（光学专业论文）偏光棱镜透射比的入射角效应.pdf

摘要第1 虹 摘要 近年来随着激光技术的飞速发展，偏光器件成为偏光技术发展的重要器 件，并只益广泛的应用在光信息处理、光通讯、激光应用技术以及成像系统 等多个方面。偏光器件的作用是将非偏振光变为线偏振光、圆偏振光或椭圆 偏振光，完成偏振态之问的转换。透射比是标志偏光棱镜的一个重要的参数。 影响偏光棱镜透射比的因素很多，比如波长、温度、入射角、胶合层的吸收 等。对于上述因素，近年来国内外学者对它们或多或少都有所研究，但他们 的研究多针对具有代表性的格兰一泰勒棱镜。 本文将在前人研究的基础上，就入射角对格兰一泰勒棱镜和马普赫斯棱 镜透射比的影响方面作一个对比研究，从理论推导与实验验证两个方面给与 分析，概括起来主要有以下几个方面的内容： 在绪论中综合阐述了产生偏振光的主要方法，偏光器件的应用范围、制 作材料。常见激光偏光棱镜的主要设计形式以及表征偏光棱镜的性能的主要 参数。介绍了国内外的相关研究现状，课题的来源和选题的意义。第二章首 先介绍了激光偏光棱镜的设计原理，然后简要介绍了尼科尔棱镜，几种胶合 型棱镜起偏器。相对详细地介绍了空气隙型棱镜中的格兰泰勒棱镜以及复合 型棱镜中的马普一赫斯棱镜，最后又对偏光分束镜，相位延迟器件以及退偏器 件作了简要的介绍。 第三章首先给出了光反射的基本理论菲涅耳公式、光干涉的基础理论介 质膜干涉，在此基础上分别导出了考虑胶合层间存在的多光束干涉现象和不 考虑胶合层问存在的多光束干涉现象时格兰泰勒棱镜和马普一赫斯棱镜的光 强透射比公式。尤其重点地讨论了存在多光束干涉时两种棱镜的透射比公 式，将根据两公式所作的曲线加以比较总结出对于结构角和入射波长确定的 格兰泰勒棱镜和马普赫斯棱镜来说，入射角和透射比之问的关系。 第四章在前一章理论推导的基础上，分别设计了相关的透射比实验，并 且根据所测量的结果绘出了实验曲线。同时根据前一章所推导的理论公式绘 出相应的理论曲线。将实验曲线与理论曲线进行对比，并考虑到多种误差因 素，试验结果能够较好的验证我们理论公式。 为了更为全面地了解影响透射比的相关因素，在第四章还给出了影响透 摘要第21 j 射比的其他因素如温度、晶体内部的应力双折射、入射光的波长、胶合层介 质的吸收、棱镜制作材料的吸收和散射、胶合层的厚度、棱镜加工工艺等并 对它们进行简要说明。 本论文的主要创新之处在于：在讨论入射角对棱镜透射比的影响时，不 仅仅考虑了平面入射角对透射比的影响，还综合考虑了方位角对透射比的影 响；分析讨论了入射角对复合型棱镜马普赫斯棱镜的透射比的影响：将马普 赫斯棱镜的透射比随入射角变化的曲线与格兰泰勒棱镜作一对比研究，指 出马普一赫斯棱镜在一些要求视场角较大，光强透射比稳定的应用技术中， 比格兰一泰勒棱镜更有优势。 关键词：偏振光学；偏光棱镜：透射比；多光束干涉；入射角： 万位角； 摘篓 第3 艇 a b s t r a c t r e c e n t l yw i t ht h ec o n t i n u a ld e v e l o p m e n to fl a s e rt e c h n o l o g y ，p o l a r i z e r s h a v eb e c o m ea ni m p o r t a n td e v i c ea n da r ei n c r e a s i n g l yw i d eu s e di nt e c h n i c a l f i e l d so fo p t i c a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，l a s e ra c t i o na n d i m a g e - f o r m i n gs y s t e me r e t h ef u n c t i o no fp o l a r i z e ri st ot r a n s f o r mn o n - p o l a r i z e d l i g h ti n t op o l a r i z e dl i g h t ，c i r c u l a r l yp o l a r i z e dl i g h ta n de l l i p t i c a lp o l a r i z e dl i g h t i t i st of i n i s ht h ef u n c t i o no f t r a n s f o r m a t i o no fp o l a r i z a t i o ns t a t e t r a n s m i s s i o ni sa n i m p o r t a n tp a r a m e t e rw h i c hm a r k sp o l a r i z e r s t h e r ea r em a n yf a c t o r sw h i c ha f f e c t t h et r a n s m i s s i o no fp o l a r i z e r s ，s u c ha sw a v e l e n g t h ，t e m p e r a t u r e ，i n c i d e n ta n g l e ， i m b i t i o no fc e m e n t i n gl a y e ra n de t c r e c e n t l ys o m ew o r k e r sa th o m ea n da b r o a d h a v ed o n es o m er e s e a r c h e so nt h e s ef a c t o r s ，h o w e v e rt h o s er e s e a r c h e sa r em o s t l y o nt h ec l a s s i c a lg l a n t a y l o rp o l a r i z e r b a s i n go np a s tr e s e a r c h e s ，t h i sp a p e rw i l ld oac o m p a r i s o nr e s e a r c ho nt h e m a r p l e ，h e s sp r i s ma n dg l a n t a y l o rp r i s m i tw i l lb ea n a l y s i sf r o mt h e o r e t i c a l d e r i v a t i o na n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n g e n e r a l l y , t h em a i nc o n t e n ti sa s f o l l o w s ： i nt h ei n t r o d u c t i o n ，w es u m m a r i z e dt h ew a y sp r o d u c i n gp o l a r i z e dl i g h t ，t h e f i e l d so fa p p l i c a t i o n ，m a t e r i a l su s e d ，t h em a i nd e s i g nf o r m a ta n dt h em a i n p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fc o m m o np o l a r i z e r s t h ep r e s e n tr e s e a r c h e sa th o m e a n da b r o a d ，t h es o u r c eo ft h i sr e s e a r c hs u b j e c ta n dt h es e n s eo ft h i sr e s e a r c ha r e a l s oi n t r o d u c e d i nt h es e c o n dc h a p t e r , f i r s t l y , t h ed e s i g np r i n c i p l eo fp o l a r i z e d p r i s m sa r ci n t r o d u c e d ：t h e nw eh a v eas u m m a r yt ot h ed e s i g no fn i c h o lp r i s m a n di n t r o d u c et h ed e s i g no fg l u e dg l a n t y p ep o l a r i z i n gp r i s m sa n da i r - s p a c e d g l a n t y p ep o l a r i z i n gp r i s i n si nd e t a i l ；f i n a l l yw es u m m a r i z e ds e v e r a lp o l a r i z i n g b e a ms p l i t t e r sa n dp h a s ed e l a yd e v i c e s i nt h et h i r dc h a p t e r , f i r s t l y , f r e s n e lf o r m u l aw h i c hi st h eb a s i ct h e o r yo f r e f l e c t i o na n dt h ed i e l e c t r i cf i l mi n t e r f e r e n c ew h i c hi st h eb a s i ct h e o r yo f i n t e r f e r e n c ea r ei n ：c r o d u c c d b a s eo nt h e s et h e o r i e s t r a n s m i s s i o nf o r m u l a so f m a r p l e h e s sp r i s ma n dg l a n - t a y l o rp r i s ma r ed e d u c e dw h e nm u l t i p l e - b e a m 摘要第41 ；i i n t e r f e r e n c ei sc o n s i d e r e da n di sn o tc o n s i d e r e d i ti s e s p e c i a l l ye m p h a s i s a n a l y s e dt h a tm a r p l e h e s sp r i s i l la n dg l a n t a y l o rp r i s m st r a n s m i s s i o nf o r m u l a a f t e rc o m p a r et h et w oc u r v e s ，w es u m m a r i z et h er e l m i o n sb e t w e e ni n c i d e n ta n g e l a n dt r a n s m i s s i o no f m a r p l e - h e s sp r i s m a n d g l a n - t a y l o rp r i s m w h e n m u l t i p l e - b e a mi n t e r f e r e n c ei sc o n s i d e r e d i nt h ef o u r t hc h a p t e r , o nt h eb a s i so ft h ef o r m u l a sw h i c ha r eg i v e ni nt h e t h i r dc h a p t e r , c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e ma r ed e v i s e dt ov e r i f yo u rt h e o r y a n dl a b o r a t o r i a lc u r v e sa r ep a i n t e d i na d d i t i o n ，t h er e l e v a n tt h e o r e t i c a lc u w e s c a na l s oh e g o t t e nd e p e n d i n go nt h et h e o r e t i c a lf o r m u l a s c o n s i d e r i n ga l l e r r o n e o u sf a c t o r s ，w ef i n dt h er e s u l t sv e r i f yo u rt h e o r yb yc o n t r a s t i n gt h e l a b o r a t o r i a lc b r v e sw i t ht h et h e o r e t i c a lo n e s t og e ta l l - s i z e ds t u d ya b o u tl i g h tt r a n s m i t t a n c eo fp o l a r i z i n gp r i s m s ，i nt h e c h a p t e rf o u r , t h eo t h e rf a c t o r sw h i c hi n f l u e n tl i g h tt r a n s m i t t a n c eo fp o l a r i z i n g p r i s m sc o n t a i nt e m p e r a t u r e ，s t r e s s i n d u c e db i r e f r i n g e n c eo fi n t e r n a li nt h ec r y s t a l ， i n c i d e n tw a v e l e n g t h ，m e d i a t o ro fc e m e n t i n gl a y e r sa b s o r b i n g ，a b s o r b e n c ya n d d i s p e r s i o no f m a t e r i a ln s c do f p o l a r i z i n gp r i s m s ，a b s o r p t i o no f t h eg l u e dm e d i u m ， t e c h n i c a lp r o c e s s ，a n de t c t h eo r i g i n a lp o i n t so f t h i st h e s i sl i ei n ： ( 1 ) i t n o t o n l y c o n s i d e r e dt h ea f f e c t i o no fp l a n ei n c i d e n ta n g l et o t r a n s m i s s i o n ，b u ta l s os y n t h e s i sc o n s i d e r e dt h ea z i m u t ha n g l ew h e na n a l y s i s t h ea f f e c t i o no f i n c i d e n ta n g l et ot r a n s m i s s i o n ； ( 2 ) i t a n a l y s i s t h ea f f e c t i o no fi n c i d e n t a n g l e t ot r a n s m i s s i o no f m a r p l e - h e s sp r i s m ； ( 3 ) i ti sd o n eac o m p a r i s o nt ot h et r a n s m i s s i o nb e t w e e ng l a n - t a y l o rp r i s m a n d m a r p l e h e s sp r i s i l l m a r p l e - h e s sp r i s m h a s p r e d o m i n a n c e t h a n g l a n - t a y l o rp r i s mw h e nu s e di nt h ea p p l y i n gt e c h n o l o g yo ff i e l do fl a r g e r v i e wa n g l ea n ds t a t et r a n s m i s s i o n 塑矍塑! 丝 k e yw o r d s ：p o l a r i z i n g p r i s m ；p o l a r i z e r ；t r a n s m i s s i o n ；m u l t i p l e b e a m i n t e r f e r o m e t r y ；i n c i d e n ta n g l e ；a z i m u t ha n g l e ； 第一帝绪论 第11 i ( 第一章绪论 自上个世纪激光问世以来，激光就以其独特的性能在科学技术的各个领 域得到广泛的应用1 “i 。随着激光技术的发展，偏光技术也得到了长足的发 展，已经广泛渗透到物理、化学、天体、大气、遗传工程、军事科学等各个 与光学技术有关的学科领域。偏光器件作为产生偏振光的重要器件在短短的 数年中也迅速发展起来，目前国际上通用的偏光器件已由几种发展到几十种 1 1 2 - 1 5 1 ，且有不少专业化的偏光器件问世。随着集成光学和光纤传输技术的发 展，偏光器件趋于专业化、小型化、模块化。 普通光源发出的光经反射、折射或散射后，一般成为部分偏振光。如要 获得比较纯净的平面偏振光，需要借助专门的方法与器件，这类器件称为偏 光器件。产生偏振光的方法大体可分为三类：由反射与折射产生偏振光； 由透光材料的二向色性产生偏振光：由双折射产生偏振光；无论采用何 种方法，起偏过程都是分离两相互垂直振动电矢量的结果，设计制作的各种 具有起偏功能的器件称为偏光器件。 现已查明，具有双折射性质的晶体多达6 0 0 多种，但能直接用于制作棱 镜偏光器件的不足l o 种，主要是因为偏光器件对晶体的要求比较严格，一 般应满足如下的条件：在使用的光谱区内有理想的最大双折射：透明度高， 无光学级要求的缺陷( 如节瘤，包裹体、裂痕、双晶等缺陷都应控制在指标 以内) ：物化性能稳定，容易获得需要的尺寸，不易潮解，易于加工：抗光 损伤阙值商。目前应用最广的是天然晶体冰洲石( 光学方解石) ，陔晶体在 相当宽的波段内有极高的透射比，制成的棱镜偏光镜可在0 2 1 5 2 8 , t m 光谱 区使用，而新设计的偏光棱镜使用波段大大拓宽，分波段使用可达1 5 p r n 。 激光偏光器件是指适应激光偏光技术所需要的器件。目前国内外常用的 激光偏光器件种类繁多，多达几十种。一般来说大体可分为激光偏光镜和偏 光分束镜两类。激光偏光镜主要用于起偏和检偏，它只输出一束平面偏振光， 另一振动方向与之正交的平面偏振光被反射掉；偏光分束镜是兼有起偏、分 束两种功能，它是把一束光分解为振动方向相互垂直的两束平面偏振光，按 一定的分束角同时输出。 常见的激光偏光棱镜有g l a n 型设计和n i c o l 型设计。但是n i c o l 型偏光 第一章绪论第2 碰 棱镜由于其结构本身的诸多缺点和给使用带来的不便，已逐渐被g l a n 型设 计所代替。g l a n 型结构由于晶体光轴在入射面内因而具有以下三个优点： 较宽的视场角和较小的长度孔径比( l a ) 。因光轴与棱镜的透射轴正交，利 用了晶体的最大双折射；视场内光的偏振分布均匀，透射光侧向位移极小； 无像散，引起的偏振像差极小。g l a n 型晶体偏光棱镜般采用二元复合结 构，按晶体的光轴与切割斜面的方位关系和切割斜面问胶合介质的不同， g l a n 型设计大致可以分为两大类： ( 1 ) 光轴与切割斜面平行的结构；若棱镜的两切割斜面用介质胶合，则称 为g l a n t h o m p s o n 棱镜：若两切害4 斜面之自j 为空气层，则称为g l a n f o u c a u l t 棱镜。 ( 2 ) 光轴与切割斜面和入射端面的交线垂直的结构：两切割斜面1 日j 用介质 胶合的为l i p p i c h 棱镜；中问为空气层的设计，称g l a n t a y l o r 棱镜。 为了适应应用和科研的需要，各种具有特殊用途的激光偏光棱镜和偏光 分束棱镜应运而生，但大部分都是在以上两种类型的基础上修改设计而成i l 。 比如阿曼马塞棱镜、冰洲石一氟化钙棱镜、阿伦斯棱镜、马普一赫斯棱镜 等。 为了改善偏光棱镜某一方面的性能，可以利用两种不同材料复合设计成 偏光棱镜。如阿曼一马塞棱镜是一种玻璃一方解石棱镜组合。因为光学上完 美的大块方解石晶体难以获得，因而减少起偏棱镜中对方解石需要量的技术 是重要的。除了节省方解石以外，阿曼一马塞棱镜的另一优点是：出于半 是玻璃，棱镜的两半块中的光轴的校直问题得以消除，且不会存在扭曲。再 如冰洲石一氟化钙棱镜的设计，使激光偏光棱镜在紫外波段有更高的透射 比。 采用双格兰棱镜复合设计的方法也能达到改善偏光棱镜某一方面性能 的目的。阿伦斯棱镜实际上是一种双格兰一汤普逊棱镜，阿伦斯棱镜的主要 优点是对一定的u a 有较大的视场角，它的视场角等于具有二倍的l a 值的 格兰一汤普逊棱镜的视场角。但是它的消光比般要比好的格兰一汤普逊棱 镜的消光比差2 1 0 倍，因而作为一个完全起偏器它不是太令入满意；马普 一赫斯棱镜实际上是两个背靠背的格兰一泰勒棱镜。因为只要它对于诈入射 第一章绪论第31 i ( 的光能满足寻常光全反射的条件。那么对于任何入射角寻常光线都要被两个 切割面中的一个全反射，所以视场角远大于格兰一付科棱镜或者格兰一泰勒 棱镜的视场角。格兰一付科棱镜或者格兰一泰勒棱镜当在棱镜端面上的入射 角太大时就不再是有效的起偏器了，而马普一赫斯棱镜只要近轴寻常光线不 透射，它仍然是有效的起偏器。因而我们说在冰洲石晶体的透明区，马普一 赫斯棱镜比其他空气间隔棱镜有大视场角的显著优点。 表征激光偏光棱镜性能的参数主要有透射比、视场角、消光比、长度一 孔径比等。近年来国内外的一些光学工作者对激光偏光棱镜的视场角。消光 比的研究和优化设计有不少报道 1 9 - 2 1 】，对常见的格兰一泰勒棱镜和偏光分柬 镜( 渥拉斯顿棱镜) 的透射比也有过报道1 2 2 - 2 4 】a 本文是在前面研究的基础上， 对特殊设计结构马普一赫斯棱镜的透射比，以及光线非垂直入射时的光强透 射比和格兰一泰勒棱镜作一比较研究，并设计了相关的实验给予验证。 透射比作为偏光棱镜的一个重要参数，人们一直在研究提高各种棱镜透 射比的方法。在四十年代，人们对f o u c a u | t 棱镜进行了改进设计，调整了棱 镜中光轴的方向，设计出了t a y l o r 棱镜，大大提高了棱镜的光强透射比。考 虑胶合层间反射的影响，根据双光束干涉原理给出了g l a n - t a y l o r 棱镜的光 强透射比公式1 2 5 1 。这对激光偏光棱镜光强透射比的研究是一个很大的进步， 但公式中各参量相对棱镜结构的取值特点，却未加以深入研究。 在国内九十年代，我所就曾对t a y l o r 棱镜出射光强分布从实验上进行了 研究0 2 ”，说明了平行均匀的光波入射时，出射光呈明暗相间的平行的直条 纹分布。随后考虑到棱镜胶合层间多光束干涉现象的存在，后人又对格兰一 泰勒棱镜和典型的偏光分束镜一渥拉斯顿棱镜o ，e 光的光强透射比随入射 角变化作了一系列研究【2 引，但他们只是考虑到光线在同一平面内入射对光强 透射比的影响，未考虑不同平面，即不同方位角入射对透射比的影响。而且 对特殊结构马普一赫斯棱镜透射比的研究未见报道，只是在八十年代我所曾 对马普一赫斯棱镜棱镜视场角的研究做过报道1 2 9 1 。 本文从棱镜的设计结构出发，给出棱镜切割斜面间的光强反射比表达 式。然后从格兰一泰勒棱镜和马普一赫斯棱镜的结构对比分析入手，利用空 气隙问隔的光强反射比的多光束干涉原理。分析了光线在同一平面内入射 第一章绪论第4 贝 时，格兰一泰勒棱镜和马普一赫斯棱镜的光强透射比，说明了马普一赫斯棱 镜透射比随平面入射角变化的稳定性。并设计了相关实验给予验证。实验结 果和理论相符合。又从理论上给出了当平面入射角为定值时，马普一赫斯棱 镜光强透射比随方位角的变化规律。 随着激光技术的迅速发展，激光偏光器件广泛应用于通信、生物、地质、 医学、航空、航天、海洋等领域，对激光偏光器件的需求在f 1 益增大，要求 精度也越来越高，我们希望棱镜的光强透射比稳定性要好，插入损耗要小， 输出光强分布要均匀。所以研究激光偏光棱镜光强透射比，为更好的应用偏 光棱镜提供了理论和实验数据，为改进其设计提供理论基础。 第- 二章激光偏光器件综述第5 砍 第二章激光偏光器件综述 现代偏光技术和激光应用技术中，获得偏振光的方法大体可以分为反射 法、吸收法和棱镜法三类。我们现在常用的是棱镜法。偏光棱镜是现代光学 技术中棱镜法获得偏振光的重要器件，是激光应用和调制技术不可替代的关 键器件，是光通信和现代光信息技术发展和应用的基础无源器件。 激光偏光棱镜的特性主要由通光面积、视场角、消光比、透射比、抗损 伤阈值等主要参量表示。它的设计原理基础是晶体光学和几何光学。光的全 反射原理的应用成就了偏光棱镜，棱镜的透射等性能由光能反射比和光的干 涉理论解释。本章将首先给出偏光棱镜的设计原理，然后依次介绍各类偏光 器件中常用的几种器件的特点。 2 1 激光偏光棱镜设计原理 现代激光应用技术与偏光技术中，涉及到的偏光器件种类很多。就应用 形式来说，激光偏光棱镜分为起( 检) 偏棱镜和偏光分束棱镜两大类。 常规的起偏棱镜，只让沿一个方向偏振的光透过。这种棱镜是由两块晶 体三棱镜胶合在一起而成，它利用了晶体的双折射性质，使0 光和e 光中折 射率较大、电矢量沿某一方向振动的光束在切割斜面上发生全内反射，而让 折射率较小、电矢量与此全反射光束垂直振动的光束通过。对冰洲石晶体制 作的激光偏光棱镜而言，就是让0 光在切割斜面上全反射，让e 光透射。冰 洲石晶体是负单轴晶体，设它的两个主折射率分别为玎，和哆，且有 即， 它的双折射率( 。一聍，) 较大，当光束沿着晶体的光轴的方向传播时，e 光和。 光的折射率相同，取值为胆。，传播方向是一致的；当光束的波法线方向与晶 体光轴有一定夹角占( f 9 0 。) 时，d 光和e 光的传播方向要发生分离，e 光的光波法线和光线的方向不一致，其折射率- 1 ：是夹角f 的函数，满足 ， 栉：2 ：了堕i 【3 0 1 ( 2 1 1 ) 。 玎：s i n 占+ n 。zc o s 2 s 第一二章激光偏光器件综述箱6 虹 当光束的传播方向与晶体的光轴垂直时，0 光和e 光的传播方向虽然- 一致， 但p 光的折射率取主折射率n 。，o 光和e 光的折射率差最大，其值为最大双 折射率k 一i 。无论光束沿哪个方向传播，o 光的折射率永远取主折射率 门。由光的全反射理论，当光由方解石晶体射入折射率为，1 0 ，l ， n 。) 的介 质中时，0 光和e 光的全反射临界角分别为 t 。： i 旦(21arcsln 1 2 一) o =一 【z 。) g ” h i “2a l c s l n _ 门f 对于冰洲石晶体由于h 。) ，l 。，由( 2 1 - 2 ) 式 和( 2 t 3 ) 式， t 。入射角度从小逐 渐变大时，0 光首先满足全反射条件，从 。 而发生全反射，而p 光不满足全反射条件 透过。冰洲石晶体偏光棱镜的设计就是利 用了。光和e 光的全反射临界角的差别，使 光束在一定角度范围内入射，到达切割斜 面时，光束中。光要发生全反射而p 光透 射。如图2 1 - 1 所示。 2 2 偏光棱镜 ( 2 1 3 ) 胶合痿 图2 1 1 冰洲i 材料偏光棱 镜的设计原理 2 2 1 尼科尔棱镜 第一个尼科尔棱镜诞生于1 8 2 8 年，由苏格兰物理学家n i c o l 研制而成， 是最早的棱镜型偏光器件，在历史上占有重要地位。它充分利用了冰洲石晶 体的自然解理面，光轴既不平行也不垂直于端面，可以达到省料的目的。常 规尼科尔棱镜的主截面结构如图2 2 1 ( a ) 所示。为使制成的棱镜具有较为 对称的大视场角，其截面a b c d 的锐角常被修磨成6 8 0 ，然后将晶体沿垂直 于主截面和两端面的方向切成两半，通光面抛光后，可用折射率为1 5 4 的加 第一二章激光偏光器件综述诒7 虹 拿大树胶粘合起来，即制成尼科尔棱镜。修改形式的尼科尔棱镜主要有斯蒂 格和罗特尼科尔棱镜、阿伦斯尼科尔棱镜、汤普森倒尼科尔棱镜、缩短的尼 科尔棱镜、方形端面尼科尔棱镜、哈特纳克一普拉斯莫斯基棱镜等。如图2 2 1 一b c ( d ) c 蓬蛩b j 匿翌 ( b ) 一( f ) 所示我们将它们的主截面重叠在基本的冰洲石菱面体的主截面 之上，由此，可以清楚地看到不同形式的尼科尔棱镜用料多少。 尼科尔棱镜由于自身结构原因，使得透射光束相对于入射光束发生平 移，并且光束在前后两个通光端面上的入射和出射角度较大，造成光束波前 畸变较严重，不适合做检偏器；用做起偏器时，透射比较低。目l ；i 科研工作 中已不再使用该类棱镜，但作为晶体偏光器件的设计原理的范例，它的历史 地位是其它偏光器件所不能代替的，所以它仍在高校光学教学中发挥着重要 作用。 第一二章激光偏光器件综述 第8 贝 2 2 2 胶合型格兰棱镜 胶合型格兰棱镜主要包括光轴与切面平行的胶合型结构( 称 g l a n t h o m p s o n 棱镜) 和光轴与切面法线共面的胶合型结构( 称l i p p i c h 棱 镜) 两类。如图2 2 - 2 所示。它们都是由天然晶体冰洲石材料制作。结构牢 固，视场角大，偏光性能好。通常情况下消光比均可达到1 0 数奄级，特别 适合于在高精度光学仪器和科研中作起偏和检偏用。常规使用波段为3 5 2 5 0 0 n m ，棱镜两端面可根据使用要求镀增透膜。入射光束可从棱镜的任意一 端入射，起偏效果是相同的。 幽2 2 2 典型的两种胶合型格兰棱镜的士截面结构及其光路吲 ( a ) o l a n t h o m p s o n 棱镜( b ) l i p p i c h 棱镜 需要指出的是在紫外波段g l a n t h o m p s o n 棱镜的透射降低了，主要原因 是胶合剂丌始吸收，但使用紫外透明的胶合剂可以提高透射。 2 2 3 空气隙型格兰棱镜 格兰泰勒棱镜在格兰型设计中 不仅有代表性，应用面广，也是激光偏 光镜的典型代表。其结构如图2 2 - 3 所 示。在l 半部，自然光垂直棱镜端面入 射，进入棱镜后垂直于晶体光轴方向传 播，0 光和p 光并不分开，但其传播速 度不同，对应折射率不同，到达空气隙 界面，使0 、e 光分开，很容易计算0 光 幽2 2 3 格兰泰勒棱镜 第一二章激光偏光器件综述第9 贝 和e 光的全内反射角，只要选取适当结构角s ( t 。 n 2 n l 时。s i n 0 1 ，此时0 己经不是实角。 光在电介质表面反射和透射时，电矢量可在直角坐标系中分成与入射面 平行的分量( p 分量) 和与入射面垂直的分量( s 分量) ，分别用p ，s 表示 其单位矢量，光波传播的方向的单位矢量用k 表示。p 、s 、k 满足右手螺旋 关系如图3 1 1 所示。 菲涅耳公式给出了在此中情况下的反射、折射光波的电矢量的各分量与 入射光波的电矢量的各分量之间的比例关系。令带有下标i 、，、，的量分别 表示入射波、反射波和透射波，下标p 和j 分别表示平行分量和垂直分量。 边界条件要求电场矢量( e ) 和磁场矢量( h ) 的切向分量应该是连续的，由 此可导出菲涅耳公式【4 7 】： 。= = 溯= 丽n 2 e o s i - n i e o s o 心， 或铲型! i 三堑! ( 3 1 _ 3 ) ”胛：c o s + 疗：一s i n 2i = 一硐s i n ( i - o ) = 焉鼍筹( 3 1 - 4 ) 或：竺型堡三丝! ( 3 1 - 5 ) 。c o s i + ”；一s i n 2 i 其中0 和_ 分别表示p 分量和j 分量的振幅反射比，门，= n _ l 为相对折射率。 由菲涅耳公式，可以得到光强反射比为： r 。= r r r ( 3 1 _ 6 ) r ，= + ( 3 1 7 ) 第三章偏光棱镜的光强透射比 旃1 5 贝 为了直接的表示出光强反射比随入射角的变化关系，我们将其绘制成曲线， 称为光能反射比曲线。以光从折射率为1 4 8 5 1 8 的介质入射到空气中为例， o， o o o怫 图3 1 - 2 从n = l ，4 8 5 1 8 的介质剑空气的光强反射比曲线 由公式( 3 1 6 ) 和( 3 1 7 ) 可以得到光强反射比曲线如图3 1 2 所示。此光 强反射比公式就是我们研究以任意空日j 角度入射的入射光束的光强透射