线偏振光的产生、检验PPT课件.ppt

本节授课内容 线偏器的定义 质量指标质量指标包括 偏振度 偏振透过率 消光比 光谱范围 色散和稳定度等 各种起偏器常见起偏器包括 基于布儒斯特角入射的反射和折射式起偏器 基于天然双折射的晶体起偏器和基于人工双折射的人造偏振片等 线偏振光的检验检偏器 基于马吕斯定律的单片检偏器和半影式检偏器 1 2019 12 20 1 线偏器的定义 只让具有一定振动方向的光波通过的光学元件称为 线偏器 这个振动方向称为该元件的主方向或透射方向 把自然光变为振动方向平行于主方向线偏光的线偏器称为 起偏器 用于偏振光检验的线偏器称为 检偏器 起偏器和检偏器是线偏器分别用于产生 检验偏振光时的名称 二者在具体器件上没有区别 2 2019 12 20 2 线偏器的质量指标 偏振度自然光经过实际的起偏器后通常变为部分偏振光 部分偏振光的偏振度称为起偏器的 偏振度 如果定义沿主方向 y轴 振动成分的透过率为Ty 垂直于主方向的振动成分透过率为Tx 则起偏器的偏振度为 P Ty Tx Ty Tx 对于理想起偏器 有 Tx 0 P 1 3 2019 12 20 消光比消光比定义为 Tx Ty 对于理想起偏器 有 0光谱范围指起偏器能适用的光波光谱范围 主要取决于工件的工作原理和材料性质 色散当白光通过起偏器后 透射光的传播方向甚至振动方向都可能因波长而异 稳定度反应元件是否容易因光照 湿度 温度不当和机械冲击而变质 4 2019 12 20 3 各种起偏器 反射式起偏器按照菲涅耳反射公式 当入射光以布儒斯特角射向界面时 反射光束中只含有s分量 透射光中同时含有s和p分量 5 2019 12 20 根据菲涅耳公式 s分量的反射率为 当nt ni 1 5 1 6 时 Rs约为0 15 0 19 光能利用率低 对于严格以布儒斯特角入射的单色平面波 反射式起偏器的偏振度等于1 当入射角偏离 B时 反射光束中将出现p分量 可根据最小偏振度值 计算该元件的孔径角 反射式起偏器优点 偏振度高 适用光谱范围宽 装置简单 缺点 光能利用率低 对入射角度要求高 6 2019 12 20 折射式起偏器 玻璃堆光束以布儒斯特角连续多次射向多个界面 最后的出射光接近于线偏振光 多块平板玻璃互相平行地叠在一起 这种起偏器称为 折射式起偏器 玻璃堆 7 2019 12 20 当光波在平板上表面处以布儒斯特角入射时 在下表面的入射角也必定是布儒斯特角 简单几何关系证明 光束每经过一次反射 将有10 左右的s分量被 反射损耗 掉 经计算 由10块n2 1 5的玻璃平板组成的玻璃堆在空气中使用时 偏振度才达到0 635 与反射式起偏器相比 玻璃堆的优点 光能利用率高 出射光束与入射光束平行 缺点 偏振度偏低 光谱范围受到玻璃性能限制 体积偏大 8 2019 12 20 晶体起偏器设计原理 晶体中的两束 折射光 都是纯粹的线偏振光 设法只让其中一束光射出晶体或者使两束出射光沿不同方向传播 都可以获得偏振度很高的线偏光 尼科耳 Nicol 棱镜 9 2019 12 20 尼科耳棱镜获得线偏振光的方法是使o光受到全反射 而只让e光自出射面射出 制作 通过AD并垂直于平面ABCD把晶体切割成两半 再用加拿大树胶把它们粘合在一起 起偏原理 当入射光方向是HK时 o光 e光各自以不同的入射角射向棱镜与加拿大树胶的界面 no 1 658 ne 1 52 ng 1 55 o光的入射角为77o超过了全反射临界角69o 于是o光在界面上发生全反射而被黑漆所吸收 而e光不发生全反射 而部分出射 10 2019 12 20 尼科耳棱镜的孔径角 当入射光向下倾斜 如图中GK方向 异常光在AD界面入射角增大 当 GKH 14o时 e光发生全反射 同样 当入射光向上倾斜 如图中IK方向 寻常光在AD界面入射角减小 当 IKH 14o时 光不发生全反射 所以尼科耳棱镜的极限孔径角大约为28o 优点 偏振度高 缺点 光能利用率低 光谱范围窄 通光面积小 11 2019 12 20 格兰 Glan 棱镜格兰棱镜由两块方解石直角三棱柱组成 两个棱柱可以用甘油等材料胶合 格兰 甘油棱镜 也可以由空气隙隔离 格兰 空气棱镜 12 2019 12 20 格兰棱镜起偏原理 用ng表示两棱柱间介质的折射率 当棱角 介于o光 e光全反射角之间时 格兰 甘油棱镜 co 62 7o ce 82 6o 格兰 空气棱镜 co 37 1o ce 42 3o 即 o光将在分界面处发生全反射 而e光将部分透过界面 格兰棱镜的优点 偏振度高 制作简单 稳定性好 格兰 空气棱镜不使用胶合剂避免了强光照射时胶合剂变质问题 缺点 光能利用率低 光谱范围窄 13 2019 12 20 渥拉斯顿 Wollaston 棱镜渥拉斯顿棱镜由两块光轴互相正交的直角三棱柱晶体光胶而成 其工作原理是利用光轴取向不同 使光波经过界面后 振动方向发生改变 从而使不同振动方向的光波在空间分离 14 2019 12 20 渥拉斯顿棱镜的偏振分束角对于 o e 光束 偏振角为 对于 e o 光束 偏振角为 射出晶体后 两束光的偏振分束角为 为避免光波在界面发生全反射 必须满足 15 2019 12 20 罗雄 Rochon 棱镜罗雄棱镜左半部分晶体光轴方向与入射光束平行 不发生双折射 光束射入右半部分后 振动方向平行于图平面的成分仍然为o光 不发生偏折 垂直成分经历 o e 变化 发生偏折 从而实现偏折分束 16 2019 12 20 罗雄棱镜的偏振分束角为避免光波在界面发生全反射 必须满足渥拉斯顿 罗雄棱镜优点 能实现偏振分束 偏振度高 o o 光经过罗雄棱镜无折射色散 缺点 光谱范围窄 17 2019 12 20 人造偏振片通过对各向同性材料进行人工干预 制作微结构 薄膜拉伸等 使其转变为各向异性的 人造晶体 人造晶体的双折射率远大于天然晶体 可作为高质量的偏振器件 偏振片 偏振分束器 波片等 用于光波的偏振控制 优点 光谱范围宽 偏振度高 光能利用率高 体积小 性能稳定 缺点 造价昂贵 18 2019 12 20 深亚波长金属光栅偏振片起偏原理微观解释 偏振方向平行于栅条的TE偏振光入射到金属表面时 将引起电子沿栅条方向自由振荡 TE偏振光被金属栅条反射或吸收 对于偏振方向垂直于栅条的TM偏振光 由于栅条线宽远小于入射光波波长 该方向上的电子振荡受到限制 TM偏振光将直接透过 19 2019 12 20 宏观解释 等效介质理论 金属光栅对TE TM光分别等效于金属层 介质层 20 2019 12 20 偏振特性 宽光谱 高消光比 高透过率 入射角度不敏感 光谱特性曲线 角度特性曲线 TM光透过率曲线 21 2019 12 20 金属光栅偏振片制作 金属铝栅制作工艺 实物图 电镜扫描图 22 2019 12 20 应用 红外偏振成像 红外图像 红外偏振图像 23 2019 12 20 深紫外波段亚波长金属光栅反转偏振片反转偏振片 透射TE光 反射或吸收TM光反转偏振物理机制解释 TM光激发的表面等离子体波 阻碍了入射光向TM导模的耦合 从而形成反转偏振透射 24 2019 12 20 193nm反转偏振片偏振透射测试电镜扫描图偏振透射谱 25 2019 12 20 介质偏振分束光栅通过在普通介质材料上制作亚波长光栅 使光栅具有较大的双折射 n grating 0 318 n quartz 0 013 通过优化设计光栅参数实现偏振分束功能 介质光栅偏振分束的物理机制 导模共振效应 26 2019 12 20 193nm偏振分束光栅 严格矢量计算 27 2019 12 20 4 线偏振光检验 马吕斯 Malus 定律线偏振光射向线偏器时 透射光强度与入射光振动方向和元件主方向之间的夹角有关 马吕斯定律 给出了具体的规律 28 2019 12 20 线偏振光的检验线偏振光的检验有两重含义 确定被检光是否是线偏振光和测定线偏振光的振动方向 判定是否为线偏光 根据马吕斯定律 如果被检光是线偏光 则令它通过一个主方向已知的线偏器后 应该观察到透射光强随元件主方向旋转而变化的现象 并且 当元件主方向位在某个方位时 透射光强度为零 反之 则不能观察到零透射光强 29 2019 12 20 测定线偏光振动方向 单线偏器检验检验方法是 在旋转线偏器的同时 观察待检光透射后的光强 当主方向位在某个方位时出现零强度 则判定被检光是线偏光 并且其振动方向与此主方向垂直 缺点 在零光强附近 透射光强对