Transcript 第17讲

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)
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。
B
A
B
D
D

C
i
A
(a) 立体图
C
(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。
B
D
A


i
i
A
D
C
B
C
E
改进型格兰—汤普森棱镜
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。
A
D


B
C
对于负单轴晶体，分开的角度近似为：
  2arcsin[(none) tan ]
对于方解石棱镜，  角一般为10~ 40 。例如，当 =45 时，
 ≈2040。
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。
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。
B
D

2


1
A
C
孔径角的限制
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 2m(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:
1
1
arcsin
   arcsin
ne
no
D
B
i

A
C
格兰—傅科棱镜
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。
光轴平行于晶片表面，设为x3方向。
x1
x3
d
x2
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 D 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 ：

2π

(no  ne )d
 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。
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:
2
2
 E1   E3 
E1 E3
2
      2
cos   sin 
Ao Ae
 Ao   Ae 
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。
1) 全波片
全波片的附加相位延迟差为:

2π

(no  ne )d  2mπ
m  1,  2, 
2
所以
 E1 E3 

  0

 Ao Ae 
即：
Ao
E1  E3  tan  E3
Ae
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。
由   2π (no  ne )d  2mπ

全波片的厚度：
m  1,  2,  得
m
d

no  ne
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,
2
由此得：
即
 E1 E3 

  0

 Ao Ae 
Ao
E1  
E3  tan(  ) E3
Ae
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 ：
2m  1 
d
no  ne 2
3) 1/4 波片
1/4 波片的附加相位延迟差为:
2π
π
  (no n e )d  (2m  1)

2
由此得：
m=0, ±1, ±2, …
E12 E32
 2 1
2
Ao
Ae
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/ 2 ，出射光为一圆偏振光：
1 2
E E  A
2
2
1
2
3
1/4 波片的厚度：
2m  1 
d
no  ne 4
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 0.5m
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 1.06m的 1/4 波片，对0.53m 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。
d1
d2
A
M
B
巴俾涅补偿器
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：


2π

2π

[( ne d1  no d 2 )  (no d1  ne d 2 )
(no  ne )( d 2  d1 )
当入射光从补偿器上方不同位置射入时，相应的(d2d1)
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，(d2d1)值随上劈移动而变化，
值随之改变。因此调整(d2d1)值，便可得到任意的 值。
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