§6.2 晶体光学器件

1. 6 光的双折射与光调制 §6.2 晶体光学器件

2. 6.2 晶体光学器件 6 光的双折射与光调制 主要内容 1. 起偏与检偏器件 2. 相位延迟器件——波片

3. A D e→o c a g c B o→e C 图6.2-1 渥拉斯顿棱镜（负晶体） 6.2 晶体光学器件 6 光的双折射与光调制 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 (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 常用材料： 方解石晶体（no>ne） 两光束夹角： (6.2-1)

4. A D A e→o D c c a a o→o e→e n=ne c B o→e C B C 图6.2-2 洛匈棱镜（负晶体） 图6.2-3 玻璃+方解石棱镜 6 光的双折射与光调制 6.2.1 起偏与检偏器件 6.2 晶体光学器件 说明： 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

5. (2) 尼科耳棱镜 A' A A'（C） C c 48o c c 71o 68o B D D' B（D'） 图6.2-4 尼科耳棱镜（负晶体） 6 光的双折射与光调制 6.2.1 起偏与检偏器件 6.2 晶体光学器件 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。 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. C A' C c e c o B D' D' 尼科耳棱镜分光原理 6 光的双折射与光调制 6.2.1 起偏与检偏器件 6.2 晶体光学器件 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。 结论：与玻片堆类似，尼科耳棱镜可以用作起偏和检偏器。

7. 6 光的双折射与光调制 6.2.1 起偏与检偏器件 6.2 晶体光学器件 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。

8. (3) 格兰棱镜 c 38.5o 38.5o c c 38.5o 38.5o c 吸光涂层 吸光涂层 (b) (a) 图6.2-5格兰-傅科棱镜（负晶体） 6 光的双折射与光调制 6.2.1 起偏与检偏器件 6.2 晶体光学器件 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）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。

9. 格兰-汤普森棱镜： c e o c 图6.1-6 格兰-汤普森棱镜（负晶体） 6 光的双折射与光调制 6.2.1 起偏与检偏器件 6.2 晶体光学器件 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。

10. (4) 二向色性偏振片 6 光的双折射与光调制 6.2.1 起偏与检偏器件 6.2 晶体光学器件 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。 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。

11. (5) 线栅偏振器 线栅偏振器 6 光的双折射与光调制 6.2.1 起偏与检偏器件 6.2 晶体光学器件 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。 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。

12. (6) 散射型偏振片 光轴 ZK2 NaNO3 散射型偏振片 6 光的双折射与光调制 6.2.1 起偏与检偏器件 6.2 晶体光学器件 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。退火处理后，即成为散射型偏振片。 原理：硝酸钠晶体对黄绿光的主折射率为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。 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。

13. 6.2.2 相位延迟器件——波片 A Ae q z Ao c c 图6.2-7 平面偏振光在单轴晶体表面的分解 6.2 晶体光学器件 6 光的双折射与光调制 (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。 o光和e光的振幅： (6.2-2)

14. 6 光的双折射与光调制 6.2.2 相位延迟器件——波片 6.2 晶体光学器件 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。

15. (2) 单轴晶片的快慢轴 光轴 快（慢）轴 光轴/慢轴 光轴/快轴 负晶体 正晶体 慢（快）轴 光线 光线 光线 快轴 慢轴 6 光的双折射与光调制 6.2.2 相位延迟器件——波片 6.2 晶体光学器件 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 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。

16. (3) 四分之一波片（l/4片） 6 光的双折射与光调制 6.2.2 相位延迟器件——波片 6.2 晶体光学器件 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： ，j=0, 1, 2, 3, ··· (6.2-6) 最小厚度： (6.2-7) 最小相位差： (6.2-8) （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

17. (4) 二分之一波片（l/2片） 6 光的双折射与光调制 6.2.2 相位延迟器件——波片 6.2 晶体光学器件 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 (6.2-9) ，j=0, 1, 2, 3, ··· (6.2-10) 透过l/2片的o光和e光的相位差： ，j=0, 1, 2, 3, ··· (6.2-11) 最小厚度： (6.2-12) 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

18. (5) 全波片（1l片） 6 光的双折射与光调制 6.2.2 相位延迟器件——波片 6.2 晶体光学器件 定义：厚度正比于波长整数倍的平行平面单轴晶片，即 (6.2-13) ，j=0, 1, 2, 3, ··· (6.2-14) 透过1l片的o光和o光的相位差： ，j=0, 1, 2, 3, ··· (6.2-15) 最小厚度： (6.2-16) 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2p或其整数数倍大小的相位差

19. l/2（平行叠置） 平板玻璃（正交叠置） 1l（平行叠置） 平板玻璃（正交叠置） l/4 l/2 l/4 l/2 6 光的双折射与光调制 6.2.2 相位延迟器件——波片 6.2 晶体光学器件 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。

20. (6) 任意波片——相位补偿器 c c c 图6.2-9 索累补偿器 6 光的双折射与光调制 6.2.2 相位延迟器件——波片 6.2 晶体光学器件 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 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

21. 本节重点 6.2 晶体光学器件 6 光的双折射与光调制 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