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偏振器原理及应用
作者: 管理员点击数： 212 次更新时间： 2020-07-24

偏振器原理及应用.ppt

特别感谢福州市光电行业协会 常务副会长黄木旺提供素材

偏 振 器 原 理 及 应 用
偏 振 器 原 理 和 应 用 1. 概 述 在 应 用 中 ， 广 泛 应 用 的 是 双 折 射 型 的 偏 振 器 。 因 此 我 们 重 点 讨 论 双 折 射 型 的 偏 振 器 。 必 须 说 明 一 下 ： 我 们 这 里 讨 论 的 偏 振 器 并 不 能 制 造 偏 振 光 ， 而 只 是 具 有 对 入 射 光 进 行 分 解 与 选 择 的 两 个 功 能 。 有 些 激 光 器 可 以 产 生 偏 振 度 很 高 的 线 偏 振 光 。 光 波 是 横 波 ， 具 有 偏 振 特 性 。 同 一 方 向 传 播 的 光 ， 其 偏 振 态 可 以 不 同 。 在 光 学 和 光 电 子 技 术 中 经 常 需 要 和 测 量 光 的 特 性 ， 改 变 偏 振 态 ， 以 及 利 用 其 偏 振 特 性 进 行 一 些 物 理 量 的 测 量 等 。 为 此 需 要 产 生 和 检 验 光 束 偏 振 态 的 器 件 ( 偏 振 器 ) 以 及 改 变 偏 振 态 的 器 件 ( 波 片 和 补 偿 器 等 ) 。 获 得 偏 振 光 的 一 般 方 法 是 ： 利 用 光 的 反 射 、 折 射 、 吸 收 、 散 射 等 过 程 的 “ 不 对 称 性 ” ， 把 入 射 的 自 然 光 分 解 为 相 互 垂 直 的 两 线 偏 振 光 ， 然 后 选 出 其 中 之 一 即 为 所 需 的 线 偏 振 光 。 因 此 可 根 据 获 得 偏 振 光 的 原 理 把 偏 振 器 分 为 ： 反 射 型 、 双 折 射 型 、 吸 收 型 和 散 射 型 等 几 种 类 型 。
2. 双 折 射 型 偏 振 器 双 折 射 性 偏 振 器 是 利 用 晶 体 的 双 折 射 特 性 来 产 生 线 偏 振 光 。 2.1 工 作 原 理 ( 具 体 原 理 在 各 类 棱 镜 中 讨 论 ) 光 通 过 单 轴 晶 体 时 ， 有 下 列 特 点 ： 在 晶 体 内 一 束 光 分 成 两 束 ， 通 常 两 束 光 的 传 播 速 度 不 等 ， 传 播 方 向 不 同 ， 两 束 光 均 为 100 ％ 的 线 偏 振 光 ， 其 光 振 动 方 向 互 相 垂 直 。 因 此 只 要 把 晶 体 内 的 这 二 个 正 交 模 式 空 间 分 开 ， 就 可 以 利 用 它 制 成 偏 振 器 ， 分 开 的 办 法 有 两 种 ： 1) 利 用 全 反 射 角 随 折 射 率 而 变 的 原 理 ， 把 二 光 束 分 开 。 大 部 分 双 折 射 型 偏 振 器 都 用 这 种 办 法 。 如 格 兰 － 汤 普 森 (Glan- Thompson) 棱 镜 。 2) 利 用 晶 体 中 折 射 角 与 关 振 动 方 向 有 关 的 原 理 ， 把 二 光 分 开 。 偏 振 分 束 器 都 是 利 用 这 种 办 法 制 成 。 如 沃 拉 斯 顿 (Wallaston) 棱 镜 。
2.2 特 性 偏 振 棱 镜 的 特 性 主 要 由 下 列 主 要 参 量 表 示 1. 通 光 面 积 偏 振 棱 镜 所 用 的 材 料 一 般 为 稀 缺 贵 重 材 料 ， 因 此 偏 振 棱 镜 一 般 的 通 光 面 积 都 不 大 ， 其 直 径 约 为 Dia5~20mm 。 2. 孔 径 角 利 用 全 反 射 原 理 制 成 的 偏 振 棱 镜 ， 对 于 入 射 光 束 角 锥 角 有 个 限 制 ， 这 个 角 锥 角 的 范 围 就 是 孔 径 角 ， 其 原 因 如 下 ： 当 入 射 光 束 不 是 平 行 光 而 是 某 种 程 度 的 发 散 光 或 会 聚 光 ， 或 者 平 行 光 不 是 垂 直 入 射 而 是 有 一 偏 角 时 ， 设 上 、 下 入 射 角 分 别 为 A1,A2 ， 如 下 图 所 示 。 当 下 偏 角 A2 大 于 某 值 时 ， 其 中 O 光 ( 这 里 假 定 O 光 折 射 率 大 ) 在 胶 合 面 上 的 入 射 角 将 会 小 于 临 界 角 ， 致 使 不 能 发 生 全 反 射 ， 而 部 分 地 透 过 棱 镜 。 当 上 偏 角 A1 大 于 某 值 时 ， 由 于 E 光 ( 同 样 ， 这 里 假 定 E 光 的 折 射 率 小 ) 折 射 率 增 大 ， E 光 也 可 能 在 胶 合 面 上 全 反 射 。
对 于 入 射 光 束 锥 角 的 限 制 范 围 Amin(Amin 是 A1 和 A2 中 较 小 的 一 个 ) 称 为 偏 振 棱 镜 的 有 效 孔 径 角 。 对 于 给 定 晶 体 ， 材 料 已 知 ， 则 孔 径 角 与 波 段 、 棱 镜 切 角 、 以 及 胶 合 剂 的 折 射 率 有 关 。 3. 消 光 比 消 光 比 指 通 过 偏 振 棱 镜 后 两 正 交 偏 振 光 的 强 度 比 ， 一 般 偏 振 棱 镜 的 消 光 比 为 10E-4~10E-5 。
4. 抗 损 伤 能 力 由 于 强 激 光 会 损 伤 两 棱 镜 之 间 的 胶 合 面 ， 因 此 偏 振 棱 镜 对 入 射 光 的 能 量 密 度 有 限 制 。 为 提 高 偏 振 棱 镜 的 抗 损 伤 能 力 ， 一 般 把 棱 镜 间 的 中 间 层 改 为 空 气 隙 。 2.3 各 种 常 见 的 棱 镜 制 作 偏 振 棱 镜 常 用 的 晶 体 材 料 有 ： A-BBO ， Calcite ， YVO4 ， Quartz ， MgF2 等 。
· · · · · · · · · · · · 光 轴 光 轴 方 解 石 方 解 石 加 拿 大 树 胶 ( n = 1.55) o e 吸 收 涂 层 i 1. 格 兰 － 汤 普 森 棱 镜 目 前 使 用 的 偏 振 器 多 数 为 格 兰 型 ， 因 为 格 兰 型 棱 镜 有 下 面 几 个 优 点 ： ① 光 轴 和 棱 镜 轴 垂 直 ， 这 时 O 光 和 E 光 折 射 率 差 值 最 大 ， 因 而 可 以 获 得 较 大 的 视 场 角 ； ② 在 整 个 视 场 范 围 内 ， 近 于 均 匀 偏 振 ； ③ 光 通 过 棱 镜 后 无 侧 移 ； ④ 像 散 差 较 小 。
格 兰 － 汤 普 森 棱 镜 有 两 种 ： 分 界 面 为 空 气 隙 式 和 胶 合 式 ， 前 种 又 称 为 格 兰 － 傅 科 型 或 简 称 为 格 兰 型 ( 我 们 的 ： GTP,GLP) ； 后 种 称 为 格 兰 － 汤 普 森 型 (GMP) 。
视 场 角 上 光 线 ： O 光 ( 这 里 假 定 O 光 折 射 率 大 ) 在 胶 合 分 界 面 产 生 全 反 射 的 最 小 入 射 角 。 如 果 入 射 角 小 于 这 个 角 度 ， 则 O 光 可 以 透 过 ， 造 成 偏 振 器 偏 振 度 下 降 。 下 光 线 ： E 光 ( 这 里 假 定 E 光 折 射 率 小 ) 在 胶 合 分 界 面 产 生 了 全 反 射 的 入 射 角 度 。 如 果 入 射 角 大 于 这 个 角 度 ， 则 E 光 不 能 透 过 胶 层 ， 导 致 偏 振 器 不 能 使 用 。
2. 格 兰 － 泰 勒 棱 镜 格 兰 泰 勒 棱 镜 与 格 兰 － 汤 姆 森 棱 镜 结 构 类 似 ， 只 是 胶 合 面 使 用 的 是 空 气 隙 胶 合 ， 而 不 是 使 用 胶 。
格 兰 － 泰 勒 棱 镜 与 格 兰 － 汤 姆 森 棱 镜 主 要 应 用 上 不 同 点 ： 1. 格 兰 － 泰 勒 棱 镜 由 于 胶 层 为 空 气 ， 比 格 兰 － 汤 姆 森 棱 镜 抗 激 光 损 伤 阈 值 高 。 2. 由 于 空 气 的 折 射 率 为 1 ， 没 有 色 散 。 因 此 格 兰 － 泰 勒 棱 镜 可 以 使 用 的 波 长 范 围 比 格 兰 － 汤 姆 森 棱 镜 来 得 小 。 3. 一 般 情 况 下 ， 如 果 胶 合 面 没 有 镀 膜 ， 则 格 兰 － 泰 勒 棱 镜 的 透 过 率 比 格 兰 － 汤 姆 森 棱 镜 来 得 低 。 4. 棱 镜 的 切 角 不 同 。 两 种 棱 镜 的 长 度 也 就 不 同 。
3. 罗 雄 棱 镜 进 入 分 界 面 后 ， O 光 的 方 向 不 变 ， E 光 在 分 界 面 发 生 折 射 ， 两 束 光 分 开 。
4. 沃 拉 斯 顿 棱 镜 沃 拉 斯 顿 棱 镜 是 应 用 较 广 的 一 种 偏 振 分 束 器 ， 两 振 动 方 向 互 相 垂 直 的 线 偏 振 光 沿 入 射 光 的 两 侧 偏 遮 。
3. 偏 振 器 的 应 用 偏 振 器 应 用 广 泛 ， 主 要 利 用 偏 振 器 起 偏 和 检 偏 的 特 性 。 偏 振 器 常 与 多 种 偏 振 器 件 组 合 使 用 。 应 用 中 ， 最 基 本 的 原 理 见 下 ：
. . . . . 起 偏 器 检 偏 器 自 然 光 线 偏 振 光 偏 振 光 通 过 旋 转 的 检 偏 器 ， 光 强 发 生 变 化 返 回 结 束
. . . . . 起 偏 器 检 偏 器 自 然 光 线 偏 振 光 偏 振 光 通 过 旋 转 的 检 偏 器 ， 光 强 发 生 变 化 返 回 结 束
. . . . . 起 偏 器 检 偏 器 自 然 光 线 偏 振 光 偏 振 光 通 过 旋 转 的 检 偏 器 ， 光 强 发 生 变 化 返 回 结 束
. . . . . 起 偏 器 检 偏 器 自 然 光 线 偏 振 光 偏 振 光 通 过 旋 转 的 检 偏 器 ， 光 强 发 生 变 化 返 回 结 束
. . . . . 起 偏 器 检 偏 器 自 然 光 线 偏 振 光 偏 振 光 通 过 旋 转 的 检 偏 器 ， 光 强 发 生 变 化 返 回 结 束
. . . . . 起 偏 器 检 偏 器 自 然 光 线 偏 振 光 偏 振 光 通 过 旋 转 的 检 偏 器 ， 光 强 发 生 变 化 返 回 结 束
. . . . . 起 偏 器 检 偏 器 自 然 光 线 偏 振 光 偏 振 光 通 过 旋 转 的 检 偏 器 ， 光 强 发 生 变 化 返 回 结 束
. . . . . 起 偏 器 检 偏 器 自 然 光 线 偏 振 光 偏 振 光 通 过 旋 转 的 检 偏 器 ， 光 强 发 生 变 化 两 偏 振 片 的 偏 振 化 方 向 相 互 垂 直 光 强 为 零 返 回 结 束
. . . . . 检 偏 器 自 然 光 通 过 旋 转 的 检 偏 器 ， 光 强 不 变 自 然 光 返 回 结 束
. . . . . 检 偏 器 自 然 光 自 然 光 通 过 旋 转 的 检 偏 器 ， 光 强 不 变 返 回 结 束
. . . . . 检 偏 器 自 然 光 自 然 光 通 过 旋 转 的 检 偏 器 ， 光 强 不 变 返 回 结 束
. . . . . 检 偏 器 自 然 光 自 然 光 通 过 旋 转 的 检 偏 器 ， 光 强 不 变 返 回 结 束
. . . . . 检 偏 器 自 然 光 自 然 光 通 过 旋 转 的 检 偏 器 ， 光 强 不 变 返 回 结 束
. . . . . 检 偏 器 自 然 光 自 然 光 通 过 旋 转 的 检 偏 器 ， 光 强 不 变 返 回 结 束
. . . . . 检 偏 器 自 然 光 自 然 光 通 过 旋 转 的 检 偏 器 ， 光 强 不 变 返 回 结 束
. . . . . 检 偏 器 自 然 光 自 然 光 通 过 旋 转 的 检 偏 器 ， 光 强 不 变 返 回 结 束
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