（光学专业论文）温度对双折射晶体及偏光器件的影响研究.pdf

摘要 第l 页 摘要 随着激光和光通信技术的发展，偏光技术得到了快速发展。偏光技术 的发展关键是偏光器件。+ 偏光器件在应用的过程中，通常要受到外场的影 响，其中温度场是任何偏光器件都无法逃避的，由于温度的变化，晶体的折 射率和面形等均要发生变化，致使器件的分束角、偏离角、剪切差、透射比 及消光比等发生改变，从而影响器件的光学性能。 本论文主要以冰洲石晶体和石英晶体为例，研究两种晶体的温度特性及 其w o i l a s t o n 棱镜分柬角的温度效应，为棱镜在不同温度下的使用提供理论 与实验依据。全文概括起来包括以下几方面内容： 第一章绪论部分主要介绍了偏光器件的发展概况和器件的温度效应。 并对本论文的工作进行了说明。 第二章首先介绍了偏光器件的基本理论，对晶体材料作了简要介绍；引 入了菲涅耳公式；介绍了晶体的热膨胀和偏振光的获得方法；然后分别介绍 了偏光分束棱镜常用的几种形式。 在第三章中，首先介绍了冰洲石晶体的材料性质，引入色散的感念及修 正的s e l l m e i e r 方程；精确地求解出s e l l m e i e r 的各常数表达式，然后通过线 性插值的方法得到不同波长的折射率温度系数，从而求出各个温度下不同波 长所对应的折射率。将所得值与文献 1 8 】所提供的数值相比较，发现所求 s e l l m e i e r 方程很好地表达了冰洲石晶体色散关系。从而为求解晶体的折射率 提供了一种方法。 论文的第四章是本文的核心部分，也是本工作的创新点。本章对 w b l l a s t o n 棱镜的温度效应进行了详细地研究：首先建立了测量温度效应的实 验系统，并利用该系统对冰洲石w o l l a s t o n 棱镜进行了测试，发现温度对分 束角的影响因素只考虑折射率的变化时，理论计算与实验结果吻合的不好， 实验结果显示：随温度的升高，o 光( 以第一块棱镜为参考) 的分束角下降 很快，e 光的分束角基本不变。而理论上则表现为：随温度的升高，o 光的 分束角基本不变，e 光的分柬角下降较快。为了验证实验结果与理论计算的 准确性，我们设计了单块直角棱镜的温度效应实验，结果发现实验现象与理 摘要 第2 页 论计算也不相符。从单块直角棱镜分束角的计算式可以看出，分束角与折射 率和结构角均有关，为了验证折射率值的准确性与结构角随温度变化的大 小，我们首先用自准直方法测量了冰洲石晶体的主折射率与折射率温度系 数，发现在室温下的测量值与文献【1 8 】提供的数值能吻合到1 0 4 ，但升温时 就存在了较大的偏差；叉设计了o e 双输出棱镜的温度效应来验证结构角随 温度的变化，发现结构角随温度变化较明显。因此，我们得出：温度对棱镜 分束角的影响，不仅体现在折射率的变化上，而且体现在结构角的变化上。 考虑结构角的变化后，我们重新对w b l l a s t o n 棱镜的两个结构角和单块 直角棱镜的结构角在各温度点进行了测量，这样经理论计算发现，单块直角 棱镜和w b l l 嬲t o n 棱镜的分束角的理论值均与实验值符合的很好。同时发现 在方解石晶体折射率测量时，也应考虑结构角随温度的变化，这样测得在升 温时的折射率与文献【1 8 1 提供的数值也能吻合到l o 。然后对不同结构角的 w b l l 豁t o n 棱镜温度效应进行了测量，发现结构角越大。其分束角受温度的影 响就越大。对同一只棱镜，从正反两方面入射，其分束角受温度的影响反向 比正向大。 此外，我们还精确地求解出石英晶体s e l l m e i e r 的各常数表达式，然后通 过线性插值的方法得到不同波长的折射率温度系数；研究了石英w o l l a s t o n 棱镜的温度效应，发现随温度的变化，o 光的分束角基本不变，e 光的分束 角下降地较快，但相比同结构角的方解石w o l a s t o n 棱镜，其分束角受温度的 影响要小的多。 关键词；偏振光学；冰洲石晶体； s e l l m e i e r 方程；折射率； 石英晶体；分束角；温度效应； 折射率温度系数 a b s t r a c t第l 页 a b s t r a c t p o l a r i z i n gt e c i l i l o l o g yh a sg o tt h cd e v e l o p m e n ta t 剐ls p e e dw 触t h e d e v e l o p m e n to fl a s e ra n dp h o t o - c o m m u n i c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y a n dt h e d e v e l o p m e n tk e yi sp o l a r i z i n gd e v i c e sw h i c ho f t e np l a yam u t u a lr o l ew i t h o u l f i e l dd u r i n gt l l ep r o c e s so fe m p l o y i n g ，t e m p e r a t u r ef i e l dc a i l 、b ee s c 印e db y a n yp o l a r i z i n gd e v i c e s t h er e f r a c t i v ei n d i c e so ft h ec r y s t a l 趾ds h a p eo ff h c e ，e t c s h o u l db ec h a n g e db e c a u s eo ft h ec h a n g eo ft e m p e r 叭鹏a m o n g 也e m ，m a tc a u s e s p l i t t i n gb e 咖a i l g l e ，d e v i a t i l l ga n g l e ，s h e a r e dd i 脯r e n c e ，t r a 主l s m i t t a n c er a t i oa n d e x t i n c t i o nr a t i oc h a l l g c d ，t 1 1 u sm n u e n c et h co 叫c a lp e r f o 蛐a n c eo f t l l ed e v i c e s t h i st h e s i si n a i n l yt a k e sc a l c i t cc r y 咖la n dq u a r i zc r y s t a la sa ne x a m p l e ， t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c 锄dt h et e m p e r a t u r ee f f e c to fs p l i m n gb e 哪a n g l e so f w o l l 鹳t o np r i s mo ft w ok i n d so fc r y s t a lh b v eb e e ns t u d i e d t h a th a v eo 仃b r e dt h e t l l e o r ya i l de x p e r i m e mb 嬲i sf o ru s eo fp r i s ma td i f r c r e mt e m p e r a t u r e t h em l l t e x ti n c l u d e st 1 1 ef o l l o w i n gc o n t e m sb r i e f l y ： i nt h ef i r s tc h 印t c r ，w em a i n l yi n 仃o d u c em eg e n e r a ld e v e l o p m e n to f p o l a r i z i n gd e v i c e sa 1 1 dt e m p c r a t u r ee 腩c to fc r y s t a l ，锄de x p l a i nt h e 、v o r ko ft h i s t h e s i s c h 印t e rt w or e c o m m e n dt t l eb 鲴i ct l l e o r i e so fp o l a r i z i n gd e v i c e ga tf i r s t ，a i l d m a k eab r i e fi n t r o d u c t i o no fc r y s t a lm a t e r i a l s ；t h e ns n e l lf o 哪u l a ，t l l en 】n a l e x p a n s i o na 1 1 da c q u i s i t i o nm e m o d so fp o l a r i z e dl i 曲t a r ed r a w ni n t o ；a tl a s t s e v c r a lk i n d so f d a i l yp o l a r i z i n gp r i s m sa r ei n 拄o d u c e d i nc h 印t e rt h r e e ，f i r s t ly ，t 1 1 em a t e f i a l sp r o p e n i e so ft h ec a l c i t ec r y s t a la r e d e s c f i b e da r i dt h en o t i o no ft h ec h r o m a t i cd i s p e r s i o na 1 1 ds e l l m e i e re q u a t i o na r e p r e s e n t e d ；s e c o n d l y ，c o n s t a t l t se x p r e s s i o no fs e l l m e i e re q u a t i o na r ea n a l y t i c a l l y c a l c u l 砒e do u t ，t h e nt h ee x p r e s s i o no ft t l et h c h n o o p t i c a lc o e 壤c i e n t sa td i f f e r e n t 、v a v e l e n g t i la r eg o tb yc u r v e n t t i n gm e a i l s ，b yw h i c hw eo b 诅i nt h er e f h c t i v e i n d i c e sc o r r e s p o n d i n gi nd i f f b r e n tw a v e l e n g t hu n d e re a c ht e m p e r a t u r e c o m p 砌n gi t sv a l u ew i t l lt l l e 州u co 虢r e db yt h el i t e r a t u r e 【18 】，w ef i n d a b s t r a c t 第2 页 s e l l m e i e re q u a t i o nh a sw e l ie x p r e s s e dm er e i “o no fc h r o m a t i cd i s p e r s i o no f c a l c i t ec r y s t a l _ t h u sam e t h o df o ra s k i n gt h er e 行a c t i v ei n d i c e so fc r y s t a li s o f r e r e d ， c h 印t c rf o u ri sak e yp a na n da l s oi s l ei n n o v a t i o ni n t h i st l i e s i s t 1 c t e m p e r a t u r ee 腩c to fw 0 1 l a s t o ni sc a r r i e do nt h er e s e a r c h 洫d e t a i l ：觚n y m e e x p e r i m e n ts y s t c mo fm e a s l l r m gt 1 1 et e m p e r a t u r ee f r e c ti sc s t a b l i s h e da n dt l l e c a l c i t cw o l l a s t o np r i s mi st e s tb yi t 。w ef i n dm e o r yc a l c u l 砒i o na n de x p e r i m e n l a l r e s u l ta r en o ti d e n t i c a lo m yc o n s i d c r i n gt l l ec h a i l g eo ft i l er e f h c t i v ei n d i c e s ，t l e e x p e r 洫l c n “f e 8 u l tr e v e a l s ：w i t l lt h et e m p e r a t u r er i s i n 舀t h es p l i t t i n gb e 啪a f l g l e o fol i g h t ( 豫g a r d i n gf l r s tp r i s ma sr e f c r e n c e ) d r o p sq u i c k l y ，w h i l et l l a to fel i g h t d o e sn o tb a s i c a l l yc h a n g e i nt h c o t h es i t u a t i o no fol i g h ta t l de 1 i g h ti s e x c h a t l g e d f o r p r o v i n gm ea c c u r a c y o f e x p e r i m c n t a l r e s u l ta l l dt h c o r y c a l c u l a t i o n ，w ed e s i g nt l l et e m p e r a t l i r ee m c te x p e r i m e n to fm er i g l l ta i l g i e 州s m ， a t l dn n di ti ss i m i l a rt ow b l l a s t o np r i s m t h a ts p l i t t i 驵gb e a ma n g l ei saf u n c t i o no f r e 疗a c t i v ei 1 1 d i c e s 觚ds 仃u c c u m l 觚百ei sf o u n d e do u t 如mt h ef o n l l u i ao f s p j i c t i n g b e 锄a f l g l eo fn l er i g l l ta i l g l ep r i s m ，s ow ed e s i g nt 1 1 ef o l l o w i n ge x p e f i m e n t st 0 p r o v et h ea c c u r a c yo fr e f a c t i v ei n d i c e sa i l dt t l ed e g r e e0 fi n n u e n c e0 ns 仃u c 嘶l a n g l eb yt e m p e r a t u r e a tf i r s t ，w em e 船u r ct h em a i nr e f h c t i v ei n d i c e s 吼d m e 胁a l o p t i c 8 lc o e 师c i e n t so fc a l c i t ec r y s t a lb ya u t o c o l l i m a t i o nm e t l l o d ，a n d f i n dt h em e a s u r e m e n tv a l u ei si d e n t i c a lw i t ht h ev a l u eo f f c r e do ft l i e “t e r a t u r e 18 】t o1o - 4a tt i l er o o m ，b u tt i l e r ei sag f e a t e rd e v i a t i o n 、h i l et e m p e m t u r e i n t e n s i f y i n g ；t l l e nw ed e s i g nm et e m p e r a t u r ee n e c to fo ed o u b l eo u t p u tp r i s m e x p e r i m e n tt op r o v et h es t r u c t 删a n g l ev a r y i n gw i t ht e m p e r a t u r e 锄df i n dt t l e s t r u c t l l r a la n g l ev 砌e sw i t ht e m p e m t u r eg r e a t l ys o ，w eo b t a i n ：t h ei n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r eo n t 壬l es p l i t t i n gb e a ma n g l eo fp r i s mr e l a t et on o to n l yt l l ec h a i l g eo f m er e f a c t i v ei n d i c e s ，b u ta l s ot i l ec h a n g eo f t t l es 仃1 t u m la n g l e w em e a s u r es t n l c t u r a la n e so fw b l l t o np r i s ma n dr i g h ta n g l ep r i s mi n e v e r yt e m p e m t u r ep o i n ta g a i na f t e rc o n s i d e r i n gm ec h a n g eo fs t m c t u r a la n g l eb y t h ec h a i l g eo ft c m p e r a t u r e ，t l l r o u g ht h e o r yc a l c u l a t i n g ，w ef i n dt l l et h e o r yv a l u e s a b s t r a c t 第3 页 o f t h es p l i t t i n gb e a ma n g l eo fb o t ir i g h ta n g l ep r i s ma l l dw b l l a s t o np r i s ma c c o r d w i me x p e r i m e n t a lv a l u e sw e l lmt h i sw a y w ba l s of i n dt 1 1 a tt h es 仃u c “r a la n g l e v a r i e dw i mt e m d e r a t u r es h o u l db ec o n s i d e r e dw h e nt l cr e 疳a c t i v ei n d i c e so f c b l c i t ec r y s t a li sm e 硼u r e d ，t l l u st h cm e 嬲u r e m e n tv a l u ei si d e n t i c a lw i t ht h c v a l u eo f f e r e db y1 i t e r a t u r e 【18 】t o10 - 4w h e nt e m p e r a t u r cr i s e t h e nt l l e w 0 1 l 够t o np r i s mt e m p e r a t u r ee f r e c t so fd i f r e f e n ts t r u c t u r a la n g l e sa r em e 船u r e d ， a i l df o u n dt h eb i g g e r 血es t r u c t u r a la l l g l ei s ，t h eg r c a t e ri t ss p l i n i n gb e 锄a f l g l e s 缸ei n f l u e n c e db yt e m p e r a t u r e t ot h es a m ep i e so fp r i s m ，也es p l i t t i n gb e a r n a 1 1 9 l ef o mt h ep o s i t i v ei n c i d 吼c ei s - i n n u e n c e dg r e a t e r 恤a l lm a t 矗o mn e g a t i v e i n c i d e n c eb yt e m p e r a t u r e i na d d i t i o n ，c o n s t a n t se x p r e s s i o no fs e l l m e i e re q u a t i o no fq u 丑n zc r y s t a la r e a n a l 蛳c a l l yc a l c u l a t e do u t ，t h e nt l l ee x p r c s s i o no ft t l em e 加o - o p t i c a lc o e f f i c i e n t s 砒d i 腩r e n tw a v e i e n g t ha r eg o fb yc u r v e - f i t t i n gm e a n s ；t h et e m p e r a t u r ee 位c to f q u a r t zw o l i a s t o np r i 8 mi ss t u d i e d ，a 1 1 df o u n dt h a tt h es p l i t t i n gb e 唧a l l g l eo fo l i 曲td o e sn o tb a s i c a l l yc h a l l g ew h 肋t e m p e r a t u r ei sv a r i e d ，w h i l e1 1 1 a io fel i g l l t d r o pv e r ) ，f a s t ，b u tc o m p n g 、v i mc a l c i t ew o l l a s t o np r i s mo fs a n l es 劬c t u r a l a n g l e ，m ei n n u e n c eb yt e l 唧咖ei sg r e a t l ys m a l l e r k e y w o r d ：p o l a r i z e do p t i c s ；c a l c i t ec r y s t a l ；q u a r t zc r y s t a l ；s p l i t t i n g b e 锄 a n g l e ；t e m p e r a t u r ee 腩c t ； s e l l m e i e r e q u a t i o n ； r e 仔a c t i v e i n d i c e s ；t h e 瑚o - o p t i c a lc o e 髓c i e n t 第一章绪论 1 1 选题依据 自2 0 世纪6 0 年代激光问世以来，激光就以其特有的性能在科学技术 各领域而得到了广泛的应用m ”。与此同时，偏光技术和偏光器件也得到了飞速 发展。偏光技术应用之广已渗透到与光学技术有关的备学科领域，如物理、 化学、生物、天体、大气、遗传工程、军事科学等领域。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。偏光技术的发展关键 是偏光器件，因此，在短短的数年中，国际上通用的偏光器件就由几种发展 到几十种，且有不少专用偏光器件问世。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。我国在这一技术领域中的发展 也相当迅速，新型偏光器件的设计研制曾被列入国家科技攻关项目。 偏光器件种类繁多，形式各异，按实现起偏的方法不同可以分为：反射 式偏光器件【5 西】，如各种材料的布儒斯特角起偏镜、薄膜干涉起偏器件；二向 色型偏光器件f 7 】，如各种人造偏振片、线栅偏光镜、棱镜二向色偏光镜等； 晶体双折射型偏光器件，如各种双折射晶体材料的偏光镜和偏光分柬镜等。 按功能不同可以分为：偏光棱镜【s ) ( 偏光和偏光分束两类) 、延迟器件1 9 。”、 退偏器件1 6 1 及旋光器件等。其中应用最广的是偏光棱镜【押2 3 j 。 偏光棱镜的设计有多种类型，常见的有：g l a n 型棱镜和n i c o l 型棱镜。 尽管n i c o l 型设计是人们最早使用的一种，但由于其结构本身的诸多缺点， 最主要的是透射光束有一较大的偏移，转动棱镜，光束在很大范围内转动， 使用极不方便，因此已逐渐被g l a i l 型设计所取代。g l a l l 型棱镜的特点是晶 体的光轴在入射面内，这种设计具有以下优点：由于光轴与棱镜的透射轴正 交，利用了晶体的最大双折射性，从而使棱镜有较宽的视场角( 如 g l a n t 0 m p s o n 棱镜) 和较小的长度孔径比( 如g l a n t a y l o r 棱镜) ；视场内的 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 i l 型棱镜一般采用二元或三元复合结构。按晶体光轴和是否采用胶合 剂，g l a i l 型设计又分两种类型：光轴与切面平行的胶合型结构，称 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第2 页 g l a l l t 0 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 0 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 型结构设计，称g l a l l t a y l o r 棱镜。 虽然各种棱镜的结构不同，但其分析方法和设计思路是相同的，即在所 需的波长范围内，尽可能有好的消光比和高的透射比，增大视场角并尽量节 省材料。由于g l a l l t a y l o r 棱镜的透射比明显高于g l a l l f o u c a l l l t 棱镜，所以 在激光技术中选用的最多。 偏光棱镜在应用的过程中，通常要受到外场的影响。外场。2 5 】( 包括低 频电场或静电场、应力或应变场、温度场或除光照以外另外施以辐照等) 对 晶体的光学性质都有重要的影响，从而出现所谓电光、弹光( 或压光) 、磁 光、热光、光折变等效应。外场对晶体光学性质的影响，主要反映在晶体的 折射率变化上。这种变化虽然很小，却足以改变光在晶体中的许多特性。我 们可以通过控制外场来控制光的传播方向、位相、强度、偏振态等，从而使 输出光成为有用的信号。因此，晶体在外场作用下的光学性质研究在现代光 学技术和信息技术中有着广泛的应用。 其中温度场是任何偏光器件都无法逃避的，这正如地球的引力场一样。 由于温度的变化，晶体的折射率和面形均要发生变化。晶体的折射率随温度 改变而改变的现象叫做热致光学效应，简称为热光效应。由于温度是标量， 根据居里原理，在温度场的作用下晶体的原有对称性不会改变，即温度的变 化不致影响晶体的对称性( 相变除外) 。因此，温度只能改变晶体折射率椭 球的大小，而不能改变它的形状和方位。在晶体相变温度附近，温度的微小 变化有可能使折射率或双折射率发生很大的变化，甚至发生突变，这可以看 成热光效应的特殊情形。 对大多数光学元件来讲，热光效应是有害的。由于折射率和晶体面形的 变化，将使器件的分束角、偏离角、剪切差、透射比及消光比等发生改变。 这种变化虽然微弱，但在一些应用中却足以造成很大的影响。如光学电流( 电 压) 传感器，需要进行光纤耦合，若w o l l 髂t o n 棱镜的分束角有小的偏移， 就严重影响输出光与光纤的耦合。构成这些偏光器件的双折射晶体( 材料) 不但光学性质是各向异性的，而且热学性质也是各向异性的，显然温度对这 类器件的影响更是复杂，也是不容忽视的。 因此，本课题拟进行对偏光分束棱镜的分束角，偏光镜的透射光束偏离 角等随温度变化的影响进行研究，并对晶体的热膨胀对面形变化的影响进行 研究。 1 2 目的及所做工作 本课题的主要目的是寻求偏光分柬镜的分束角、偏光镜的透射光束偏离 角等随温度变化的规律；寻求热膨胀对晶体面形变化的影响规律。 鉴于以上目的，本论文主要做了以下工作： 1 ) 应用不同波长折射率和折射率温度系数，利用s e l l m i e r 方程表达式求 出不同温度不同波长冰洲石晶体折射率。 2 ) 应用温控系统对w b l l a g t o n 棱镜的分束角随温度变化进行了测试，得 到了不向温度下分柬角的测量值。仅考虑温度对折射率的变化，从理 论上计算了w b l l 踮t o n 棱镜的分束角随温度变化的规律，并与实验值 进行了比较，发现理论值与实验测试规律符合得不是很好。 为了解释上述实验规律，又做了以下的工作： 3 ) 测量了单块直角棱镜的温度效应，并与理论值进行了比较。 4 ) 用自准直法测量了冰洲石晶体在不同波长、不同温度下的主折射率， 并计算出了折射率温度系数。 5 ) 测量了0 e 双输出棱镜输出光随温度变化的规律，系统地分析了温度 变化对偏光棱镜各方面的影响，找到了理论与实验不符的原因。 6 ) 考虑温度对晶体折射率及面形的影响以后，系统地分析了w j l l a s t o n 棱镜分束角的温度效应。 1 3 意义 查阅国内外相关资料可知，当前有关晶体材料温度特性方砸的研究，大 多是集中在测量晶体折射率温度系数及其相位匹配方面【搏2 9 1 ，所用的方法主 要有干涉法、自准直法、最小偏向角法、修正最小偏向角法、分光光度计法 等方法，用s e l l m i e r 方程表达晶体的折射率随波长的变化。但晶体偏光棱镜 温度特性方面的文章却少有报道。只有我所所做的波片延迟量的温度效应、 g l a n t a y l o r 棱镜透射比波动的温度效应以及石英晶体旋光性的温度效应，除 些呈墅蔓盔堂婴圭塑! l 生望些鲨塞蔓! 翼 此之外，还未见有针对晶体w o l l 船t o n 棱镜的分束角的温度效应方面的研究。 我所生产的偏光器件在国内研究领域占9 0 以上，目前已有多家单位向 我们提出了提供偏光器件出射光线随温度变化规律的要求，这就使得对双折 射晶体和偏光器件的温度效应的研究成为紧要的任务。因此，+ 研究此课题是 一项非常有意义且十分必要的工作。 些呈叠整盔堂亟型! 叁生望些造塞蔓! 墼 第二章偏光器件基本理论 晶体偏光器件是调整和改变光的各种偏振态势的光学器件，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与产业化 的基础无源器件。本章首先介绍制成偏光器件所需晶体材料，再引入一些基 本概念，介绍几种偏振光的获得方法，最后介绍常用的几种偏光器件的特点。 2 1 晶体材料 研究偏光器件，首要的物质条件就是要有优质的单晶材料。近几十年来， 由于激光、红外、非线性光学和电子计算机等科学技术的飞速发展，对单晶 材料的质量和品质均提出了越来越严格的要求。若将单晶材料按其功能来划 分，则可分为以下几种闭j ：半导体晶体材料，磁性单晶薄膜，光学晶体，x 射线分光晶体。激光晶体，电光晶体，声光晶体，非线性光学晶体，磁光晶 体。压电晶体，热释电晶体，铁电晶体，闪烁晶体，硬质晶体，绝缘晶体， 色心晶体液晶。敏感晶体和多功能晶体等。其中制造偏光器件的晶体称为 光学晶体常用的有冰洲石和石英晶体。 冰洲石晶体在相当宽的波段范围内( 0 3 5 胛) 具有很高的透光性能，是 透明的，并具有双折射率大、光学眭能稳定且易加工等特点是制作棱镜武 偏光器件的理想材料。 2 2 基本概念 2 2 1 光的偏振 一般光源含有大量发光原子或分子，由于发光物质微观运动的复杂性及 诸独立振子在辐射时的不连续性，其辐射光波的电矢量振动方向和初位相都 处于随机状态，因而光波振动的振幅在垂直光传播方向的平面内各方向随时 间变化的平均值是相等的，这就是自然光。 电矢量振动的振幅在垂直光传播方向的平面内不相等的光成为部分偏 振光。若电矢量的振动方向始终保持在包括光传播方向在内的同一平面内， 称线偏振光或平面偏振光。 任意一束光的偏振化程度可用偏振度来表示： 任意一束光的偏振化程度可用偏振度来表示： 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第6 页 尸；生! 二盘( 2 2 1 ) ，。十“。 式中：，、。m 是光强的最大值和最小值。对于自然光，p = 0 ；对于平面偏 振光：p = 1 ，此时偏振程度最高；对于部分偏振光：0 p ，时，s i n 岛 1 ，此时曰2 为虚数。 上述第二种情况即为全反射。根据以上分析可知发生全反射的条件为： ( 1 ) 光由光密介质向光疏介质传播： ( 2 ) 入射角b 大于临界角见，其中以= a r c s i n ( ) 。 当一束光在两种光学介质界面上不满足全反射条件时，就会有一部分光 透过界面进入第二种介质，另一种光经界面反射返回第一种介质。当入射角 不为零时，由菲涅耳公式可以得到对应于电矢量振动方向平行和垂直入射面 的光强p 和s 的反射比r 。和r 1 分别为： 耻= 普篇 呱z 叫 弘寸= 蓦鬻 2 2 3 晶体的热膨胀 ( 2 2 5 ) 晶体由于温度变化而产生的形变，称为晶体的热膨胀“。其形变量可 用应变张量 s 。 来表示。若整个晶体同等地发生微小的变化7 t ，则 s 的所有分量均与r 成正比。即： s p = 口f r ( 2 2 6 ) 式中：口。为常数，称为热膨胀系数。 由于 岛】是对称张量，所以也是对称张量。因此，热膨胀张量可以 主轴化，此时( 2 2 6 ) 式简化为： s 1 = 口1 z 1 ，s 2 篇口2 r ，s 3 # 口3 a z l ( 2 。2 7 ) 式中；a ，口：，鸭为主膨胀系数。如果在晶体中做一个单位球，在温度变化时， 这个球就变成椭球( 热膨胀椭球) 。 热膨胀示性面方程为： 口f x ，x 1 1 ( 2 2 8 ) 经主轴化后变为： a l x ? + 口2 x ；+ 口3 x ；= 1 ( 2 z 一9 ) 根据诺埃曼原则，热膨胀示性面的形状和取向，受到晶体对称性的限制 ( 对不同晶系，其形式不同) 。由于晶体的热膨胀必须具有该晶体的对称性， 所以热膨胀不能破坏晶体的任何对称要素。这就是为什么在不发生相变的前 提下，晶体所属的晶类与温度变化无关的原因。 2 3 偏振光的获得方法 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，需要借助专门的器件与方法，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： 1 ) 由反射与折射产生偏振光； 2 ) 由透光材料的二向色性产生偏振光： 3 ) 由双折射产生偏振光。 无论采用何种方式，起偏过程都是分离两相互垂直振动电矢量的结果。 2 3 1 由反射与折射产生偏振光 根据f r e s n e l 公式，自然光在透明介质表面反射和折射时，能把入射光 的电矢量分为相互垂直的两部分，即e p 和e s ( 见图2 2 - 2 ) 。由于反射系数不 同，反射光和折射光均成为部分偏振光。但当以b r e w 8 协角入射时，反射光 中只有e s 成分的平面偏振光。采用这一原理制作的偏光器件称b r w s t e f 角偏 光镜。 b n ，s t e r 角偏光镜的主要特点是适用波段宽，制作简单；主要优点是可 以用于常规偏光镜不能工作的真空紫外( 2 0 0 n m 以下) 及中远红外波段 ( 1 0 胛以上) ；缺点是全偏张角很小，导致消光比差，反射比低( 一般不足 1 5 ) 。 2 n 3 2 由透光材料的二向色性产生偏振光 能选择吸收通过它的某一振动方向光波的物质为光学二向色性物质( 或 称为双色性物质) 。激光问世以前，二向色偏光镜应用的非常广泛。除最早 人们认识的电气石外，均为人造偏振片。这类偏振器件的特点是，可制作成 大面积，无光束偏折和横移，视场角大，价格低廉等。其缺点是，抗光损伤 阈值低，一般不能用于激光。 在利用二向色性质的偏光器件中，能用于激光的只有晶体二向色偏光镜 和线栅偏光镜。晶体二向色偏光镜除具有人造偏振片的全部优点外，还具有 抗光损伤阈值较高，结构坚固，可用于紫外和红外等优点。 2 3 3 由双折射产生偏振光 当一束光正入射到各向异性晶体时，折射光被分解成两束，其中束不 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第9 页 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，不遵守s n e l l 定律，称非寻常光( 简称e 光) ，这就是晶体的双 折射现象。棱镜法就是利用晶体的双折射特性，把。光、e 光分开，并利用 棱镜的结构形式的改变对两束光加以选择或调整输出利用。除了立方晶系的 晶体外。其它晶系的晶体都具有双折射性质，通常用于可见、近紫外和近红 外光谱区域的起偏光棱镜都是用冰洲石制成的。 2 4 偏光分柬棱镜 有许多光学系统需要能够同时起偏和分束的器件，即偏光分束棱镜。早 期的晶体偏光分束镜一般分为三类：r o n c h o n 棱镜、s e n a r m o m 棱镜和 w o l l a s t o n 棱镜。此外，任意起偏镜都能用做起偏分柬器，只要将其一侧的形 状改变并除去其侧面的吸收膜。福斯特棱镜和分束g l a n - 1 m p s o n 棱镜是这 种棱镜的两个例子。下面介绍几种常见的冰洲石偏光分束镜的设计。 2 4 1r o c h o n 棱钌e 如图2 4 1 所示，在前半块直角棱镜中，由于光沿着晶体光轴传播，没 有o 、e 光之分，进入后半块直角棱镜后，分为o 、e 光，o 光仍沿原来方向 传播，而e 光则在切割面上发生折射，偏向角占由棱镜切割角s 和双折射率 的关系式 t a i l s ：华+ 三s i n j ( 2 4 一1 ) h 。s i n j 2 决定。两部分可以用光学胶胶合，也可以光胶。由于e 光折射率存在色散现 象，因而分束角随波长有微小变化。该棱镜不能反向使用，反向时。光因发 生锥光干涉而退偏。 一氐 图2 4 ir d c h o n 棱镜主截面 国2 4 - 2s e n a r m o n t 棱镜主截匿 若使前后两块棱镜的光轴共面，可采用如图2 4 2 所示的设计，这种设 计称s e n a r m o n t 棱镜。上述两种偏光分柬镜的特点是。光不发生偏折；另外 棱镜的一个通光面为光轴面，冰洲石光轴面加工和抛光非常困难，很容易引 起“掉肉”，所以难以达到理想光洁度。 2 4 2w b l l a s t o n 棱镜 如图2 4 3 所示为w o l l a s t o n 棱镜。“，这是应用最广的偏光分束镜， 两出射的平面偏振光相对入射光向两侧偏折，其分束角为 广伊。= s i n _ 1 ”。s i n 【s 2 一s j n 一( ：s i n s l ) 】) j l 吼= s i n 一1 帆s i n 【s i n 一( 生s j n 一) 一是】) ( 2 4 - 2 ) e 光 敞 一n o 光 图2 4 3 渥拉斯顿棱镜主截面 图2 4 4 双渥拉斯顿棱镜主截面 光 光 这种棱镜的分束角是r 0 c h o n 棱镜的两倍，但分束角过大会产生严重的像畸 变和横向色散。这种棱镜即可用冰洲石晶体制作，也可用石英晶体制作( 小 分束角) 。 为了获得更大的分束角，人们采用了三元结构的w o l l a s t o i l 棱镜，即双 w o l l a s t o n 棱镜，如图2 4 4 所示， 2 4 3 可调分束角棱镜 这种棱镜分束角可达近3 0 。 。 上述几种棱镜，其分束角与棱镜 的结构角是一一对应的，即每只怜 棱镜对应的分束角都是不可变的。 为了方便光路的调整，我们 设计出了可调分束角棱镜盯j 。这种 图2 4 _ 5 可调分束角棱镜主截面 棱镜仍采用w b l l 解t o n 棱镜的结构，