（光学专业论文）晶体材料折射率的测量方法研究.pdf

摘要 捅要 折射率是晶体的重要光学参数，也是衡量晶体物理特性最基本的内容之 一，对于同一晶体，不同波长对应不同的折射率，其测量值对器件设计至关 重要。测试晶体折射率的方法很多，但是折射率测试的范围和精度一般都因 为方法本身所要求的条件而受到不同程度的限制。 双折射率是表征各向异性晶体光学特性的一个非常重要的光学参数，山 材料的成分结构以及生成条件等多种因素所决定，并且与波长有关。测量双 折射率的方法多样，绝大多数是针对单一波长进行，先测出主折射率，然后 由其推算出双折射率值，精度一般是1 0 。比较精确的测量方法当数干涉测 量法，如浸液干涉法和自补干涉法，它们的共同之处是精度比传统方法提商 一至两个数量级，但是上述干涉法用于可见光之外的测量是不适宜的，并h 测试所需样品精度要求非常高，一般晶体加工工艺难以保证，从而使得测量 精度与理论精度相差较大。我们采用连续偏光干涉测量法测量晶体双折射 率，根据偏光干涉理论公式，当相位满足一定条件时，光强分别有极大极小 值，知道了极值对应的波长，根据榍位公式，便可计算出对应巧i 同波长的双 折射率，所需样品仅为一光轴平行表面的平薄板，结构简单，样品制作过程 中各技术指标容易控制。偏光干涉测晕= 涉及范围不仅是可见区它已拓展到 紫外和红外光谱区，并且不需要复杂处理，就可得到精度1 0 1 的双折射率值。 论文共分五章： 第一章，绪论部分对折射率和折射率的测量方法作引入性的介绍。 第二章，介绍了晶体双折射理论以及双折射现象的应用。 第三章，详细整理了几种典型的折射率测量方法，包括第五章的双折射 率测量试验中使用的偏光干涉法。 第四章，首次提出并使用光强差法和垂蓖入射法测量了样品的折射率， 取得满意结果。 第五章，使用偏光干涉法测量石英晶体的双折射率，达到理想精度l o 。 同时对试验曲线的聚敛特性提出新的见解。 论文的主要创新足：一、提出了两种测量介质折射率的简便实用的新方 一一一堑望苎! 坚 法光强差法和垂直入射法；二、对利用连续偏光干涉法测量晶体材料最 大双折射率实验中所得到的光强透射比曲线的变化特性做出理论分析，对实 验曲线聚敛性提出新的见解。通过改变实验条件，使光强透射比曲线随i i j 射 光缝隙宽度的改变呈一定规律性，缝隙很大时，光强透射比的最大最小值随 着波长的减小逐渐靠拢。试验证明了入射光单色性是影响曲线变化的主要凶 素，材料吸收是次要因素。 关键词：晶体；折射率；双折射率；偏光；干涉；透射比；单色 性 摘要第3 贞 a b s t r a c t t h er e f r a c t i v i t yo fc r y s t a li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n to p t i c sp a r a m e t e ra n d i ti sa l s oo n eo ft h em o s tb a s i cc o n t e n tt oj u d g et h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f c r y s t a l t ot h es a m ec r y s t a l ，i ft h ew a v e l e n g t hd i f f e r e n tt h e nw eg e tt h ed i f f e r e n t r e f r a c t i v i t y , t h em e a s u r e m e n to fr e f r a c t i v i t yi sv i t a lt od e s i g nd e v i c e t h e r ea r e m a n ym e t h o d st om e a s u r et h er e f r a c t i v i t yo ft h ec r y s t a l ，h o w e v e r , t h ea c c u r a c y a n dt h er a n g eo ft h em e a s u r e m e n to fr e f r a c t i v i t y s u b j e c tt od e f e r e n te x t e n t l i m i t a t i o nb e c a u s eo ft h em e t h o d sb u i l t i nc o n d i t i o n s b i r e f r i n g e n c ei s a ni m p o r t a n to p t i c a l p a r a m e t e ro fn o n i s o t r o p i cc r y s t a l ， w h i c hi sd e t e r m i n e db ym u l t if a c t o r s ，s u c ha s c o m p o n e n ts t r u c t u r eg r o w t h c o n d i t i o na n dw a v e l e n g t h t h e r ea r em a n ym e t h o d st om e a s u r eb i r e f r i n g e n c e ，b u t t h e yu s u a l l ya p p l i c a b l ef o rs i n g l ew a v e l e n g t ha n db i r e f r i n g e n c ei so b t a i n e db y p r i m a r yr e f r a c t i v ei n d e x ，p r e c i s i o ng e n e r a l l yi s 1 0 。4 t h ea c c u r a t em e t h o di s i n t e r f e r o m e t r y , f o re x a m p l e ，s t e e pi n t e r f e r o m e t r y a n d s e l f - c o m p e n s a t i o n i n t e r f e r o r h e t r y , t h e yh a v eac o m m o nc h a r a c t e r i s t i i ：t h a tt h ep r e c i s i o nc a ni n c r e a s e o n eo rt w oo r d e r b u tt h e ya r eo n l ya p p l i c a b l ef o rv i s i b l e l i g h ta n ds a m p l e p r e c i s i o nd e m a n di sh i g h ，c r y s t a lt e c h n i q u e si sd i f f i c u l tt om e e t ，s om e a s u r e p r e c i s i o ni sf a rf o r mt h e o r yp r e c i s i o n w ea d o p tc o n t i n u o u sp o l a r i z a t i o np r i n c i p l e t om e a s u r eb i r e f r i n g e n c eo fc r y s t a l ，t h es a m p l ei so n l ya ne v e nt h i nb o a r dw h i c h o p t i c a la x i si sp a r a l l e lt ot h es u r f a c e ，t h ec o n s t r u c t i o ni ss i m p l ea n dt h et e c h n i q u e d a t ai se a s yt oc o n t r 0 1 t h er a n g eo fm e a s u r e m e n ti sn o to n l yv i s i b l el i g h t ，b u t a l s ou l t r a v i o l e tb a n da n di n f r a r e dr e g i o n w ec a l lg e tb i r e f r i n g e n c eo f1 0 p r e c i s i o nw i t h o u tc o m p l e xd a t a - p r o c e s s i n g t h ep a p e ri n c l u d e sf i v es e c t i o n s i nt h ef i r s t c h a p t e rw ei n t r o d u c et h e c o n c e p to fr e f r a c t i v i t ya n dt h em e t h o d st om e a s u r et h er e f r a c t i v i t y i nt h es e c o n d c h a p t e r , w eg i v et h et h e o r i e so fb i r e f r i n g e n c ea n dt h ea p p l i c a t i o no fb i r e f r i n g e n c e p h e n o m e n o n i nt h et h i r dc h a p t e r , w ec o l l a t ea n yt y p i c a lm e t h o d st om e a s u r et h e r e f r a c t i v i t y i ta l s oi n c l u d e st h em e t h o dw eu s et om e a s u r eb i r e f r i n g e n c ei nt h e 塑矍蔓! 丝 f i f t hc h a p t e r i nt h ef o u r t hc h a p t e r , w ep u tf o r w a r dt h en e wm e t h o d st om e a s a r e t h er e f r a c t i v i t yo ft h es p e c i m e nm a t e r i a l s ，t h ed i f f e r e n c eo fl i g h ti n t e n s i t ym e t h o d a n dt h e v e r t i c a li n c i d e n c em e t h o d i nt h el a s tc h a p t e r , b yu s i n gp o l a r i z a t i o n i n t e r f e r i n gm e t h o d t om e a s u r et h eb i r e f r i n g e n c eo fq u a r t z ，w eg e tb i r e f r i n g e n c eo f 10 p r e c i s i o n a n dw eg e tan e wv i e w p o i n ta b o u tt h ec o n v e r g e n c ec h a r a c t e r i s t i c o f t h ee x p e r i m e n tc u r v e t h em a i ni n n o v a t i o n so ft h i sa r t i c l ei sf i r s t , t h em s to n ew h op u tf o r w a r d t w oe a s ym e t h o d s ，t h ed i f f e r e n c eo fl i g h ti n t e n s i t ym e t h o da n dt h ev e r t i c a l i n c i d e n c em e t h o d t om e a s u i et h er e f r a c t i v i t y s e c o n d ，w em a k et h e o r e t i c a l a n a l y s i st ot h e v a r i a b l ec h a r a c t e r so ft h et i g h ti n t e n s i t yt r a n s m i s s i v i t yc u r v e w h i c hi s g a i n e dt h r o u g ht h e c o n t i n u o u sp o l a r i z a t i o ni n t e r f e r i n ge x p e r i m e n t t h r o u g hc h a n g i n ge x p e r i m e n tc o n d i t i o n s ，w ef i n dt h a tt h ei n t e n s i t yt r a n s m i s s i o n c u r v ev a r ya l o n gw i t ht h es l i ta n da p p e a rad e f i n i t er o l e i tt u r n st h a tt h em a i n f a c t o ri st h em o n o c h r o m a t i c i t yo ft h el i g h t m a t e r i a la b s o r bi st h es e c o n d a r y k e yw o r d s ：c r y s t a l ：i n d e xo fr e f r a c t i o n ；b i r e f r i n g e n c e ；p o l a r i z a t i o n ； i n t e r f e t e n c e ；t r a n s m i s s i v i t y ；m o n o c h r o m a t i c i t y i i l i 阜师范大学硕- i ：e f 究生毕业论文 第1 页 晶体材料折射率的测量方法研究 第一章绪论 折射率是晶体的重要光学参数，也是衡量晶体物理特性最基本的内容之 一，其精确测量值对器件设计至关重要，对于同一晶体，不同波长对应不同 的折射率。几十年来，国内外许多光学测试者致力于实现高精度，全自动地 测量折射率的目标，使折射率的测量由偏折角的光电瞄准代替了目视瞄准【3 1 ， 由手动测量走向自动测量1 4 一i 。测试晶体折射率的方法很多1 6 , 7 l ，但由于折射 率测试的范围和精度一般都因为方法本身所要求的条件而受到不同程度的 限制。如最小偏向角法1 8 】，它必须将晶体磨成一定形状的棱镜，通过测出光 线射出棱镜后的最小偏向角来计算晶体的折射率，这种测试方法对加工的精 度要求高，难度大，且对于一些较珍贵的晶体来说，所花费的代价太高；折 光率计法，油浸法和国内生产的阿贝折射仪也只能测试1 3 一1 9 范围内的 折射率。对于高折射浸没溶体法测试晶体的折射率，虽然能测试1 9 一z 5 范围内的折射率，但也由于高折射溶体的配置较为困难，且配置成的溶体会 使晶体的透明度降低，色散增大，测试精度也随之变差1 9 】。v 型棱镜( 9 0 0 ) 法所需要的晶体样品尺寸小，但其折射率的测量范围仅到1 9 左右。已有文 献介绍了一种测试晶体折射率的有效方法一激光干涉法【io ，l n ，获得了较为满 意的实验结果。 1 6 7 0 年，巴托里那斯发现，把方解石晶体放在桌面上，看到每个字呈现 出双像。这种一束光射入各向异性媒体时，折射光分成两束的现象称为双折 射。其中一束不改变传播方向，遵守s n e l l 定律，称之为寻常光( 简称。光) ， 另一束偏离了入射光的方向，也不遵守s n e l l 定律，称非常光( 简称e 光) 。 研究表明1 1 2 1 儿各向异性晶体都会有程度不同的双折射性质，它是光在各向 异性晶体中传播的宏观表现。具有双折射性质的晶体称之为双折射晶体，与 双折射有关的光学特性可以通过求解晶体中的m a x w e l l 方程获得。作为现代 激光应用技术和偏光技术中的功能材料，双折射晶体已在光的起偏、调制和 非线性光学技术领域得到普遍应用。特别是用于制作各类激光偏光器件、相 曲阜师范大学硕i ：研究生毕业论文第2 页 位延迟器件和电光调制器件等。 对于表征晶体各向异性的双折射率的测量，首先是先通过测出主折射率 值，然后推算双折射率值，精度一般是l o 一。因此探求一种精确测量双折射 率的方法，提高双折射率的测量精度，对于分析晶体各向异性性质和晶体材 料的实际应用，意义特别重要。通过查阅资料和初步研究，采用电光调制法 【2 1 和干涉测量法可以满足较高精确度的测量，用这两种方法的样品仅为一 光轴平行于表面的平薄板，结构简单，样品制作过程中各技术指标容易控制。 比较实用的偏光干涉测量法是利用自动化程度较高的光栅分光光度计 测量石英晶体的双折射率已见报道。岛津u v - 3 1 0 1 p c 分光光度计由日本岛 律制作所生产，它的基本功能是测试固体、液体样品的透射、反射及吸收光 谱。测量的波长范围为1 9 0 n m - - 3 2 0 0 n m 。 光轴平行表面的双折射率晶体平板放置在主截面相互平行的两高消光 比偏光棱镜之问，当平板光轴方向相对第一棱镜主截面成0 角时，由第二棱 镜出射的光强由下面公式【1 4 j 确定： i，、i ，= ，0 1 1 一s i n 2 2 日s i n 2 l 蒯以 。o ，o 实测光路采用双光路比对，避免了光源的起伏和光路系统中器件固有的光谱 吸收。所得光强透射比曲线是反映光强与相位信息的综合干涉信息图样。 参考相关文献，通过对石英晶体等样品的双折射率测量，我们可获得一 个连续光谱，光谱范围不仅是可见区，根据需要还可以拓展到紫外和红外区 域，并且采用不复杂数据处理，就可得到精度l o _ 5 双折射率值；实验过程中 的偏光干涉光强透射比曲线不仅反映了晶体材料双折射特性，而且反映了材 料的光谱吸收性质和测量系统条件的影响，尤其是后者。在同一样品条件下， 我们通过改变出射光缝隙宽度的大小获得不同的光强透射比曲线，这些曲线 随缝隙大小的改变而呈现一定的规律变化，本文对此变化规律做出了理论上 的解释。 i i i l 阜师范大学硕。i ：研究生毕业论文第3 页 第二章晶体双折射基本理论 人们最早是在方解石中观察到光学双折射现象的。光的电磁理论可对光 在晶体中的双折射现象做出令人信服的解释，但早在光的电磁理论诞生之 前，惠更斯于1 6 9 0 年就对双折射做出了解释。惠更斯的方法虽然没有深入 到光与物质作用的本质，而且缺乏理论上的严格性，但在对双折射现象做出 初步说明这一有限范围内，其结果与电磁理论以及实验事实是相符合的，并 有简洁、直观的优点。 2 1 双折射基本概念 2 1 1 双折射现象 例如：白纸上涂一个黑点，将方解石放在纸上，可观察到两个黑点，旋 转方解石，一个黑点不动，另一个黑点旋转。这种一束自然光穿过各向异性 的晶体( 如方解石晶体) 时分成两束偏振光的现象称为双折射现象。双折射 现象不仅产生在某些各向异性的晶体中，而且也产生在其它种类的光学各向 异性的介质中。 图2 1 双折射现象表不 其中的一条折射光服从折射定律，沿各个方向的光的传播速度相同，各 向折射率i l ( 相同，且在入射面内传播，这一条光线称为寻常光，简称。 光。另一条折射光不服从折射定律，沿各个方向的光的传播速度不相同，各 向折射率i l e 不相同，并且不一定在入射面内传播，这一条光线称为非常 光，简称e 光。在双折射晶体内存在一个固定的方向，在该方向上。光、e 光的传播速度相同，折射率相同，两光线重合。这个方向称为晶体的光轴。 i i f i 阜师范大学硕j ：研究生毕业论文第4 页 平行于光轴方向，o 光，e 光重合，不产生双折射现象。垂直于光轴方向， l l o ，l l e 相差最大，o 、e 光偏离最大。 具有一个光轴的晶体，称为单轴晶体。例如：方解石、石英等。 具有两个光轴的晶体，称为双轴晶体。例如：云母、硫磺等。 晶体中任意光线和光轴所决定的平面称为此光线的主平面。o 光和e 光 都有各自的主平面，b 光的振动方向和它的主平面垂直，e 光的振动方向和 它的主平面平行。实验和理论都指出，若光线在由光轴和晶体表面法线组成 的平面内入射，则。光和e 光都在该平面( 即入射面) 内，该平面是。光和 e 光共同的主平面。这个由光轴和晶体表面法线组成的面称为晶体的主截面。 2 1 2 主折射率 晶体对对。光的折射率为【1 5 】； ”。= 三 ( 2 1 1 ) 晶体对e 光的折射率为光在真空中的相速度与e 光的相速度之比。由于 e 光的相速度因方向而异，所以对e 光的折射率也随方向而变。例如沿光轴 方向e 光折射率就等于。光折射率，沿垂直于光轴方向e 光的相速也与相 差最大，相应的e 光折射率与打。的差别也最大，用 。表示，即： 玎。：三 ( 2 1 2 ) 玎2 一 l z z ， 也 表2 1 几种单轴晶体的主折射率( 九= 5 8 9 3 埃) 玎。 玎e f 一 晶体分子式 冰h 2 01 3 0 91 3 1 3+ 0 0 0 4 石英 s i 0 2 1 5 4 4 1 5 5 3 + 0 0 0 9 纤维锌矿 z n s2 3 5 62 3 7 8+ 0 0 2 2 冰洲石c a c 0 3 1 6 5 81 4 8 6一o 1 7 2 白云石c a o 1 6 8 11 5 0 0 0 1 8 l 菱铁矿 f e o1 8 7 5 1 6 3 5- 0 2 4 0 红宝石 a 1 2 0 3 1 7 6 9 1 7 6 0- 0 0 0 9 曲牟师范大学硕i 。研究生毕业论文第5 负 在其它方向上e 光折射率介于 。，与打，之间，由( 2 1 1 ) 及( 2 1 2 ) 式 决定的晶体折射率叫做单轴晶体的两个主折射率，对于j 下晶体打。 n 。两主折射率之差圩。一疗。称为单轴晶体的最大双折射率( 或 重折射率) ，它反映了晶体的双折射性质，是晶体的一个重要特征量。在矿 物分析中通过对最大双折射率的测定来鉴别各种矿物晶体。表2 1 给出了几 种单轴晶体的主折射率，表2 3 给出了常用晶体的双折射率。 表2 3 常用品体的双折射率表 1 6 , 1 7 l ( t = 2 4 8 c 时的n e - r l 。) 波长石英云母方解石 m g f 2 a d pk d p ( n m ) 3 0 0 0 0 1 0 2 50 2 0 7 0 9o 0 1 2 4 0一o 0 5 1 1 60 0 4 7 3 9 3 5 00 0 0 9 8 2 一o 1 9 3 0 3o 0 1 2 2 0- 0 0 4 9 3 8- 0 0 4 5 5 0 4 0 00 0 0 9 5 5 0 1 8 4 9 20 0 1 2 0 50 0 4 8 1 70 0 4 4 2 2 4 5 00 0 0 9 3 7- 0 0 0 5 4 70 。1 7 9 7 20 0 1 1 9 5- 0 0 4 7 2 50 0 4 3 2 5 5 0 00 0 0 9 2 4- 0 0 0 4 6 80 1 7 6 1 30 0 1 1 8 7- 0 0 4 6 4 80 ，0 4 2 4 3 5 5 00 0 0 9 1 5- 0 0 0 4 7 60 1 7 3 5 00 0 “8 2- 0 0 4 5 7 8一o 0 4 1 6 9 6 0 0。0 0 0 9 0 7- 0 0 0 4 8 00 1 7 1 4 8o 0 1 1 7 7- 0 0 4 5 1 3一o 0 4 1 1 0 6 5 00 0 0 9 0 l- 0 0 0 4 8 2一o 1 6 0 8 8o 0 1 1 7 40 0 4 4 4 9- 0 0 4 0 3 l 7 0 00 0 0 8 9 6- 0 0 0 4 8 3一o 1 6 8 5 60 0 1 1 7 l- 0 0 4 3 8 4一0 0 3 9 6 2 7 5 00 0 0 8 9 l0 1 6 7 4 50 0 1 1 6 9- 0 0 4 3 1 9 - 0 0 3 8 9 3 8 0 00 0 0 8 8 7一o 1 6 6 4 80 0 1 1 6 7- 0 0 4 2 5 20 0 3 8 2 0 8 5 0 0 0 0 8 8 30 1 6 5 6 2o 0 1 1 6 50 0 4 1 8 3- 0 0 3 7 4 6 9 0 00 0 0 8 7 90 1 6 4 8 4o 0 1 1 6 30 0 4 l l l- 0 0 3 5 6 9 9 5 00 0 0 8 7 60 1 6 4 1 l0 0 1 1 6 2一0 0 4 0 3 6- 0 0 3 5 8 8 1 0 0 00 0 0 8 7 3一0 1 6 3 4 2o 0 1 1 6 1- 0 0 3 9 5 80 0 3 5 0 4 1 0 5 00 0 0 8 6 9 一o 1 6 2 7 6o 0 1 1 6 00 0 3 8 7 7- 0 0 3 4 1 6 l 1 0 00 0 0 8 6 6一o 1 6 2 1 20 0 1 1 5 9- 0 0 3 7 9 20 0 3 3 2 5 2 1 3 光的双折射现象的解释 惠更斯原理：0 光在晶体内任意点所引起的波面是球面。即具有各向同 性的传播速率，e 光在晶体内任意点所引起的波面是旋转椭球面，沿光轴方 曲卑师范大学顾i 。研究生毕业论文 第6 页 向与o 光具有相同的速率。 #氐彳却 ( v彭( v议 一 ， 、 ， 菇8 。 、砖! 、 l o 图2 2 惠更斯作图法 由于晶体中子波波面是双层的，且。光和e 光的波面形状不同，这给光 在晶体中的传播带来了新的特点。设平面波入射到负晶体( 如冰洲石) 的表 面上，图2 2 为晶体的毛截面，光轴在图面内( 虚线所示) 。在时刻t o 入射 波垂直入射到晶体表面，表面上各点将，l ：始向晶体内发出予波，经f 时间后， 各子波波面如图所示。( 图中仅画出a 、b 两点所发出的两组子波波面为代 表) o 光的球面和e 光的椭球面在光轴方向相切。作球面子波的公切面c d ， 即得o 光的波前；做椭球面予波的公切面e f ，即得e 光的波前。由图可知， c d 和e f 均与晶体表面平行，就是说，o 光和e 光的波前均沿晶体表面的法 线方向( 入射光方向) 向i j 推进。但他们的推进速度不同，即o 光和e 光的 相速度不同。做出了。光和e 光的波前后，就知道了。光和e 光波前的传播 方向( 位相的传递方向) 。但我们感兴趣的常常是晶体中光线的方向，即能 量的传播方向。在波前上各点的能量( 即切点处能量) 都来自相应的子波中 心，所以只要从予波中心引一条氲线经过切点，该直线就代表能量的传播斤 向，亦即光线方向。在图2 2 中，从子波中心a 、b 做直线通过球面子波的 切点c 、d ，所得直线a c 和b d 就代表晶体中。光的传播方向。显然，o 光 仍沿入射光方向传播。同理，连接a 、b 和椭球子波切点的直线a e 和b f 就代表晶体中e 光的传播方向。山上述可知；对o 光能量传递的方向( 光线 方向) 与位相传递的方向( 波f ； 推进的方向) 一致，光线的传播速度( 光线 i i l i 申帅范人学坝i 研究生毕业论文第7 负 速度) 与相速度相等，这与各向同性介质中的情形完全一致。但对e 光，能 量传递的方向与位相传递的方向不同，光线速度一般也不等于相速度，这就 有必要对光线方向和波面推进的方向，以及光线速度与相速度加以区别了。 o 光和e 光都是线偏振光，它们的振动方向分别与其主平面垂直和平行。 在图2 2 中，o 光和e 光的主平面以及晶体的主截面均与图画重合，所以。 光的振动方向与图面垂直，e 光的振动与图面平行。 2 2 双折射现象的应用 根据晶体的双折射现象，可以把两种互相垂直的光振动分开，方法是采 用全反射原理制作不同类型的偏光棱镜，从而获得偏振光l 博i 。这种获得偏振 光的方法称为棱镜法。利用棱镜法获得偏振光历史悠久，早在1 8 2 8 年，尼 科耳就用冰洲石制成了“尼科耳棱镜”，简称“尼科耳”。在尼科耳棱镜问世 1 6 0 年后的今天，偏光技术已发展为应用光学技术的一个重要分支，它已渗 透到与光学技术有关的各个科学领域，尤其是激光的出现更为偏光技术的应 用丌辟了更广阔的天地。 2 2 1 峻镜型偏光器件 双折射现象的主要应用之一，是利用单轴晶体制作棱镜型偏光器件。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率：双折射率均匀， 透明度高，无光学级要求的缺陷( 如包裹体、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： 抗光损伤闽值高。 目村应用最广泛的是天然晶体冰洲石( 方解石) ，该晶体在相当宽的波 段内有极高的透射比，制成的棱镜偏光镜可在0 2 1 5a m 谱区使用。国外 一般使用到2 8 f 删，我们在对冰洲石的偏光透射光谱特性作了详尽的研究 之后，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 a n 。对其 他波长，可选用石英、金红石、硝酸钠及b b o 等晶体材料代替。 随着激光应用技术的发展，偏光技术也有了长足的发展，偏光器件的研 曲卑师范人学硕h p f 究生毕业论文第8 哑 制丌发也与之同步。由于激光本身的固有特点，要求偏光器件有高的消光比 和大的抗光损伤阈值。把适应激光偏光技术所需要的偏光器件称激光偏光器 件。这类器件的设计也主要得益于某些具有较大双折射率的晶体材料。目l i 国内外常用的棱镜型激光偏光镜多达几十种，其特点用途各异。棱镜型激光 偏光镜大体可分为激光偏光镜和偏光分束镜两类。一般来说，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，另一束振动方向与之萨交的 平面偏振光被反射掉。偏光分柬棱镜兼有起偏、分束两种功能，它是把一束 光分解为振动方向互相垂直的两束平面偏振光，按一定的分束角同时输出。 随着激光技术的发展，为了满足激光调制技术的需要，研制出一些混合型棱 镜偏光镜，如0 e 双输出棱镜，9 0 。双输出棱镜等。这类棱镜把原来反射掉的 一束平面偏振光利用起来，以满足激光调制技术的需要。 2 z z 光学延迟和补偿器件 相位延迟和光学补偿器又是一个利用各向异性的双折射特性设计器件 的范例，它与激光偏光器件设计的不同特点之一是尽量选择那些双折射率小 的材料，且双折射率的测量精度一定要在1 0 叶以上。这类器件与偏光器件相 配合，可以实现各种偏振态之问的相互转换、偏振面的旋转及各种偏振光波 的调制。在光学偏光技术应用中，偏光器件和延迟器件具有同等的应用价值。 一、相位延迟片 利用单轴或双轴双折射晶体制成的片式相位延迟器，是常用的偏光转换 器件，简称波片。 一般地，波片的两个平行通光表面与双折射晶体的光轴平行。设一单色 平面偏振光正入射到波片上，入射光的电矢量将按波片光轴方位分解。当入 射电矢量的方向不与光轴方向平行或垂直时，光进入波片后是被分解为两束 电矢量相互垂直振动的平面偏振光，这两柬o ，e 光出射后具有的位相差为： 1 一j 占= 兰竺k 一，r l d f = 2 z n ( 2 2 1 ) ，兄。 叫 式中，阮一押。l 为最大双折射率d 为波片厚度，n 为以波长分数表示的 推迟，n = 1 4 或1 2 的分别称为单缴1 4 波片或单级1 1 2 波片，n i 时称 多级波片。 曲宁师范人学颂i j 研究生毕业论文第9 贝 由于o ，e 光在波片中的传播速度不同，常把波片的两个光学主轴称为快 轴和慢轴。对于正品体，v 。 h 。，光轴是慢轴；对于负晶，光轴足 快轴。当入射的偏振光电矢量与快轴( 或慢轴) 平行时。波片的作用相当于 一各向同性板。对于1 4 波片，若不考虑晶体的二向色吸收及其它能量损失。 当0 矿，4 5 。，9 0 。时( 0 为入射偏振光电矢量与快轴的夹角) ，出射光是椭 圆偏振光。椭圆主轴分别与波片的快慢轴重合；0 = 4 5 。时，出射光为圆偏 振光：对于1 2 波片，出射光仍为线偏振光，其电矢量方向旋转到与快轴( 或 慢轴) 对称的方位上去。应该注意，自然光通过波片时，由于所属的两个偏 振念是不相干的，波片的作用只足在原来无规则分布的相位附加一固定相位 差，因而输出光仍是自然光。一般情况下，波片只能用于偏振光的- f 入射。 制作波片的材料通常有云母、石膏、氟化镁、蓝宝石、结晶石英等啦轴 或双轴双折射晶体材料，在0 。1 7 2 5 , u m 波长区，由于白云母和晶体石英 有较小的双折射率和较适宜的光学加工性能，被最广应用。 1 、云母波片 云母是双轴负晶体，它有许多不同的晶形，通常用于波片加工的是白云 母，即r h 2 a l 3 ( s i 0 4 ) 。它是无色透明的片状结晶体，除在波长2 7 ，埘附近 有一水的吸收带外，在相当宽的波长范围内具有很高的光强投射比。云母波 片的选料非常严格，要求面形好，透射比高，- w 3 色性小l l 。 云母波片制作工艺比较简单，利用其易于解理性和低双折射率，容易制 成单级片，但是由于云母片太薄，极易产生多次反射，而且孔径稍大时面肜 难以保证，因此，一般采用表面镀减反射膜，或将波片胶合央在两高度透叫 的平行玻璃盖板之问的方法末改善其性能【2 0 ，2 2 1 。 云母材料制作波片的另一个缺点是，由于结晶特性引起的双折射率的刁i 一致性，造成产品的一致性差，对于不同矿位上的白云母，即使同一厚度， 也不能保证延迟量相同，无法形成大批量生产。 2 、石英波片 优质的天然或人工石英晶体是制作紫外和红外区波片和补偿器的理想 材料，通常的石英波片有两类，是单式结构的多级片，另一类是二元结构 的复合单级片。前者宜在单一波长或在几个分立的波长下使用，其延迟量埘 曲阜师范大学硕：b 开究生毕业论文第l o 页 环境温度、波长及入射角的变化比较敏感。 温度的微小变化对石英多级片的延迟都会产生明显的影响，这是由石英 材料的0 ，e 光折射率其温度的线膨胀系数不同所致。一块厚度约1 8 m 的 波片，波长6 3 2 8 r i m ，温度每升高r ，其延迟约减少r ，所以在使用石英多 级片时要特别注意温度变化引起的延迟误差。 此外，多级片对入射角也是很敏感的。如果把簧于光路中的波片，绕平 行于波片光轴的轴( 或绕垂直于光轴的轴) 转动，将会发现延迟量明显的变 化。如果绕平行于光轴的轴转动延迟量增加，则绕垂直于光轴的轴转动波片， 延迟量就会变小。它的这一特点给波片的使用带来很大好处。用旋转波片的 方法可以把不够精确或因温度变化等原因产生较大误差的波片，精细地调整 到所需要的值。 与云母波片相比，石英波片具有一下优点：面形好，不会出现多次反射， 推迟无振荡；二向色性小，紫外和红外透射区更宽；对于同一波长，同一温 度下测得的最大双折射率值，一致性好，可以通过精确的厚度调整控制其延 迟量，能大批量生产。 3 、复合波片 复合波片是由若干相同或不同材料的晶体组合而成，各片的光轴互成一 定角度。复合波片基本上具有单级波片的优点，若选择不同的双折射材料组 合，还可以使整个器件的双折射率在一定波段内呈线性变化，从而是器件的 延迟量与波长无关，成为消色差波片，这是单元结构波片所做不到的田1 。 二、光学补偿器 光学补偿器和相位延迟器件相比无本质的区别，它是一种延迟量可以在 一定范围内调节的延迟器件，多用在偏光分析、椭偏测量和光学调制中。 就其结构而言，补偿器大体分两类：一是双折射波片结构，通过机械的 平移或转动的方法来调节延迟量，主要用于稳恒光束的偏振态变换、椭偏分 析及透明介质的双折射测量；另一类是用人工双折射材料制成的补偿器，通 过施加外场改变延迟材料的双折射率以实现对延迟量的调节，主要用于瞬间 光束的偏光调制或作为光开关和转向器。前者为机械调节补偿器，后者为电 光补偿器。 曲阜师范人学坝_ | 研究生毕业论文 第1 i 虹 第三章晶体材料折射率和双折射率 的测量方法 测最折射率的方法多种多样，本章选择几种典型的折射率测量方法进行 介绍。通过2 2 节中光学器件设计介绍可以看出，双折射率是晶体光学器 件设计中一个非常重要的光学参数。测量双折射率的方法中，绝大多数是针 对单一波长光进行，先测出主折射率值，然后由其推算出双折射率值，精度 一般是l o 。比较精确的方法当数干涉测量法【2 4 1 ，如浸液干涉法和自补干涉 法，他们的共同之处是精度比传统方法提高一至两个数量级。但是上述几种 方法用于可见光之外的测量是不适宜的，并且测试所需样品制备精度要求非 常高，一般晶体加工工艺难以保证，从而使测量精度与理论精度相差甚远。 我们采用的连续偏光干涉法测量晶体双折射率，所需样品仅为一光轴平行表 面的平薄板，结构简单，样品制作过程中各技术指标容易控制。偏光干涉法 测量涉及光谱范围不仅是可见区，它已延拓到紫外和红外光谱区，并且不需 要复杂数据处理，就可得到精度1 0 _ 5 的双折射率值。 3 1最小偏向角法 最小偏向角法测量折射率基于测出单色平行光经三棱镜折射后的最小 偏向角来求出折射率。 a 幽3 1 光线在棱镜中的折射 曲阜师范人学预t ：研究生毕业论文 如图3 1 所示，a b c 是三棱镜的主截面，沿主截面入射的光线d e 在 截面a b 上的e 点发生第一次折射，光线在这罩是由光疏介质进入光密介质 的折射角i ，小于入射角i 。，光线偏向底边b c 。进入棱镜的光线e f 在截面 a c 卜的f 点发生第二次折射，在这里，光线是由光密介质进入光疏介质的， 折射角i ；大于入射角i 0 出射光线迸一步偏向底边b c 。光线经两次折射，传 播方向总的变化可用入射线d e 与出射线f g 延长线的夹角占来表示，占叫 做偏向角。 由图3 1 可以看出，艿与i 、i 2 、i ：、i ：以及棱镜角口之间有如下几何关 系： 6 = ( i 一一i 2 ) + ( 吖一艺) = ( i i + f i ) 一( i 2 + 艺) ( 3 1 1 ) 因为口= i ，+ i ： 所以， 万= i + i ：一口 ( 3 1 2 ) 利用折射定律，若棱镜折射率为i 3 ，并放置在空气中，则 f ：= s i n 。( n s i n i ；) = s i n 一 n s i n ( a - i 2 ) 】 将上式展开： i i = s i n 。( n s i n a c o s i 2 一n c o s a s i n i 2 ) l = s i n “ n s i n a ( 1 - s i n2 i 2 ) 2 - c o s a s i n i l 】 = s i n “ s i n a ( n 2 一s i n 2f 1 ) 2 一c o s a s i n i 2 】 于是，偏向角 l 8 = + s i n 。 s i n a ( n 2 一s i n 2 2 - c o s c r s i n i l 】- t z ( 3 1 3 ) 显然，一束单色光在穿过一块给定的棱镜( 即f 和口固定) 时，其偏向 角只是第一个面上入射角i 的函数。其中，占的最小值6 。叫做最小偏向角。 利用式( 3 1 2 ) ，对其微商，令譬：0 ，可求得以，并可证明，产生最小 “l 偏向角的充要条件是： 曲阜师范大学颐仁研，z 生毕业论文第1 3 撕 i i = i ；，i 2 = 呓 ( 3 1 4 ) 产生最小偏向角的条件还可以用另一种方法论证，简述如下：设一条光 线有最小的偏向角，而f ，= i ；，那么我们可以把光线反向，它将沿同样的路 程返回，显然万不会改变，即仍有j = j 但是这意味着将存在两个不同的 入射角使偏向角为最小值，这当然不j 下确。因此必须有i = i 0 在j = 瓯的情况下，由式( 3 1 2 ) 及口= i 2 + 吐可得： i l ：丝型，i ，：堡 2 。 2 根据折射定律可知： 呱孚) 疗= j o s i n 竺 2 ( 3 1 5 ) 式( 3 1 5 ) 是确定材料折射率较准确的方法【2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 ，2 9 3 伽。 利用精密测角仪测出棱镜的项角口和最小偏向角j 。，由式( 3 1 5 ) 可 计算出被测试样的折射率。当光源稳定，材料的内应力、条纹、均匀性和棱 镜的尺寸都满足测试要求时，测量精度可达3 1 0 4 。此方法对各向异性晶 体材料的e 光主折射率测量存在一定的困难，无法直接得到双折射率值。 3 24 5 。棱镜法 这种方法【3 l 】的优点是所用的晶体样品尺寸小，测量精度比较高，折射率 的测量范围可到2 3 左右。4 5 0 棱镜法测量晶体折射率的原理如图3 2 所示。 一束平行光垂直通过晶体的b d 面，并以4 5 0 角入射到晶体与标准玻璃的截 面a i ) 上，当晶体的折射率大于标准玻璃的折射率n 2 时，光束在标准玻璃中 的折射角为4 5 0 + 点，当晶体的折射率小