（光学专业论文）棱镜偏光镜消光比的光谱效应.pdf

0 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第1 页 摘要 自2 0 世纪6 0 年代激光问世以来，激光就以其特有性能在科学技术各领域得到广泛的应 用。与此同时，偏光技术和偏光器件也得到了飞速发展。偏光技术已成为光学检测、光学 计量、光信息处理中的一种专门化手段，在与光学应用技术相关的各个领域中都得到了广 泛应用。偏光技术的发展关键是偏光器件，自6 0 年代起，新型偏光器件，尤其是激光偏光 器件发展尤为迅速，在短短的数年中，国际上通用的激光偏光器件就由几种发展到几十种， 且有不少专用激光偏光器件问世。 随着激光技术和偏光技术应用的不断发展，棱镜型偏光器件得到了广泛应用，逐渐成 为现代光学技术，如激光调制、光纤传输、偏光信息处理等领域不可或缺的光学元件，是 当前获取偏振光和改变偏振态的最主要的手段。棱镜型偏光器件大都由具有双折射性质的 晶体材料制作而成，目前，最常用的以天然冰洲石晶体为主。由于光的色散现象，棱镜偏 光镜的技术参量，如透射比，消光比等要随入射光波长的改变而变化。消光比是表征棱镜 偏光镜光学性能的重要技术参量之一，它与偏光镜的透射比密切相关，以往的工作大多围 绕如何获得高的消光比，而对其随波长的变化研究较少。 文章在前人工作的基础上，以棱镜偏光镜的消光比为重点研究对象，从理论上分析了 可见光范围内消光比随波长的变化关系，利用高消光比实验系统，对冰洲石格兰泰勒棱 镜消光比进行了实验研究。具体内容主要有以下几点： 第一章是绪论，讲述了论文写作的背景和写作目的，以及论文的创新点和本文所做的 主要工作。 第二章首先介绍了偏振光的获取和光在透明介质中的传播规律，也是棱镜偏光镜设计 的理论依据，并简要介绍了棱镜偏光镜的主要技术参量；然后简述了偏光棱镜和偏光分束 镜典型的设计类型，并对常用的偏光棱镜与偏光分束镜进行了详述。 第三章对冰洲石晶体进行了介绍，并考虑到光的色散现象，给出了冰洲石晶体中e 光线 的s e l l m e i e r 方程；并根据菲涅尔方程，对偏光棱镜的光强透射比进行了详细的讨论，分析 了两切割斜面间的多光束干涉的作用，得到了不同情况下的光强透射比公式，并给出了相 应的理论曲线。 第四章介绍了透射比和消光比的测量原理以及消光比的测量方法，并在智能化高消光 测试系统基础上，建立了消光比实验测量系统，对格兰泰勒棱镜的消光比进行了实验测 量，得到了可见光区的消光比随入射光波长变化的实验曲线，考虑到各种误差因素，实验 结果能够反映透射比和消光比变化的理论趋势。 为了更为全面地分析偏光棱镜的消光比，第四章给出了除波长外影响偏光棱镜透射比 和消光比的其它因素。主要是材料和胶合剂材料的吸收和散射、加工工艺、外场等。 本文的创新之处在于：在透射比理论的基础上，对偏光棱镜的消光比进行了理论分析； 改进了高消光比测量系统，实现了对可见光区所有波长的消光比的连续测量；在高消光比 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第l 页 a b s t r a c t s i n c et h ea d v e n to fl a s e r si n19 6 0 s ，i ti sw i d e l yu s e di nt h ea r e ao fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y w i t hi t su n i q u ep e r f o r m a n c e a tt h es a m et i m e ，p o l a r i z a t i o nt e c h n o l o g ya n dp o l a r i z i n gd e v i c e s h a v ea l s ob e e nd e v e l o p i n gr a p i d l y t h et e c h n o l o g yh a sb e c o m eas p e c i a l i z e dm e t h o di nt h ea r e a o fo p t i c a li n s p e c t i o n , o p t i c a lm e t r o l o g y , o p t i c a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n ge t ca n dh a sb e e nw i d e l y u s e di nv a r i o u sf i e l d sr e l a t e dt oo p t i c a la p p l i c a t i o n p o l a r i z e ri st h ek e yt ot h ep o l a r i z a t i o n t e c h n o l o g y a n ds i n c e19 6 0 ，n e wp o l a r i z i n gd e v i c e s ，e s p e c i a l l yl a s e rp o l a r i z e r sd e v e l o pr a p i d l y t h ek i n do fl a s e rp o l a r i z e rh o m ea n da b r o a dh a si n c r e a s e df r o ms e v e r a lt od o z e n si nj u s taf e w y e a r s w h a t sm o r e ，m a n ys p e c i a ll a s e rp o l a r i z e r sc o m e o u t w 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 ya n dp o l a r i z a t i o nt e c h n o l o g y , p r i s m - t y p e p o l a r i z e ri sw i d e l yu s e da n dh a sg r a d u a l l yb e c o m ee s s e n t i a lo p t i c a lc o m p o n e n t so fm o d e m o p t i c a lt e c h n o l o g y , s u c ha sl a s e rm o d u l a t i o n , o p t i c a lt r a n s m i s s i o n ，p o l a r i z a t i o ni n f o r m a t i o n p r o c e s s i n ga n dm a i nm e t h o df o rg a i n i n gp o l a r i z e dl i g h ta n dc h a n g i n gp o l a r i z a t i o nc u r r e n t l y m o s to ft h ep r i s m - t y p ep o l a r i z e r sa r em a d eo fb i r e f r i n g e n tc r y s t a l a tp r e s e n t , t h em o s t c o m m o n l yu s e dm a t e r i a li sn a t u r a li c e l a n ds p a rc r y s t a l d u et ot h ed i s p e r s i o no fl i g h lp a r a m e t e r s o fp o l a r i z i n gp r i s m ，s u c ha st h et r a n s m i s s i o nr a t i o ，e x t i n c t i o nr a t i o ，v a r yw i t hw a v e l e n g t ho ft h e i n c i d e n tl i g h t e x t i n c t i o nr a t i oi so n eo fi m p o r t a n tp a r a m e t e r sw h i c ha r ec h a r a c t e r i z a t i o no f o p t i c a lp r o p e r t i e so fp o l a r i z i n gp r i s m i th a sac l o s er e l a t i o n s h i p 、) i ，i t ht h et r a n s m i t t a n c eo f t h e p r i s m r e s e a r c hi sm o s t l yo nh o w t oo b t a i nah i g he x t i n c t i o nr a t i oa n dl i t t l es t u d yo fi t sc h a n g e s w i mt h ew a v e l e n g t hh a sb e e nk n o w ni nt h ep a s t b a s e do nt h ew o r ko fp r e d e c e s s o r s ，w i t he x t i n c t i o nr a t i oo fp o l a r i z i n gp r i s mk e yo b j e c t ，t h e e x t i n c t i o nr a t i ow i t hd i f f e r e n tw a v e l e n g t hi nv i s i b l er e g i o nh a sb e e nt h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h e e x t i n c t i o nr a t i oo fg l a n - t a y l o rp r i s mi se x p e r i m e n t a l l ys t u d i e dw i t hh i g he x t i n c t i o nr a t i oo f e x p e r i m e n t a ls y s t e m m a i np o i n t sa r ea sf o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e ri sa l li n t r o d u c t i o n i to f f e r sas u m m a r yo fb a c k g r o u n da n dp u r p o s eo ft h e d i s s e r t a t i o n , a sw e l la si n n o v a t i o na n dm a i nw o r kt h a th a sb e e nd o n e t h es e c o n dc h a p t e rf i r s t l yi n t r o d u c e sh o wt og e td i f f e r e n tp o l a r i z e dl i g h ta n dl a w sr e l a t e dt o p r o p a g a t i o no fl i g h ti nt r a n s p a r e n tm e d i a , w h i c hi sa l s ot h e o r e t i c a lb a s i so fd e s i g n i n gp o l a r i z i n g p r i s m m a i np a r a m e t e r so fp o l a r i z i n gp r i s ma r ei n t r o d u c e d ，t o o t h e nt y p i c a ld e s i g no fp o l a r i z i n g p r i s ma n db e a m s p l i t t e rp r i s mi sb r i e f l yg i v e n a n da l s os e v e r a lc o m m o np o l a r i z i n gp r i s m sa n d b e a m - s p l i t t e rp r i s m sa r es h o w ni nd e t a i l i nt h et h i r dc h a p t e r , i c e l a n ds p a rc r y s t a li si n t r o d u c e d s e l l m e i e re q u a t i o no fe x t r a o r d i n a r y r a yi ni c e l a n dc r y s t a li sg i v e nt a k i n gt h ed i s p e r s i o no fl i g h ti n t oa c c o u n t a n da c c o r d i n gt o f r e s n e lf o r m u l a , t r a n s m i s s i o nr a t i oo ft h ep o l a r i z i n gp r i s mi sd i s c u s s e di nd e t a i la n dm u l t i - b e a m i n t e r f e r e n c eb e t w e e nt w oi n c l i n e dp l a n e si sa n a l y z e d f o r m u l a sf o rt r a n s m i s s i o nr a t i ou n d e r d i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e sa r ea c h i e v e d ，s oa r et h ec o r r e s p o n d i n gc u r v e s i nc h a p t e rf o u r , p r i n c i p l e so fm e a s u r i n gt r a n s m i t t a n c ea n de x t i n c t i o nr a t i oa sw e l la sm e t h o d o f m e a s u r i n gt h ee x t i n c t i o nr a t i oa r eg i v e n a tt h es a m et i m e ，t h ee x t i n c t i o nr a t i om e a s u r e m e n t s y s t e mw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ei n t e l l i g e n th i g he x t i n c t i o nt e s ts y s t e m t h ee x t i n c t i o nr a t i o o fg l a n - t a y l o rp r i s mi st e s t e dw i t ht h es y s t e m a n de x p e r i m e n t a lc u l w eo fe x t i n c t i o nr a t i oi n v i s i b l er e g i o nw i t hw a v e l e n g t hi sg o t c o n s i d e r i n gv a r i o u se r r o r f a c t o r s ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s c a nr e f l e c tt h et h e o r e t i c a lt r e n d so ft r a n s m i t t a n o ea n de x t i n c t i o nr a t i ow i t hw a v e l e n g t h f o ram o r ec o m p r e h e n s i v es t u d ya b o u te x t i n c t i o nr a t i oo fp o l a r i z i n gp r i s m ，o t h e rf a c t o r s t h a te f f e c tt r a n s m i t t a n c ea n de x t i n c t i o nr a t i oa r eg i v e na p a r tf o r mw a v e l e n g t hi nc h a p t e rf o u r t h e ya r et h ea b s o r p t i o na n ds c a t t e r i n go fm a t e r i a l sa n dt h eg l u e dm e d i u m ，p r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ， e x t e r n a lf i e l de t c t h ei n n o v a t i o n so ft h i st h e s i sl i ei n ：b a s e do nt h et h e o r yo ft r a n s m i s s i o nr a t i o ，e x t i n c t i o n r a t i oo fp o l a r i z i n gp r i s mi st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d c o n t i n u o u sm e a s u r e m e n tf o re x t i n c t i o nr a t i o w i t ha l lw a v e l e n g t h si nv i s i b l er e g i o ni sd o n ew i t hi m p r o v e dh i 曲e x t i n c t i o nr a t i om e a s u r i n g s y s t e m a tt h es a m et i m e ，c u r v eo ft r a n s m i s s i o nr a t i ow i t hw a v e l e n g t hi sa l s oa c h i e v e d 、析t ht h e t e s t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：p o l a r i z i n go p t i c s ；p o l a r i z i n gp r i s m ；b e a ms p l i t t e rp r i s m ；t r a n s m i t t i o nr a t i o ； e x t i n c t i o nr a t i o ；w a v e l e n g t h 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第1 页 目录 第一章绪论l 第二章棱镜偏光镜综述4 2 1 基本理论4 2 1 1 偏振光的获取4 2 1 2 光在介质问的传播5 2 1 3 棱镜偏光镜的技术参量6 2 2 典型的偏光棱镜7 2 2 1n i c o l 型偏光棱镜7 2 2 2g l a n 型偏光棱镜8 2 3 典型的偏光分束镜9 2 3 1r o c h o n 棱镜1 0 2 3 2s a n a r m o n t 棱镜1 0 2 3 3w o l l a s t o n 棱镜1 0 2 3 4 可调分束角棱镜1 1 第三章棱镜偏光镜透射比和消光比理论1 2 3 1 冰洲石晶体1 2 3 2 冰洲石晶体的s e l l m e i e r 方程1 2 3 2 1 光的色散1 2 3 2 2 冰洲石晶体e 光折射率的s e l l m e i e r 方程1 3 3 3 棱镜的光强透射比1 5 3 3 1 通光面上的光强透射比1 5 3 3 2 棱镜的光强透射比1 5 3 3 3 棱镜的光强透射比随波长的变化1 6 3 4 棱镜的消光比随波长的变化1 8 第四章棱镜偏光镜消光比的实验分析1 9 4 1 透射比和消光比1 9 4 1 1 透射比1 9 4 1 2 消光比1 9 4 2 消光比的测试方法2 0 4 2 1 双棱镜法一2 0 4 2 2 双棱镜法二2 1 4 2 3 高消光比测试技术2 1 4 3 消光比随波长变化的实验测试2 2 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 第2 页 4 3 1 实验装置及光路2 2 4 3 2 实验结果及分析2 3 4 4 影响消光比的其它因素及存在问题2 4 4 4 1 影响消光比的其它因素2 4 4 4 2 实验中存在的问题及解决方法2 5 全文总结2 6 参考文献2 7 在校期间写的学术论文3 0 致谢3 1 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 第l 页 第一章绪论 自2 0 世纪6 0 年代激光问世以来，激光就以其特有性能在科学技术各领域得到了广泛应 用。与此同时，偏光技术和偏光器件也得到了飞速发展。偏光技术已成为光学检测、光学 计量、光信息处理中的一种专门化手段，在与光学应用技术相关的各个领域中都得到了广 泛应用。偏光技术的发展关键是偏光器件【l - 9 ，f 16 0 年代起，新型偏光器件n 5 1 ，尤其是激 光偏光器件发展尤为迅速，在短短的数年中，国际上通用的激光偏光器件就由几种发展到 几十种，且有不少专用激光偏光器件问世。我国在这一技术领域也迅速发展，新型偏光器 件的设计研制曾被列入国家科技攻关项目。随着集成光学和光纤传输技术的不断发展，偏 光器件趋于专业化、小型化、模块化。 偏光器件种类繁多，形式各异，按其实现起偏方法不同可以分为：反射式偏光器件， 二向色型偏光器件，晶体双折射型偏光器件；按功能不同可以分为：棱镜偏光镜( 偏光棱 镜和偏光分束镜两类) ，延迟器件，退偏器件及旋光器件等。其中，应用最广的是偏光棱 镜。 棱镜型偏光器件主要是由各种双折射晶体制作而成，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1 0 种，主要是偏光器件对晶体的 要求比较严格，一般应满足如下条件：在使用光谱区内有理想的最大双折射率；双折射率 均匀，透明度高，无光学级要求的缺陷( 如疖瘤、包裹体、裂隙、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，抗光损伤阈值 l 商。 冰洲石晶体【1 6 。1 8 】以其具有最大双折射率( n 一吃) 大，不吸潮，化学性能稳定等特点，o 成为制做棱镜型偏光器件的理想材料。目前生产上主要是以天然的冰洲石晶体材料为主， 即光学方解石，其主要成份是c a c 0 3 。该晶体在相当宽的波段内有极高的透射比，制成的 偏光棱镜可在0 2 1 5 a m 谱区使用，新设计的棱镜偏光镜使用波段大大拓展，分波段使用可 达1 5 a m ，而且棱镜消光性能好，透射比高，具有极好的抗光损伤能力，因此，冰洲石材 料的偏光器件被广泛应用于激光器件、光学信息处理、光学成像系统等许多科研领域中。 偏光棱镜属晶体双折射型偏光器件，其设计类型有多种，常见的有n i c o l 型设计【1 9 】和 g l a n 型【1 9 埘】设计。棱镜型偏光器件中，n i c o l 型设计是人们最早使用的一种，它在偏振光 学发展史上，有着非常重要的地位，但由于其结构本身存在一些缺点，一是棱镜两端面是 斜的，使光透过棱镜时发生位移；二是它的孔径较小，因此在偏光显微镜上一般已不便用 此种棱镜；三是n i c o l 棱镜使用加拿大树胶胶合，抗光损伤阈值低，不能用于强激光光路， 已逐渐被g l a n 型设计所代替。 g l a n 型结构的特点是晶体的光轴在入射面内，现在所用的偏光棱镜大多数都属于g l a n 型。尽管g l a n 型棱镜比同样尺寸的n i e o l 型棱镜需要更多的材料，但g l a n 型棱镜在光学性能 上的优点是显而易见的：具有较大的视场角( 如g l a n t h o m p s o n 棱镜) 和较小的长度孔 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第2 页 径比( 如g l a n t a y l o r 棱镜) ；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 型棱镜一般采用二元或三元复合结构。按晶体光轴与切割 面的方位关系和是否采用胶合剂，g l a n 型设计又分两种型式：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；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；有空气 隙的g l a n - t h o m p s o n 型结构，称g l a n f o u c a u l t 棱镜；空气隙的l i p p i c h 结构设计，称g l a n - t a y l o r 棱镜 偏光分束棱镜兼有起偏、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。常见的设计有r o c h o n 棱镜1 2 2 、w o l l a s t o n 棱镜【2 3 - 2 4 和可调分束角棱镜。r o c h o n 棱镜被分束后的一束光不变向，有时也用作偏光棱镜。w o l l a s t o n 棱镜是应用最广的偏光分束镜结构，即可用冰洲石制作，也可用石英晶体制作( 小分束角) ， 有二元和三元两种结构形式。三元结构的w o l l a s t o n 棱镜，容易获得大的分束角，可达3 0 0 。 可调分束角棱镜最大的特点是分束角连续可调，分束角被大大展宽，使用起来灵活、方便。 透射比i 巧。2 8 j 是衡量光学器件的一个重要技术参数之一，它描述的是光学器件的透光效 率，偏光器件的透射比是指偏光器件允许通过的那一部分平面偏振光的光强与通过偏光器 件后的这一部分平面偏振光的光强的比值，通常是用百分比表示。一般偏光棱镜的透射比， 不仅要受到制作材料吸收、棱镜的结构设计等因素的影响，还随波长的变化而变化。如： 在常用波段，g l a n t a y l o r 棱镜透射比一般在5 0 8 7 ；g l a n t h o m p s o n - - 般在5 0 一9 1 。为 提高光学器件的透射比，普遍采用镀膜的方法，激光偏光器件一般是镀硬膜，镀膜后的偏 光镜有的透射比可高达9 9 以上。棱镜偏光镜一般为二元或三元结构，两切割斜面间不可 避免地存在干涉作用，导致透射比并非随波长平滑的改变，而是有一定波动。 实际的偏振器件总不是理想的，自然光透过起偏器后得到的不是完全的线偏振光，而 是部分偏振光。即使两偏振器的透光轴正交时，透过光强也不为零，因此无消光现象。所 以，为了描述偏光器件的偏光性能引入消光比。消光叫2 2 】是衡量各种类型的偏光器件最 重要的技术参数，它表征着偏光器件起偏性能的优劣，在数值上等于偏光棱镜主透射方向 上的透射比和消光方向( 与主透射方向垂直) 的透射比的比值。消光比通常用正指数或负 指数表示，习惯上用负指数，有时也用分贝作单位。偏光器件的消光比与透射比一样，也 与光的波长有关。通常使用的激光偏光镜，消光比都优于1 0 ，专门要求可达到1 0 刁以上。 本文在前人工作的基础上，以偏光棱镜的消光比为重点研究对象，从理论上分析了可 见光范围内消光比随波长的变化关系，利用高消光比实验系统，对冰洲石格兰泰勒棱镜 的消光比进行了实验研究。具体工作主要有以下几点： 1 ) 在偏光棱镜透射比理论的基础上，给出了考虑多光束干涉和不考虑多光束干涉情 况下透射比随波长的变化关系，以格兰泰勒棱镜为例，得到了其相应的理论曲线。在此 基础上，对棱镜消光比进行了理论分析。 2 ) 在高消光比实验测量系统的基础上，通过把单色仪、锁相放大器和计算机有机的 组合在一起，建立了偏光棱镜消光比的实验测试系统，实现了全光谱范围内透射比和消光 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第3 页 比的智能化测量。 3 ) 利用消光比实验测试系统，对格兰泰勒棱镜的透射比进行了测试，得到了实验 曲线，结果表明：在可见光区内，偏光棱镜的透射比随波长的增加而增大，但由于棱镜空 气隙间多光束干涉的作用，光强透射比随波长的连续变化有一定的波动，并伴随一定的波 长间隔发生；主透射方向上和主消光方向上透射比曲线有所不同，实验和理论基本一致。 4 ) 通过实验测试，获取了消光比随波长的变化曲线，并对理论曲线和实验曲线进行 了比较分析。结果表明，常温下棱镜的消光比在可见光谱内随波长的增加呈上升趋势，这 和棱镜消光方向上的透射比曲线变化情况相同，实验结果和理论分析相一致。 当前激光偏光技术不断发展，棱镜偏光镜更加广泛应用于光纤通信、偏光导航、光调 制、光电检测以及光传感等光学技术领域，对偏光器件的需求也越来越高，为满足不同波 长的光的使用要求，必须对偏光棱镜的技术参量随波长的变化做细致的研究。为此，选取 了消光比为研究对象，对具有代表性的格兰泰勒棱镜进行了理论和实验分析。这不仅能 为偏光棱镜的设计提供理论依据，也能为其在各技术领域的使用给予技术支持。 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 第4 页 第二章棱镜偏光镜综述 上世纪6 0 年代以来，随着激光技术和偏光技术应用的发展，棱镜型偏光器件得到了广 泛应用，逐渐成为现代光学技术，如激光调制、光纤传输、偏光信息处理等领域不可或缺 的光学元件，是当前获取偏振光和改变偏振态最主要的手段。棱镜型偏光器件大都由具有 双折射性质的晶体材料制作而成，除常用的冰洲石晶体外，还有石英、氟化镁及钒酸钇晶 体等。就同一材料而言，针对激光偏光技术应用特点，可以有很多不同结构和设计。所以， 偏光器件种类繁多，目前光学技术上常用的棱镜型激光偏光镜达几十种之多，其性能特点 和用途各异，但大体上可以分为偏光棱镜和偏光分束镜两类。其性能受很多因素影响，但 主要取决于晶体材料自身的光学性质和棱镜的结构设计。 2 1 基本理论 2 1 1 偏振光的获取 普通光源发出的光，其光波振动( 光波的电矢量e 或d ) 的振幅随时间变化的平均值， 在垂直光传播方向的平面内各方向是相等的，因而是自然光。由菲涅尔定理可知，大多数 情况下，自然光被反射、折射或散射后，在垂直光传播方向的平面内电矢量振动的振幅不 再相等，成为部分偏振光。自然条件下，很难获得比较纯净的平面偏振光，需要借助偏光 器件才行。获得偏振光的方法大致有三种：1 、反射法2 、吸收法3 、棱镜法，每种方法 都有相应的偏光器件。 反射法：反射法获得偏振光的原理，是根据光波以布儒斯特角入射到透明介质的光 滑表面，其反射光就是平面偏振光。这大概是获得偏振光的最简单的方法，它是马吕斯在 1 8 0 8 年发现的，单一的平面反射，光能损失太大，s 分量的光能流中只有1 5 被反射，获得 的偏振光消光比也不高。由此延拓出的器件是波片堆，适用的波段范围广，能在红外中使 用。 吸收法：这种方法获得偏振光，主要是借助二向色性物质，如：电气石，硫酸碘奎 宁及用碘处理过的聚乙烯醇片等，它们对某一方向振动的光波具有强烈的吸收，而对与其 垂直方向振动的光波，则有较好的透射比，用它们制作的偏振片工艺简单，成本低，可做 成大的面积，由于选择吸收的原因，双色性偏光器件也往往带有颜色，这也是其透射比和 消光比不高的原因。另外，因其属于吸收型，所以抗光损伤能力差，限制了它的应用。 棱镜法：指借助于棱镜偏光镜获得偏振光的方法。棱镜偏光镜是由双折射晶体做成 的，其光学性能主要取决于晶体材料的物理和光学性质。当今国际上通用的高精度偏光镜 和各种激光偏光镜，主要是用双折射晶体冰洲石材料制作。通常棱镜偏光镜又可分为起偏 镜和偏光分束镜，实质上二者都是起偏棱镜，它们的区别在于偏光镜只允许某一方向振动 的平面偏振光通过；而偏光分束镜，是把一束光分成振动面相互垂直的两束平面偏振光按 定的方位输出。历史上沿用的偏光分束镜，被分开的两束平面偏光，一般是从同一通光 面输出，如洛匈棱镜、渥拉斯顿棱镜等；激光技术发展的需要，如调q 技术用的偏光分束 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 第5 页 镜，被分束的两束平面偏振光，已不再是从同一通光面输出，如曲阜师范大学激光研究所 研制的o e 双输出棱镜等。 2 1 2 光在介质问的传播 光波在介质间的传播，因条件不同而遵守不同的规 律，如反射定律、斯涅耳定律及菲涅尔公式【3 3 】等。这些规 律是设计各种偏光器件和分析它们各项性能参数的重要 理论依据。 如图2 1 1 所示，当光波射向两种透明介质的界面时， 不可避免地要发生反射和折射，它们分别遵守反射和折射 定律，即：入射波、反射波和透射波在同一平面内传播； i t 图2 ，1 1 平面波的折射和反射 反射角等于入射角；折射角与入射角满足： n as i n i = n 2s i n r ( 2 1 1 ) 式中i 、，分别为入射角和折射角，n 。、，z ：分别为两介质的折射率。上式可写成如下形式： s i ，：旦s ii(21nn- 2 )s l ，= s ll 厶j 吃 显然，当n a ，也就是光波由光密介质向光疏介质传播时，情况就有点不同了，此时，的取 值存在如下两种情况： ( 1 )s i n i 时，s i n ，1 ，为实数； ( 2 ) 当s i n f 时，s i n ， 1 ，不再是实数。 上述( 2 ) 即为全反射情况。因此全反射必须满足下面两点： ( 1 ) 光由光密介质向光疏介质传播； ( 2 ) 入射角f 大于临界角8 。，这里9 。= a r c s i n ( ，) 。 除全反射情况外，当一束光入射到两种光学介质界面，就会被分解为两部分，一束光 经界面反射返回第一种介质，另一束光透过界面进入第二种介质。当光以一定角度i 入射， 即非正入射时，入射光波、反射光波和折射光波遵守菲涅耳公式，电矢量振动方向平行入 射面的p 分量的光强反射比r p 和透射比瓦分别为： 耳= 杉= 器黑 ( 2 1 - 3 ) 乙= 1 一r p2 i 两s i n 2 丽i s i n 而2 r 丽 ( 2 1 - 4 ) 电矢量振动方向垂直入射面的s 分量的光强反射比足和透射比正分别为： r = 彳= 墨等 ( 2 1 - 5 ) 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第6 页 r , = l - 足= 丽s i n 2 i s i n r 正入射情况下，有： r p = r 。：( 笙导) 2 行o + ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 2 ，1 3 棱镜偏光镜的技术参量 ( 1 ) 消光比p ：起偏系统的最小偏振透射比和最大透射比的比值。对一偏光器件，其消 光比p 可表示为， j d = i t ( 表示为正指数) p = 等( 表示为负指数) 式中t 为其主透射比，墨垂直于主透射方向的透射比。 消光比。有时也用偏振度p 表征偏光器件的起偏性能， p ：上卫 1 + d ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 习惯上，用负指数表征偏光器件的 它和消光比的关系可表示为 ( 2 1 1 0 ) ( 2 ) 主透射比t ：起偏系统的偏振输出与相应偏振输入的百分比，也称偏光器件的透射比， 用t 表示。对反射型偏光器件，其主透射比应是偏振的反射光强与相应的偏振入射光强的 百分比。 ( 3 ) 使用波段：激光偏光棱镜和其它偏光器件，一般是用双折射晶体材料做成，所以晶 体材料自身的光学性质从很大程度上制约着偏光器件的使用波段。一般晶体材料在可见光 区外透射比会急速下降，直至截止。这自然就存在一个通光波段范围，也说明了偏光器件 的透射比是随波长而变化的。以冰洲石晶体材料为例，制作的棱镜型偏光器件可在2 3 0 - - 2 8 0 0 n m 波段范围内使用，使用波段以外透射迅速减小，紫# l - 2 2 0 n m 和红夕l - 3 0 0 0 n m 处透射近 乎为零，而在中心波段如：4 8 0 - - 一2 4 0 0 n m 近红外波段，却有非常好的透射性能。如其制作 的格兰泰勒棱镜，在主要波段的透射比都在8 0 以上。 ( 4 ) 视场角：又称全偏张角，是偏光器件的基本性能参量，它两倍于能够透过棱镜并保 持完全偏振的光线与棱镜轴所成的最大角度。在实际条件满足时，一般设计尽可能使器件 有大的视场角。 ( 5 ) 分束角妒：是偏光分束镜的基本性能参量，是指偏光分束镜两出射平面偏振光的夹角。 它随入射角和波长的变化而变化，又和制作做棱镜的双折射晶体材料和棱镜的结构设计密 切相关。 ( 6 ) 抗光损伤能力：也称“抗光损伤阈值，是针对激光偏光镜的要求提出的，由于激光 的高亮度，破坏力大，所以抗光损伤能力对激光偏光镜而言，是一个非常重要的技术指标。 抗光损伤能力是指器件单位面积能承受的最大光强度，用“瓦平方厘米 或“兆瓦平方 厘米表示，通常写做w c m 2 或者m w c m 2 。激光偏光器件的抗光损伤能力，对连续激光 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 第7 页 和脉冲激光是分别表示的，对脉冲激光的抗光损伤能力有常与脉冲宽度和频率有关。 ( 7 ) 分束比：一束光经起偏分束后，两平面偏振光的主透射比的比值称为该器件的偏光 分束比。 2 2 典型的偏光棱镜 偏光棱镜主要用于起偏或检偏，它只输出一束平面偏振光，而振动方向与之正交的平 面偏振光在胶合层界面被全反射掉。以冰洲石( 负晶体) 材料的偏光棱镜为例，在棱镜的 前半块o 光和e 光同向传播，折射率较大的o 光在胶合层界面上发生全反射，e 光则以较高的 透射比通过，从而实现平面偏振光的输出。历史上的偏光棱镜主要有两类：尼科尔( n i c 0 1 ) 型和格兰( g l a n ) 型。 2 2 1n i c o l 型偏光棱镜 b，b c ( d ) c 图2 2 - 1 六种尼科尔棱镜主截面图：( a ) 常规尼科尔棱镜( b ) 斯蒂格和罗 特尼科尔棱镜( c ) 阿伦斯尼科尔棱镜( d ) 汤普森倒尼科尔棱镜( e ) 方形端 面尼科尔棱镜( f ) 哈特纳克一普拉斯莫斯尼科尔棱镜 第一个n i c o l 棱镜诞生于1 8 2 8 年，是由苏格兰物理学家n i c o l 研制而成的，也是最早的棱 镜型偏光器件，在历史上占有非常重要的地位。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，可以达到节省材料的目的。常规n i c o l 棱镜的结构如图 2 2 1 ( a ) 所示。为使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 后沿垂直于截面和两端面的方向切为两半，通光面抛光后，用折射率为1 5 4 的加拿大树胶 胶合起来，即制成n i c o l 棱镜。改进形式的n i c o l 棱镜主要有斯蒂格和罗特n i c o l 棱镜、阿伦 斯n i c 0 1 棱镜、汤普森倒n i c o l 棱镜、缩短的n i c o l 棱镜、方形端面n i c o l 棱镜、哈特纳克一普 拉斯莫斯基棱镜等。如图2 2 1 ( b ) ( f ) 所示，将它门的主截面重叠在冰洲石材料菱面体的主 截面之上，由此，可以很清楚地看到不同结构的n i c o l 棱镜用料情况。 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第8 页 n i c o l 棱镜受限于自身结构原因，透射光束相对于入射光束发生平移，而且光束在前后 两个端面上的入射和出射角度较大，导致光束波前畸变较为严重，不适合用作检偏器；用 作起偏器时，透射比较低。现在科研工作中已基本上不再使用该类型棱镜，但是作为晶体 偏光棱镜设计原理的范例，其历史地位是其它偏光器件所不能及的，因此它仍在高校光学 教学中起着显著作用。 2 2 2g l a n 型偏光棱镜 g l a n 型偏光棱镜的光轴在入射面内，该种结构优点在于光轴与棱镜的透射轴正交，利 用了晶体的最大双折射分束，从而使棱镜具有较宽的视场角和较小的长一宽比( l s ) ；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。根据胶合层