第五章偏振2

一.晶体偏振器利用单轴晶体中o光和e光传播情况的不同，可以做成晶体偏振器件，使o光、e光分开而产生线偏振光。5.6偏振器件这种器件可分为两类：一类是只让o光、e光中的一束通过，得到单束线偏振光，如格兰棱镜、尼科耳棱镜等。另一类是偏振分束器，得到振动方向互相垂直的两束分离的线偏振光，如渥拉斯顿棱镜、洛匈棱镜等。1.尼科耳棱镜(Nicol)优质方解石晶体，长度约为宽度的3倍，剖开、磨平抛光，两块用加拿大树胶粘合起来。加拿大树胶是一种折射率介于方解石的no和ne之间的透明物质。缺点：入射光线上、下方的极限角为14°，入射光与透射光不在一条直线上。2.格兰棱镜Glan-Thompson:············光轴光轴方解石方解石加拿大树胶(n=1.55)oei吸收涂层76°这样安排光轴的取向使e光对应的恰好是ne。no(1.6584)＞n(1.55)＞ne(1.4864)o光在粘合处发生全反射，透射的是极纯的线偏振光。(钠黄光)格兰—汤普森棱镜主要特性参数：通光面积、孔径角、消光比、抗损伤能力.格兰-傅科(Glan-Foucault)棱镜:空气间隔，较短。(=38.5°)优、缺点:格兰—汤普森棱镜的有效张角约为30°，格兰-傅科棱镜的有效张角约为15°。在格兰—汤普森棱镜中加拿大树胶强烈吸收紫外光，限制了使用光谱范围（可以换用紫外区透明的粘合物）。另外，界面胶不能承受高的功率（连续照射时上限1W/cm2）。格兰-傅科棱镜有很宽的使用光谱范围，方解石的透明区从红外的5000nm直到紫外的230nm；另外还有能承受较高功率的优点（连续照射时上限100W/cm2），使用激光束时这是很重要的。3.偏振分束镜:·12方解石方解石·······oe光轴光轴·自然光垂直入射，在第一块直角棱镜中o光（圆点）、e光（短线）传播方向不变，但速度不同，它们进入第二块直角棱镜后，由于光轴沃拉斯顿(Wollaston)棱镜相对于第一块的光轴转了90°，原o光成了e光，它是由光密介质进入光疏介质（方解石neno），因而远离法线而传播。同理，从第一块进入第二块，原e光变成o光，传播方向靠近法线。于是在第二块内两光分开。进入空气后，它们因折射进一步分开，成为两束线偏振光，二者振动方向互相垂直。二.晶体相移器件Retarders1.波晶片─相位延迟片Waveplates波晶片是光轴平行于表面的晶体薄片。ydxAAoAe线偏振光光轴λ通过厚为d的晶片，o、e光产生相位差：AAoAe光轴Pdnneoxy)(2cossinAAAAeo振幅关系：设线偏振光入射，真空中的波长从晶片出射的是两束传播方向相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差为的线偏振光，它们合成为一束椭圆偏振光。423,2时为圆偏振光。且设在入射面上分解的两种线偏振光的瞬时光矢量大小可表示为：tAEEooxcos)cos(0tAEEeey在后表面上的出射光应表示为：)2cos('dntAEoox)2cos('0dntAEeey2)12(4)12()(mmdnneo4，线偏振光→圆偏振光2,0，线偏振光→线偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）四分之一波片(4片)Thequarter-waveplate240，，，线偏振光→椭圆偏振光通过4片：,2,1,0m在出射光中，两种线偏振光的相位差为：dnneoxy)(20圆起偏器原理左旋右旋45快轴慢轴椭圆起偏器原理30z二分之一波片Ahalf-waveplate)12(2)12()(mmdnneo半波片的作用是旋转它的偏振面的方向，旋转角度为2，为波片的快轴方向与入射光振动方向之间的夹角。Ahalf-waveplate全波片Thefull-waveplate2.通过波晶片后的光强总光强eoIII3.补偿器─可变相位延迟器Compensators定义：能够使透过的o光和e光的相位差任意改变的晶片巴俾涅补偿器：由两块光轴正交的直角石英棱镜迭置而成，用于细光束的相位补偿调节。第一劈内的o光进入第二劈内变为e光，光程：21dndneo同样地，e光，21dndnoe两者的相位差：))((212eonndd三.椭圆偏振光和圆偏振光的检偏用4片和偏振片P配合，可以区分自然光和圆偏振光，也可区分部分偏振光和椭圆偏振光。索列尔补偿器：由两块光轴平行的石英直角劈楔与一块光轴正交的平行平面石英晶片迭置而成，可用于宽光束的相位补偿。两者的相位差：))((212eonndd四分之一波片圆偏振光自然光自然光线偏振光偏振片（转动）线偏振光I不变线偏振光I变,有消光以入射光方向为轴四分之一波片椭圆偏振光部分偏振光线偏振光偏振片（转动）线偏振光I变,有消光部分偏振光光轴平行于最大光强或最小光强方向放置，或光轴平行于椭圆偏振光的长轴或短轴放置线偏振光I变,无消光例1.已知方解石晶体的o光和e光的折射率分别为n0=1.658，n0=1.486;今将该晶体做成波晶片，使光轴与晶面平行，用波长为589.3nm的单色偏振光入射，光的振动方向与光轴成=45°角，若使出射光是圆偏振光，问这晶片的最小厚度是多少？解：要使透过波晶片的光是圆偏振光，除满足题中给的条件=45°，使Ao=Ae外，还要求晶片有特定的厚度d，从而使o光和e光的周期相差为/2，光程差为/4，既对波长为589.3nm的光而言是四分之一波片则晶片的最小厚度为：mnnde86.0)(40dnne)(04例2.ABCD为一块方解石的一个截面，AB为垂直于纸面的晶体平面与纸面的交线.光轴方向在纸面内且与AB成一锐角,如图所示.一束平行的单色自然光垂直与AB端面入射.在方解石内折射分解为o光和e光,o光和e光的:光轴ABCD(A)传播方向相同,光矢量的振动方向互相垂直.(B)传播方向相同,光矢量的振动方向不互相垂直(C)传播方向不相同,光矢量的振动方向互相垂直(D)传播方向不相同,光矢量的振动方向不互相垂直[C]光轴ABCD例3.两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射其上时没有光线透过。当其中一偏振片慢慢转动180时透射光强度发生的变化为:[B]（A）光强单调增加；（B）光强先增加，后又减小至零；（C）光强先增加，后减小，再增加；（D）光强先增加，然后减小，再增加再减小至零。例4.自然光以60的入射角照射到某一透明介质表面时，反射光为线偏振光，则：[B]（A）折射光为线偏振光30；（B）折射光为部分偏振光，折射角为30；（C）折射光为线偏振光，折射角不能确定；（D）折射光为部分偏振光，折射角不能确定；例5.波长=589.3nm的一束左旋圆偏振光垂直入射到5.141×10-4cm厚的方解石波片上，试问透射光束具有什么样的偏振态？已知no=1.65836；ne=1.48641。解:左旋圆偏振光电矢量的分量tAEtAEyxsin,cos00可以算得出射时e光和o光之间的相位差310589310141.517195.02284cmcmdnneo显然该方解石波片是半波片，透射光的分量将是tAtAEtAEyxsin3sin,cos000它表示的是右旋圆偏振光。由此可见，半波片使左旋圆偏振光变成了右旋圆偏振光。例6.线偏振光垂直入射到一块光轴平行于表面的方解石晶片上，光的振动面和晶片的主截面成30°。(1)试问透射出来的两束线偏振光的相对强度为多少？(2)用钠光时，若要产生90°的相位差，晶片的厚度应为多少？设波长为589.3nm；no=1.658；ne=1.486。解(1)寻常光和非寻常光的振幅为30sinAAo30cosAAe它们的相对强度之比为3130tan30cos30sin2222eoeoAAII(2)寻常光与非常光之间的相位差为lnneo22令212k故cmkknnknnleoeo121057.812486.1658.1410893.51222255（k=0,1,2,…）晶片的最小厚度为cmlo51057.8例7.在两正交尼科耳棱镜之间插入一方解石晶片，它的光轴与表面平行，并与尼科耳棱镜的主截面成45°角。设光通过第一个尼科耳棱镜后的振幅为1。求：(1)通过晶片时分解出来的o光和e光的振幅和强度；(2)这两束光通过检偏器后的振幅和强度。解(1)通过晶片时分解出来的o光和e光的振幅分别为2245sin1sin1AAo2245cos1cos1AAe故21,2122eeooAIAI(2)通过检偏器后的振幅和强度计算如下：45coscos2eeeAAA45coscos2oooAAA故cos121cos212124141cos2222222oeoeAAAAI振幅为cos121IAEllipticallypolarizedlight)(12xyAAr即且12222yyxxAEAETheWollastonprism负晶体:neno圆检偏器原理保偏光纤，椭圆偏振光的分析技术例1.通过偏振片观察部分偏振光时，当偏振片绕入射光方向旋转到某一位置上，透射光强为极大，然后再将偏振片旋转30度，发现透射光强为极大值的4/5。试求该入射部分偏振光的偏振度P及该光内自然光与线偏振光光强之比。解：设IL和In分别表示部分偏振光中的线偏振光强和自然光强。偏振片处于第一个位置时，透射光强为极大，应等于（IL+In/2）根据题意，偏振片处于第二个位置时，透射光强为)2(54230cos2nLnLIIII因此nLII2所以最大光强为LnLIIII452maxLnIII412min最小光强为入射部分偏振光的偏振度为：3241454145minmaxminmaxLLLLIIIIIIIIP该光内自然光与线偏振光光强之比：2nLII40kzRotationoftheelectricvectorinaright-circularwave.Notethattherotationrateisand)tan(tantkzAAxy2普通光源原子发光的示意图若使P2以光线为轴转动一周，将连续地改变360°，光强就按上式做周期性的变化。当=0、180°时，光强为极大(2)由(1)得到的Imax可知，只有当=0或180°且=0时，通过系统的光强最大。221maxcos2III当=90°、270°时，光强为零。此时因同时满足了=0（或180°）和=0，所以通过系统的光强最大。1.应先固定P1，再转动P2使透射光强达到最大值，表明已调到=0或180°；2.再让P1和P2同步旋转，使透射光强再度达到最大值时，表明已调到=0。因此象折射现双折射现方解石晶体CaCO3纸面双折射会映射出双像：当方解石晶体旋转时，o光的像不动，e光的像围绕o光的像旋转。光光双折射纸面方解石晶体o光的像e光的像光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体：光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体：光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体：光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体：