光调制
6.2 晶体光学器件
6.2.1 起偏与检偏器件
(6) 散射型偏振片
结构：两片具有特定折射率的光学玻璃与具有高双折射的晶体构成的三明 治结构
工艺：将两片ZK2（重冕）玻璃的一面磨毛，并将其毛面相对平行放置， 其间很小的缝隙中灌满硝酸钠（NaNO3）溶液，并将空气挤出。从 底部向上缓慢冷却以使溶液形成硝酸钠单晶，且其光轴沿冷却方向。