5.4 晶体光学元件

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 A C
(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
片对入射光具有遮蔽和透过的功能，可使纵向光或横
向光一种透过，一种遮蔽。
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 这种偏振片是利用双折射晶体的散射起偏的，其结构 如图所示：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(NaN03)晶体。
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。


2) 渥拉斯顿棱镜
第一块棱镜中的o 光变为e光，由于方解石为负单轴
晶体(ne＜no),因此 o 光将远离界面法线偏折。

n1 sin 1 n2 sin 2

2) 渥拉斯顿棱镜 第一块晶体中的 e 光，现在变为 o 光，靠近法线偏 折。这两束光在射出棱镜时，将再偏折一次。这样, 它们对称地分开一个角度。
2
2
(116)
将其代入(116)式，得
E1 E3 0 Ao Ae
2
2) 半波片 即
Ao E1 E3 tan( ) E3 Ae
(121)
该式也为一直线方程，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。

2
2) 半波片 半波片的厚度为
m d no ne
(119)
2) 半波片 半波片的附加相位延迟差为

2π

(no ne )d (2m 1)π
m 0, 1, 2, (120)
E1 E3 E1 E3 2 cos sin 2 Ao Ae Ao Ae
2
2
(116)
1) 全波片
将其代入(116)式，得
E1 E3 0 Ao Ae
2
即
E1
Ao E3 tan E3 Ae
(118)
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。
1) 全波片
将全波片放入光路中, 不改变光路的偏振状态。


光轴
全波片的厚度为
2 2
2 cos sin
mπ(m 0, 1, 2, ) 线偏振光
mπ/2 (m 1, 3, 5) 圆偏振光
2mπ< <(2m+1)π (2m 1)π< <2mπ
椭圆偏振光
1. 波片
波片是一种对二垂直振动分量提供固定相位差的元件. 它通常是从单轴晶体上按一定方式切割、有一定厚度
100％
ne n <no
50％
Rs
0％
n1>n2
Rp 00
B C
900
1) 格兰—汤普森棱镜 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。
B
D i

A C
1) 格兰—汤普森棱镜 在要求偏振度很高的场合，都是把格兰一汤普森棱镜
2m 1 d n

(no ne )d (2m 1)π
的平行平面薄片, 其光轴平行于晶片表面, 设为x3 方向.
x1 x 3
d
x2
1. 波片
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，它们的 D 矢量分别平行 于 x1 和 x3 方向，其折射率分别为 no 和 ne。
x1 x 3
d
x2
1. 波片
由于二光的折射率不同，它们通过厚度为d 的波片后, 将产生一定的相位差，且
光轴
NaNO3
ZK2
1) 散射型偏振片 硝酸钠晶体对于垂直其光轴入射的黄绿光主折射率为 no=1.5854，ne=1.3369，而光学玻璃对这一段光的折射 率为n=1.5831，与 no非常接近，而与 ne 相差很大。
光轴
2) 二向色型偏振片
所谓二向色性，就是有些晶体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
B
D i
C

A
(4) 抗损伤能力
例如,由方解石制成的格兰—傅科棱镜,对于=1m 的 红外光, no=1.6408,ne=1.4790，在方解石—空气界面 上,o 光的临界角约为37.50，e 光的临界角约为42.60, 因此可选择＝400，由此可定出有效孔径角约为70。
n2 1.0 c1 arcsin arcsin 37.50 n1 1.6408 n2 1.0 c2 arcsin arcsin 42.60 n1 1.4790
方解石晶体 光轴
He－Ne激光束
450
5.4.1 偏振器 (Polarizer)
由于由晶体射出的两束光通常靠得很近，不便于分 离应用。
2 ne2 no M arctan 2no ne
(61)
5.4.1 偏振器 (Polarizer)
实际的双折射偏振器，或者是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，而让 另一束光顺利通过。
n2 1.55 c arcsin arcsin 690 n1 1.6584
(2) 孔径角
因此，棱镜的底角 应大于 690。
B
D i

A C
(2) 孔径角 若选＝71.50，则由 tan =AC/AB 可定出棱镜的长度 比为3:1，有效孔径角约为70；若选 ＝810，则棱镜 的长宽比为6.31:1，有效孔径角接近400。
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

A C
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。
(4) 抗损伤能力
这种偏振棱镜的抗损伤能力,对于连续激光100 W/cm2, 对于脉冲激光为2108W/cm2。但是，由于e 光是在接 近临界角的情况下通过方解石—空气界面的，所以反 射损耗较大,透过率较低。
B D i A C
37.50 400 42.60
2. 偏振片
可以使天然光变成偏振光的光学元件叫偏振片。偏振
输光中垂直光轴的寻常光矢量分量吸收很强烈。
光轴
2) 二向色型偏振片 缺点是有颜色，透过率低，对黄色自然光的透过率仅 约 30％。
碘链
聚乙烯醇
5.4.2 波片和补偿器 (Wave plate and compensator)
一束偏振光的任意两个相互垂直振动的分量相位是相
关的，其相位差决定了该光的偏振状态。
2π


(no ne )d （ ） 115
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。
1. 波片
一束线偏振光垂直射入波片, o 光和 e 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
E1 E3 E1 E3 2 cos sin 2 Ao Ae Ao Ae
5.4 晶体光学元件 (Crystal optics elements) 下面讨论光学和光电子技术中的重要光学元件—偏 振器、波片和补偿器。
5.4.1 偏振器 (Polarizer)
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。
（1）线偏振；（2）圆偏振；（3）椭圆偏振
5.4.2 波片和补偿器 (Wave plate and compensator) 波片和补偿器就是能对偏振光的两个垂直振动分量的 相位差给予补偿，从而改变光偏振状态的元件。
Ex E y Ex E y 2 E E0x 0y E0x E0y
100％
B
D

i 1
50％
Rs C
0％
n1>n2
A
Rp 00
B C
900
(2) 孔径角
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。