第六章 晶体光学器件
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。
光学晶体的概念
光学晶体的概念
光学晶体的概念及相关内容
1. 晶体的定义
•晶体是由原子、离子或分子按照一定的空间有序排列而构成的固体物质。
•晶体具有高度的透明性和光学特性，可以对光进行吸收、散射、折射和透射等过程。
2. 光学晶体的特点
•光学晶体具有特定的晶体结构和化学成分，能够对光进行特定的控制和调节。
•光学晶体通常具有高折射率、低散射率、低吸收率等优良的光学性能。
•光学晶体材料种类繁多，包括常见的石英晶体、硅晶体、镁晶体等。
3. 光学晶体的应用领域
•光学器件制造：光学晶体可用于制造激光器、光纤、透镜等光学器件。
光学晶体的高折射率和低吸收率使得这些器件具有更好的光学性能。
•光学通信：光学晶体可以用于光纤通信系统中的耦合器、分束器、滤波器等组件，提高光信号的传输质量和传输距离。
•光学显微镜：光学晶体可以用于显微镜的镜片制造，提高显微镜的分辨率和观察效果。
•激光加工：光学晶体可以用于激光切割、激光雕刻、激光打标等工艺中，实现对材料的精确加工和处理。
4. 光学晶体的研究方向
•光学晶体的制备技术：包括晶体生长、晶体加工和晶体表面处理等方面的研究。
•光学晶体的光学性能研究：包括折射率、散射率、吸收率等光学参数的测试和评价。
•光学晶体的新材料研究：不断开发新的光学晶体材料，改善其光学性能，满足不同应用领域的需求。
5. 结语
光学晶体作为重要的光学材料，在科学研究和工程应用中起着重
要作用。
随着科技的发展，光学晶体的制备技术和性能研究将会得到
进一步的突破，推动相关技术和行业的发展。
光的偏振4
三．垂直振动的合成 1. 问题： 已知两个垂直分振动为 E x Ax cos t E y Ay cos( t ) 求合振动的偏振态？ Ex cost
Ax
cos(t ) Ey Ay
y
x
cost cos sin t sin
Ex Ex 2 cos 1 ( ) sin Ax Ax
§6-4 晶体光学器件 圆、椭圆 偏振光的获得与检验
一．晶体偏振器 1. 洛匈棱镜 由两块冰洲石直角 三棱镜组成，光轴 和正入射光路如图 光路分析： （1）进入第一块晶体后不发生双折射， 即 O 光和 e 光不分开。
（2）进入第二块晶体后振动方 向不变，但 e光变为o 光，
no sin i1 no sin i2o
Δφ=π
Δφ∈Ⅲ
Δφ=-π/2
Δφ∈Ⅳ
Δφ=0
四．圆偏振光和椭圆偏振光的获得
问题：如何获得圆偏振光和椭圆偏振光? 求解方法： 利用偏振片P和波晶片K把自然光 改造成圆偏振光或椭圆偏振光。 光路图：
o
光轴 自然光 P K
圆或椭圆 偏振光
e
P是起偏器，经它可从自然光中获得垂直射 向波片K的线偏光。
K P
Ex 2 E y 2 Ex E y ( ) ( ) 2 cos sin 2 Ax Ay Ax Ay
2. 0 或 时
Ex E y 2 ( ) 0 Ax Ay
Ey
Ay Ax
Ex
是直线方程
E0 y
E0 y y
y
E0 x
E0 x
0
x
出
( ) 0 或 2 2
出射光为线偏振光且光矢量与光轴成 45°角 (1)经八分之一波片， 波片＝
晶体光学器件用途
晶体光学器件用途晶体光学器件是一类能够利用晶体材料的光学特性进行光学调控和信息处理的器件。
晶体光学器件具有许多重要的用途，如光通信、激光技术、光电子学、生物医学等。
下面将详细介绍晶体光学器件的主要用途。
首先，晶体光学器件在光通信领域具有广泛应用。
在光纤通信系统中，光纤链路中常常需要使用光纤耦合器、光纤分束器、光纤聚焦器等晶体光学器件进行光信号的传输、调制、分配和聚焦。
晶体光学器件具有高的透过率和优良的耐高功率特性，能够提高光通信系统的传输效率和可靠性。
其次，晶体光学器件在激光技术中发挥着重要作用。
激光器是一种利用受激辐射原理产生一束高强度、高纯度、高方向性的单色光的装置。
晶体光学器件如激光调谐器、激光频率加倍器、激光放大器等可以对激光器的输出进行调控和增强，提高激光器的性能。
此外，晶体光学器件还可以用于激光束的整形、聚焦和分光等操作，满足不同应用需求。
晶体光学器件还在光电子学领域有着广泛应用。
光电子器件是一类利用光电效应将光信号转换为电信号的器件。
晶体光学器件如光电二极管、光电倍增管、光电耦合器等可以实现光电转换的功能，用于光电检测、光电传感、光电测量等应用。
此外，晶体光学器件还可以用于光学显示器件、激光打印机、光学扫描仪等光学成像设备中，提高图像的分辨率和清晰度。
晶体光学器件在生物医学领域的应用也十分重要。
晶体光学器件可以通过光学传感和光学成像技术实现对生物分子、细胞和组织的检测和研究。
例如，晶体光学器件可以用于荧光探针的激发和荧光信号的接收，实现对生物分子的检测和定量分析。
此外，晶体光学器件还可以用于光学相干断层扫描（OCT）成像和多光子显微成像等高分辨率生物成像技术中，提供高质量的生物组织结构和功能信息。
另外，晶体光学器件还有一些其他的应用。
比如，晶体光学器件可以用于光学降噪、光学精密测量、光学传导、光学计算和光学存储等领域。
在光学降噪方面，晶体光学器件可以用于去除光学信号中的噪声和杂散，提高信号的质量和可靠性。
正交偏光镜下晶体的光学
04
晶体光学在科学和技术中的应用
光学仪器制造
透镜和反射镜
激光器
晶体光学材料如石英、方解石等常用 于制造透镜和反射镜，用于各种光学 仪器中。
晶体是激光器的重要组成元件，如常 见的红宝石激光器中的红宝石晶体。
干涉仪
利用晶体光学性质，可以制造出各种 干涉仪，用于测量光波的波长、相位 等参数。
晶体材料研究
新技术
随着纳米技术、光子学和量子技 术的发展，有望实现更高效、更 精确的光学器件和系统。
偏光镜和晶体光学在前沿科学中的应用
生物医学成像
利用偏光镜和晶体光学技术，提高生物医学成像的分辨率和清晰 度，为疾病诊断和治疗提供更准确的信息。
光学传感与检测
利用偏光镜和晶体光学器件，实现高灵敏度、高分辨率的光学传感 与检测，用于环境监测、化学分析等领域。
组织光学成像
通过向生物组织中引入光学活性 物质，利用晶体进行光束调制和 成像，实现高分辨率的组织光学 成像。
光声成像
结合晶体和光声效应，可以开发 出新型的光声成像技术，用于无 损检测生物组织内部的病变。
05
正交偏光镜与其他光学仪器的比较
普通偏光镜
普通偏光镜主要用于观察透明 或半透明物质，如玻璃、水晶 等。
学器件的稳定性和耐久性。
智能化与自动化
03
结合人工智能、机器学习等技术，实现光学仪器的智能化与自
动化控制，提高其测量精度和可靠性。
THANKS
感谢观看
偏振片
使自然光变为偏振光的光 学元件。
晶体中的光传播ຫໍສະໝຸດ 双折射现象光线在通过某些晶体时， 会分解为两个偏振方向相 互垂直的折射光。
折射率
光在介质中的传播速度与 真空中的传播速度之比。
《晶体光学》课件
晶体光学的基本原理
光的波动理论
光在晶体中传播时，由于晶体的特殊 结构，光的电场和磁场分量会受到不 同的影响，从而产生折射、反射、衍 射等现象。
光的量子理论
光与物质相互作用时，光子与晶体中 的电子相互作用，产生光电效应、光 磁效应等量子现象。
晶体光学的应用领域
光学仪器设计
激光技术
晶体光学原理被广泛应用于各种光学仪器 和设备的设计与制造，如眼镜、望远镜、 显微镜等。
《晶体光学》课件
目录
• 晶体光学概述 • 晶体光学基础知识 • 晶体光学现象 • 晶体光学实验技术 • 晶体光学发展前沿与展望
01
晶体光学概述
晶体光学的定义与重要性
01
晶体光学是一门研究晶体对光的 传播、折射、反射、衍射等特性 的学科，是光学领域的重要分支 。
02
晶体光学在科技、工业、医学等 领域具有广泛的应用，对于推动 科学技术进步和人类社会的发展 具有重要意义。
新型晶体材料在光学器件、激光器、传感器等领域有着广泛的应用，如利用拓 扑晶体制作新型光子器件，提高光子操控能力；利用钙钛矿晶体制作高效太阳 能电池，实现清洁能源的高效转化。
晶体光学与其他领域的交叉研究
晶体光学与量子信息
量子信息领域的发展为晶体光学提供 了新的研究思路和方法，如利用量子 纠缠和量子干涉等量子效应，实现更 高效的光子操控和信息传输。
光学显微镜
用于观察晶体光学现象和特征 ，是晶体光学实验的基本设备
。
偏光棱镜
用于产生偏振光，是晶体光学 实验中常用的光学元件。
干涉显微镜
用于观察干涉现象和测量晶体 光率体，是研究晶体光学性质
的重要工具。
其他附件
如光源、快门、滤色片等，用 于调节和控制实验中的光线。
晶体的光学元件
B A C
D
1) 格兰—汤普森棱镜 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。
B
D i C
A
1) 格兰—汤普森棱镜 选择胶合剂的折射率n 介于 no 和 ne 之间。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。
光振动垂直板面
光振动平行板面
5.4.1 偏振器 (Polarizer)
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。在光电子技术中，广
泛地采用双折射型偏振器。
输入自然光
输出偏振光
5.4.1 偏振器 (Polarizer)
由晶体双折射特性的讨论己知，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。
B
D i
C
A
(4) 抗损伤能力 一般来说，抗损伤能力对于连续激光约为 l0 w/cm2， 对于脉冲激光约为 104w/cm2。
B
D
i
A C
(4) 抗损伤能力 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，制成如图所示的格兰— 傅科棱镜。这种棱镜的底角 应满足
1 1 arcsin arcsin (114) ne no
称入射光束锥角的限制范围2δm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。
B 2 1
D
A
C
(2) 孔径角
例如, 由方解石晶体制成的格兰—汤普森棱镜, 对于 =0.5893m 的黄光来说, no=1.6584,ne=1.4864，加拿 大树胶的折射率n=1.55。可以计算得到，在方解石一 树胶界面上的 o 光临界角约为690。
6-4 晶体光学器件二剖析
E Ey
O Ex
I0
圆偏振光
P
I
旋转偏振片P一周，出射光强不变化 1 2 出射光强为： I I0 E 2
2）椭圆偏振光通过旋转的检偏器后光强的变化
y E y
P
O
E
Ex
x
I0
椭圆偏振光
P
I
偏振片处于任意位置时： Em E EM
旋转偏振片一周，没有消光现象。 出射光强为：I m I I M
E y E0 y sin t , Ex E0 x cos t 2 2 E E y x 消去 t ，得： ，是正椭圆方程 1 2 2 E0 x E0 y
合振动是正椭圆偏振态。
y E0 y
E0 x
左 旋
y E0 y
右 旋
Ex E x E0 x O E Px O E Px
Ay
（3）先在第三组入射光前放置偏振片，将 偏振片旋至光强最强位置停止旋转。 （4）在偏振片后面放置 / 4波晶片， 将光轴旋至与偏振片透振方向平行。 （5）将偏振片由前面移至后面， 旋转偏振片一周。 若出射光有消光位置，则入射光为 椭圆偏振光，否则为部分偏振光。
左旋： / 2
Ay
右旋： / 2
E0 x E0 y E0时，椭圆偏振态退化为圆偏振态。
y y
左 旋
右 旋
O
E P x
O
E P x
/ 2
/2
4）普遍情形 由 E y E0 y cos( t ) , Ex E0 x cos(t ) 2 2 E 2 Ex E y E y 2 x 消去 t ，得： cos sin 2 2 E0 x E0 y E0 x E0 y 随相位差变化的合振动的偏振态图：
固体物理学基础晶体的光电子学与光电器件
固体物理学基础晶体的光电子学与光电器件晶体是固体物理学研究的重要对象之一，它不仅具有均一的结构和周期性，还表现出许多独特的光电性质。
本文将重点介绍晶体的光电子学性质以及与之相关的光电器件。
一、晶体的光电子学性质晶体在光学领域中扮演着重要的角色，其独特的结构和性质决定了其在光电子学中的特殊地位。
晶体中的光电子学主要涉及晶格结构、能带理论和光学性质等方面。
1. 晶格结构晶体的基本单位是晶胞，晶体通过晶胞的周期性排列形成完整的晶体结构。
晶格结构对晶体的光电性质起着重要的影响。
晶格结构中原子的排列方式决定了晶体的晶格参数和晶格常数，对光的传播和吸收起着决定性的作用。
2. 能带理论晶体中的电子在能量分布上呈现能带结构，能带理论是解释电子能级分布和导电性的重要理论。
在能带理论中，价带和导带之间的能隙决定了固体的导电性质，并对光电子学性质产生显著影响。
3. 光学性质晶体的光学性质主要包括透射、吸收、散射和反射等。
晶体中的电子在光的作用下，会发生光的吸收和散射现象，从而产生响应的光学效应。
光学性质的研究不仅对于认识晶体的基本性质具有重要意义，还为光电器件的设计与制备提供了理论基础。
二、晶体的光电器件晶体的光电子学性质为光电器件的研发和应用提供了充分的条件。
下面将介绍几种常见的晶体光电器件。
1. 光电导晶体器件光电导晶体器件具有将光信号转化为电信号的功能。
光电导效应是当光照射在晶体上时，其光电导特性会发生改变，从而产生电导率变化。
该器件广泛应用于光电信息的检测、传输和转换等领域，如光电导二极管、光电导电缆等。
2. 光电子晶体器件光电子晶体器件是指将光子和电子结合起来实现能量转换和信号传输的器件。
它包括光电二极管、光电三极管、光电晶体管等。
光电子晶体器件具有高速、高灵敏度、低能耗等特点，广泛应用于通信、光电传感和光电逻辑等领域。
3. 光敏晶体器件光敏晶体器件主要利用晶体材料在光照条件下发生光致电荷分离或光诱导电子跃迁的特性，实现光信号的检测和转换。
光学第六章偏振PPT课件
光学信号处理
通过偏振光干涉可以实现光学信 号的相干调制和解调，用于光纤
通信等领域。
光学信息处理
利用偏振光干涉可以实现对光学 信息的处理和分析，如图像处理、
模式识别等。
06
偏振光在光学仪器中的应用
偏振光在摄影镜头中的应用
偏振滤镜
在摄影中，偏振滤镜被用来消除 反光和眩光，提高影像的清晰度 和色彩饱和度。
寻常光和非寻常光。寻常光的折射率 与介质的对称轴方向无关，而非寻常 光的折射率与对称轴方向有关。
偏振光的传播规律
定义
偏振光是指光的电矢量或磁矢量在某一方向上振动的光。
传播规律
在各向异性介质中，偏振光的传播方向会发生改变，同时其偏振状态也会发生变化。具体 传播规律与介质的性质和光的入射角有关。
偏振态的描述
偏振片在光学仪器、摄影、显 示技术等领域有广泛应用。
波片
波片是一种能够改变光波相位差 的光学器件。
它由双折射晶体或光弹性薄膜制 成，能够使入射光的电场分量产 生相位延迟，从而改变光的偏振
状态。
波片在光学干涉、光学调制、光 学滤波等领域有重要应用。
偏振分束棱镜
偏振分束棱镜是一种能够将入射的线偏振光分成两个正交的线偏振分量，并分别沿 着不同的方向传输的光学器件。
光纤通信
在光纤通信中，偏振光被用来提高通信容量和传输速率，因 为光纤中的信号衰减与光的偏振状态有关。
信号处理
在光学信号处理中，偏振光被用来实现各种操作，如偏振分 束、偏振调制和解调等。
THANKS
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部分偏振光
在多个方向上有振动，但 只有一个方向的振动占主 导。偏来自光的应用0102
03
04
光学成像
第六章光在晶体中的传播
第六章光在晶体中的传播第六章光在晶体中的传播光的⼲涉和衍射现象说明光具有波动性，但这不能说明光波的横波性。
1809年Malus 在实验上发现光的偏振现象，后来Maxwell 的电磁理论给出了⾃由空间传播的电磁波是⼀种纯碎的横波。
当光在各向异性的介质中如晶体中传播时，能观察到光的偏振现象。
⼈们能够利⽤光的偏振特性制成各种光学元件，如偏振⽚、波晶⽚、⼲涉仪器、电光调制器、光隔离器等，这些器件在⽣产实践和科学研究中得到了⼴泛应⽤，利⽤光的偏振特性还能够进⾏各种测量。
主要内容：1光波的偏振态；2光在电介质表⾯的反射和折射菲涅⽿公式；3光在各向异性介质中的传播；4晶体光学元件偏振光的获得和检偏；5偏振光的⼲涉及其应⽤；6旋光§ 1 光的偏振态光的偏振现象可以⽤⼀个简单实验来说明。
如图所⽰，让光依次通过两个偏振⽚（polaroid ）P 1和P 2，当不动，以光线为轴旋转P 2逆着光的传播⽅向看去，会发现透过P 2的光强会随着P 2的旋转⽽变化。
当P 2处于某⼀位置时透射的光强最⼤，由此为转过900后，透射的光强减⼩到0，现偏振光完全被挡住。
这种现象称为消光现象（extinction ）。
当继续旋转时，⼜会重复以上现象。
上述实验同时也反映了光波本⾝的性质，即它的振动⽅向与传播⽅向垂直，光波是横波。
历史上，早在电磁波理论建⽴之前的1809年，马吕斯（E.L.Malus)就在实验上发现了光的偏振现象，电磁波理论建⽴之后，⼈们才认识到⾃由空间传播的光波是纯粹的横波，其电⽮量和磁⽮量都垂直于光的传播⽅向。
在与光波的传播的⽅向垂直的平⾯内电⽮量有多种振动状态，我们称之为偏振态（Polarization ），实际中光的偏振态⼤体可分五种，⾃然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光，1.2 偏振⽚（polaroid)检偏器有些晶体对不同⽅向的电磁振动具有选择吸收的性质。
当光线射在这种晶体的表⾯上时，振动的电⽮量（光⽮量）与光轴平⾏时被吸收的较少，光可以较多的通过，如图(a) 所⽰；电⽮量与光轴垂直时被吸收的较多，光通过的很少，如图(b)所⽰，这种性质叫⼆向⾊性（dichroism)。
晶体的常识(教案)
晶体的常识(全套教案)教案章节：第一章至第五章第一章：引言教学目标：1. 了解晶体的定义和特点。
2. 掌握晶体的基本性质。
3. 理解晶体在自然界和人类生活中的应用。
教学内容：1. 晶体的定义和特点2. 晶体的基本性质3. 晶体的应用领域教学活动：1. 引导学生通过观察和描述晶体的图片，初步了解晶体的外观特点。
2. 组织学生进行小组讨论，探讨晶体的性质，如硬度、透明度、结晶形状等。
3. 邀请相关领域的专家进行讲座，介绍晶体在科技、医疗、化妆品等领域的应用。
作业与评估：1. 要求学生完成一篇关于晶体应用领域的研究报告。
2. 组织学生进行晶体展示，评估他们对晶体知识的掌握程度。
第二章：晶体的类型教学目标：1. 掌握不同类型晶体的结构特点。
2. 了解晶体类型的分类方法。
3. 熟悉常见晶体的类型和应用。
教学内容：1. 晶体类型的分类方法2. 不同类型晶体的结构特点3. 常见晶体的类型和应用教学活动：1. 组织学生进行小组讨论，了解晶体类型的分类方法。
2. 通过图片和实物展示，引导学生观察和描述不同类型晶体的结构特点。
3. 邀请相关领域的专家进行讲座，介绍常见晶体的类型和应用。
作业与评估：1. 要求学生完成一篇关于晶体类型的研究报告。
2. 组织学生进行晶体类型展示，评估他们对晶体类型知识的掌握程度。
第三章：晶体的生长与形成教学目标：1. 了解晶体生长与形成的过程。
2. 掌握晶体生长的基本原理。
3. 熟悉影响晶体生长的因素。
教学内容：1. 晶体生长与形成的过程2. 晶体生长的基本原理3. 影响晶体生长的因素教学活动：1. 引导学生通过观察和描述晶体生长过程的图片，了解晶体生长与形成的过程。
2. 组织学生进行小组实验，探究晶体生长的基本原理。
3. 邀请相关领域的专家进行讲座，介绍影响晶体生长的因素。
作业与评估：1. 要求学生完成一篇关于晶体生长与形成的实验报告。
2. 组织学生进行晶体生长与形成的展示，评估他们对晶体生长与形成知识的掌握程度。
固体光学晶体光学6课件
激光加工的应用
激光切割
固体光学晶体可以作为激光切割机的增益介质，通过激光束的聚 焦和扫描，实现金属、玻璃、陶瓷等材料的切割。
激光打标
固体光学晶体可以作为激光打标机的增益介质，通过激光束的聚焦 和扫描，实现各种材料的表面打标。
激光焊接
固体光学晶体可以作为激光焊接机的增益介质，通过激光束的聚焦 和扫描，实现金属、玻璃、陶瓷等材料的焊接。
未来发展趋势与挑战
1 2
新材料与新技术的推广应用
随着新材料与新技术的不断涌现，如何将这些技 术应用到实际生产中，实现产业化发展，是未来 的重要趋势。
跨学科合作与技术融合
光学晶体的发展需要多学科交叉合作，如物理学 、化学、材料科学等，实现技术融合和创新。
3
可持续发展与环保要求
随着人们对环保意识的提高，如何实现晶体的绿 色制备和可持续发展是未来的重要挑战。
01
02
03
调制器
固体光学晶体可以作为调 制器，用于将低频信号转 换为高频信号，实现光信 号的调制。
滤波器
固体光学晶体可以作为滤 波器，用于滤除光信号中 的噪声和干扰，提高光通 信系统的性能。
放大器
固体光学晶体可以作为放 大器，用于放大光信号， 提高光通信系统的传输距 离和速度。
光学传感器的应用
折射率传感器
晶体结构与性质
晶体结构
固体光学晶体的原子在空间中按一定 规律重复排列，形成晶体结构。
光学性质
固体光学晶体具有高透过、低散射、 高折射率等光学性质，可用于制造光 学元件和器件。
晶体的应用领域
01
02
03
04
激光技术
固体光学晶体可用于制造激光 器，如Nd:YAG、LiSAF等。
晶体光学PPT课件
3）折射率椭球的作用
当已知 D 矢量的方向，可求出对应的折射率 n。 由 D 的方向余弦（ lx ,ly ,lz ），由于 r D ，故 r
的方向余弦也是（ lx ,ly ,lz ），r 的长度等于 n
于是： x rlx nlx, y rly nly , z rlz nlz
代入式（6－41）得： n ( lx2
给出了晶体中 D 矢量方向与介电常数 关系的椭球模型。
在主轴坐标系中有
x2 y2 z2 1
x /0 y /0 z /0
（6－39）
由于菲涅耳生活在 19 世纪初，光的电磁理论尚未问世， 当时认为光的速度与媒质的弹性模量有关。因此该椭球 称为弹性模量椭球或惯性椭球。
1876 年 光 的 电 磁 理 论 建 立 之 后 ， 利 用
1 和n= c 的关系，上述固体弹性理论的椭
0
0
球模型就自然的转化为电磁理论的介电常数椭球，或折 射率椭球模型。在主轴坐标系中，是正椭球，表示为：
x2 nx2
y2 ny2
z2 nz 2
1
（6－41）
上述模型可利用光的电磁理论中的能量定律加以证明。
晶体主轴系中的折射率椭球
折射率椭球的物理意义
6.2.1晶体的光学各向异性及其描述
1、物质方程
由方解石的双折射看出，晶体对不同 D 方向的光波呈现 不同的折射率。因而是光学各向异性媒质，这种光学各 向异性来源于晶体原子结构的各向异性。晶体是由带电 粒子组成的（如原子，分子，晶胞）。每个带电粒子正 负电荷中心不重合，形成电偶极子。由于各电偶极子定 向排列，产生了极化（用电极化强度 p 表示）。因而对 不同 D 的电磁场能区别对待，产生不同的光学性质。
ly2
第六章 晶体光学器件.
第6章晶体光学器件双折射晶体在光无源器件中有着广泛的应用，可以制成光隔离器、光环行器、偏振光合束器和光学梳状滤波器等多种光器件。
光学梳状滤波器同时隶属波分复用器件的范畴，将在第七章介绍。
本章重点介绍基于双折射晶体的光隔离器、光环行器和偏振光合束器。
6.1 晶体光学基础光无源器件中常用的双折射晶体一般是单轴的，此处从应用的角度，先对单轴晶体的光学特性作一些简单的介绍。
6.1.1 单轴晶体中的双折射现象在各向同性介质中，光能量的传播方向（即光线方向S）与光波的传播方向（即波法线方向K）总是保持一致的。
而在各向异性的双折射晶体中，存在两种光波：一种是寻常光（o光），其光线方向与波法线方向保持一致；另一种是非寻常光（e光），其光线方向偏离波法线方向。
一般情况下，o光与e光在双折射晶体中的折射率不一样，因此传播速度也不相同。
在双折射晶体中，存在一些特殊的方向，沿此方向传输的光波，o光与e光的光线完全重合，并且传播速度也完全相同，或者说只有o光而没有e光，这些特殊方向称为晶体的光轴。
单轴晶体只存在一个光轴，其折射率椭球如图6.1所示，o光折射率小于e光折射率的晶体称为正单轴晶体，其折射率椭球为橄榄状的长椭球形；o光折射率大于e光折射率的晶体称为负单轴晶体，其折射率椭球为飞碟状的扁椭球形。
图6.1 单轴晶体的折射率椭球折射率椭球的物理意义可由图6.2解释，图中所示为正单轴晶体，o光和e光的波法线分别为K o和K e，过原点并垂直波法线作折射率椭球之截面，对o光和e光各得到一个椭圆形截面，每个椭圆均有长轴和短轴两条轴线，对o光取位于水平面内的轴线长度n o为其折射率，对e光则取非位于水平面内的轴线长度n2为其折射率。
如图6.2所示，当波法线与光轴方向一致时，所得截面是一个位于水平面内的圆形，只有一个轴线长度n o ，因此只有o 光而没有e 光。
当波法线垂直光轴时，所得截面是一个位于竖直平面内的椭圆，长轴和短轴分别为n e 和n o ，因此o 光和e 光的光线在空间上仍然重合，但是传播速度不同，产生位相差。
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第6章晶体光学器件双折射晶体在光无源器件中有着广泛的应用，可以制成光隔离器、光环行器、偏振光合束器和光学梳状滤波器等多种光器件。
光学梳状滤波器同时隶属波分复用器件的范畴，将在第七章介绍。
本章重点介绍基于双折射晶体的光隔离器、光环行器和偏振光合束器。
6.1 晶体光学基础光无源器件中常用的双折射晶体一般是单轴的，此处从应用的角度，先对单轴晶体的光学特性作一些简单的介绍。
6.1.1 单轴晶体中的双折射现象在各向同性介质中，光能量的传播方向（即光线方向S）与光波的传播方向（即波法线方向K）总是保持一致的。
而在各向异性的双折射晶体中，存在两种光波：一种是寻常光（o光），其光线方向与波法线方向保持一致；另一种是非寻常光（e光），其光线方向偏离波法线方向。
一般情况下，o光与e光在双折射晶体中的折射率不一样，因此传播速度也不相同。
在双折射晶体中，存在一些特殊的方向，沿此方向传输的光波，o光与e光的光线完全重合，并且传播速度也完全相同，或者说只有o光而没有e光，这些特殊方向称为晶体的光轴。
单轴晶体只存在一个光轴，其折射率椭球如图6.1所示，o光折射率小于e光折射率的晶体称为正单轴晶体，其折射率椭球为橄榄状的长椭球形；o光折射率大于e光折射率的晶体称为负单轴晶体，其折射率椭球为飞碟状的扁椭球形。
图6.1 单轴晶体的折射率椭球折射率椭球的物理意义可由图6.2解释，图中所示为正单轴晶体，o光和e光的波法线分别为K o和K e，过原点并垂直波法线作折射率椭球之截面，对o光和e光各得到一个椭圆形截面，每个椭圆均有长轴和短轴两条轴线，对o光取位于水平面内的轴线长度n o为其折射率，对e光则取非位于水平面内的轴线长度n2为其折射率。
图6.2 正单轴晶体中的光波与折射率如图6.2所示，当波法线与光轴方向一致时，所得截面是一个位于水平面内的圆形，只有一个轴线长度n o ，因此只有o 光而没有e 光。
当波法线垂直光轴时，所得截面是一个位于竖直平面内的椭圆，长轴和短轴分别为n e 和n o ，因此o 光和e 光的光线在空间上仍然重合，但是传播速度不同，产生位相差。
一般情况下，波法线与光轴成夹角θ，所得椭圆截面的长轴和短轴分别为n 2和n o ，o 光波法线K o 与e 光波法线K e 分开一定角度，o 光的光线S o 与波法线K o 方向一致，e 光的光线S e 与波法线K e 之间存在离散角α。
在正单轴晶体中，e 光的光线比波法线更靠近光轴，而负单轴晶体中的情况正好相反。
o 光与e 光波法线之间的夹角取决于入射光波在晶体界面上的折射情况，而e 光的折射率n e 和离散角α均取决于其波法线K e 与光轴的夹角θ，如式（6.1）和式（6.2）。
θθ22222cos sin e o eo n n n n n += （6.1）θθα22222tan 1tan 1tan e o e o n n n n +⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= （6.2）在正单轴晶体中，n o<n e，由式（6.2）可知α>0，表示e光的光线比波法线更远离光轴方向；在负单轴晶体中，α<0，表示e光的光线比波法线更靠近光轴方向。
双折射晶体中，e光的折射率与其传播方向有关，因此传播速度也与方向相关。
根据图6.1中的折射率椭球，可以绘制相应的波面椭球，如图6.3所示。
波面代表光波的等相位面，o光与e光的波面椭球在光轴方向内切，正单轴晶体的e光波面椭球内切于o光波面椭球，表示e光传播速度慢于o光，负单轴晶体反之。
图6.3 单轴晶体中的波面图6.4中以惠更斯作图法绘出了光在空气―单轴晶体界面上的各种折射情况，图中的半圆和半椭圆分别代表o光和e光的波面。
当光轴垂直于界面且光波正入射时，只有o光。
当光轴与界面平行且光波垂直入射时，出现o光和e光两种光波，二者传播方向保持一致，而传播速度不同，产生相位差。
当光轴与界面法线成任意角度θ且光波垂直入射时，e光的波法线仍与o光波法线重合，但是e光的光线出现离散角α。
一般情况是，光轴与界面法线成任意角度θ且光波斜入射，此时e光波法线偏离o光波法线，并且e光的光线与波法线存在离散角α。
图6.4 正单轴晶体中的光折射在各向同性介质中，光线方向总是与波法线一致，因此可以直接以折反射定律来分析光线的传播情况。
在各向异性的双折射晶体中，e光的波法线遵守折反射定律，而光线不再遵守此定律，因此必须先通过折反射定律得到e光的波法线方向，再根据离散角得到光线方向，最终得到的光线与光轴夹角为θ+α，注意当n o<n e时α<0，当n o>n e 时α>0。
斜入射情况下，e光波法线偏离o光波法线，这是因为二者折射率不同，造成折射角不同。
6.1.2 半波片当波矢垂直光轴传输时，如图6.4中的第二种情况，o光与e光在空间上没有发生分离，但是传播速度不一样，产生相位差，如式（6.3）。
利用单轴晶体的这个特性，可以制成波片，如图6.5所示，晶体的光轴平行于表面。
dnneo-=λπδ2（6.3）图6.5 双折射晶体波片o光偏振方向垂直于光轴，e光偏振方向平行于光轴，二者在波片中的传播速度不同。
习惯上在波片上定义快轴和慢轴两个方向，偏振方向沿快轴的光束传播速度较快，而偏振方向沿慢轴的光束传播速度较慢。
在正单轴晶体制成波片中，o光比e光传播速度快，因此快轴沿光轴的正交方向；在负单轴晶体制成的波片中，快轴沿光轴方向。
快轴与x轴成α角，产生位相差为δ的波片，其传输矩阵如式（6.4）。
αδαδαδαδδ2cos2tan12sin2tan2sin2tan2cos2tan12cosjjjjT+---=（6.4）当光程差λ)2/1(+=∆m，即相位差πδ)12(+=m时，我们称之为半波片，传输矩阵如式（6.5）。
αααα2cos2sin2sin2cos-=T（6.5）偏振方向与x轴成φ角的线偏振光，可用琼斯矢量描述，如式（6.6），它与半波片快轴所成角度为φ-α。
ϕϕsincos=E（6.6）通过半波片之后，其琼斯矢量变化如式（6.7）。
()()ϕαϕα--=⋅=2sin 2cos 'E T E （6.7）琼斯矢量（6.7）所代表的仍然是一束线偏振光，其偏振方向与x 轴成2α-φ角，它与半波片快轴所成角度为α-φ，与入射线偏振光对称分布于快轴的两侧，如图6.6所示。
图6.6 线偏振光通过半波片前后的偏振态从以上那个分析可知，当入射线偏振光的偏振方向与波片快轴夹角为θ时，通过之后，偏振方向旋转2θ角度，对称变换到快轴的另一侧，如图6.7所示。
图6.7 半波片的旋光功能6.1.3 旋光片+半波片线偏振光通过某些介质时，其偏振方向发生偏转，并且偏转角度随传播距离的增加而增加，这些介质被称为旋光介质。
在强磁场的作用下，有些本来不具有旋光特性的介质，也能产生旋光作用，称为磁致旋光效应或者法拉第效应。
单位长度介质长生的旋光角度，称为这种物质的旋光本领，或者旋光系数。
自然界的天然物质，其旋光本领非常有限，往往需要很长的介质才能产生所需的旋光角度，而人工旋光材料可以获得大得多的旋光系数，得到广泛应用。
磁致旋光有一个特点，就是在磁场方向确定的情况下，无论光波沿正向还是反向通过旋光材料，其光矢量（即偏振方向）的旋转方向是不变的，这种特性被称为非互易性。
光通信器件中常用的是45º角法拉第旋光片，在光环形器中，往往将一个旋光片与一个半波片配合使用，如图6.8所示。
水平偏振的正向光首先通过旋光片，光矢量顺时针旋转45º，与半波片的快轴成22.5º夹角，通过半波片之后，光矢量再顺时针旋转45º，成为竖直偏振光。
竖直偏振的反向光首先通过旋光片，光矢量逆时针旋转45º，通过旋光片时再顺时针旋转45º，出射时仍为竖直偏振光。
图6.8 旋光片+半波片的旋光功能因此，“旋光片+半波片”结构的作用是，对正向光的偏振方向旋转90º，对反向光的偏振方向无影响。
6.1.4 位移晶体位移晶体是光通信器件中常用的一种光学原件，其功能是将一束自然光或者随机偏振光，分成相互平行且偏振方向正交的两束光。
位移晶体通常以单轴晶体制作，外形为长方体，光轴方向与入射面法线成角度θ，如图6.9所示。
图中光波为正入射，对应图6.4中的第三种情况，e 光波法线与o 光波法线方向一致，而e 光光线以离散角α偏离。
图6.9 位移晶体结构晶体长度L 与两束光分开距离d 的比值，是评价位移晶体分光能力的重要指标，分光能力取决于离散角α，如式（6.8）。
αtan :1:=d L （6.8）由式（6.2）经过简单的数学处理得到，当e 光的波法线与光轴夹角θ满足式（6.9）时，离散角达到最大值，如式（6.10）。
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=o e c n n arctan θ （6.9） ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=e ooen n n n 21arctan max α （6.10） 由式（6.10）可知，o 光与e 光折射率差越大的晶体，其发散角越大。
位移晶体常用的材料是钒酸钇（YVO 4），它是一种正单轴晶体，对应1.55μm 波长的折射率为n o =1.9447，n e =2.1486，折射率差为Δn =0.2039。
将YVO 4的折射率参数代入式（6.8-6.10）和式（6.1），得到当θc =47.85º时，n 2=2.0492，αmax =5.7º，L ׃d =10׃1，这是YVO 4晶体能达到的最大分光能力。
在光环形器和光学梳状滤波器等器件中，常常将两个位移晶体配对使用，如图6.10所示，第一个位移晶体将入射的随机偏振光分成p 光和s 光，经过其他光学元件的处理之后，完成某种器件功能，再由第二个位移晶体重新合为一束输出，注意其他光学元件中包含o光→e光和e光→o光的变换功能。
图6.10 两个位移晶体配对使用情况我们注意到，图6.10中的光路并不对称，输入输出光束不在元件的中轴线上，这个器件封装带来困难。
我们可以对位移晶体进行改进，如图6.11所示，晶体的输入输出端面为相互平行的斜面，斜面角度为γ。
图6.11 改进的位移晶体结构水平入射的光束经前端面折射之后，o光和e光的光线对称分开，经后端面折射之后，恢复到水平方向。
为了将o光和e光的光线对称分开，斜角γ需特别设计，由于γ一般较小，我们可以用近轴光线作近似分析。
经过前端面的折射之后，o光和e光波法线方向（与水平线的夹角）分别如式（6.11）和式（6.12），考虑到离散角αmax，e光的光线方向如式（6.13），o光和e光的光线对称分开，即r os=r es，得到晶体端面斜角γ如式（6.14）。
o o es ok n n r r /)1(γ-≈= （6.11）22/)1(n n r ek γ-≈ （6.12）22max /)1(n n r es γα--≈ （6.13）2max /1/12n n o --≈αγ （6.14）以YVO 4晶体为例，根据式（6.11-6.14）得到端面斜角为γ=5.71º，光轴方向为χ=θc -r ek =44.93º，晶体长度L 则根据分光距离d 按照L ׃d =10׃1来确定。