物理光学与应用光学(第二版)课件第四章.ppt

图 4-38 渥拉斯顿棱镜 正入射的平行光束在第一块棱镜内垂直光轴传播，o光和e光以不同的相速度同向传播。它们进入第二块棱镜时，因光轴方向旋转90°，使得第一块棱镜中的o光变为e光，且由于方解石为负单轴晶体(neno)，将远离界面法线偏折；第一块晶体中的e光，现在变为o光，靠近法线偏折。这两束光在射出棱镜时， 将再偏折一次。这样，它们对称地分开一个角度，此角的大小与棱镜的材料及底角θ有关。对于负单轴晶体近似为 Φ≈2 arcsin［(no-ne)tanθ］ 　 　(4.4-1) 对于方解石棱镜，Φ角一般为10°～40°。例如，当θ=45°时， Φ≈20°40′。 　　偏振棱镜的主要特性参量是：通光面积、孔径角、消光比、抗损伤能力。 (1) 通光面积 偏振棱镜所用的材料通常都是稀缺贵重晶体， 其通光面积都不大，直径约为5～20 mm。 (2) 孔径角 对于利用全反射原理制成的偏振棱镜， 存在着入射光束锥角限制。 上面讨论格兰—汤普森棱镜的工作原理时，假设了入射光是垂直入射。 当光斜入射(图4 - 39)时， 若入射角过大，则对于光束 1 中的o光，在BC面上的入射角可能小于临界角，致使不能发生全反射，而部分地透过棱镜；对于光束 2 中的e光，在BC面上的入射角可能大于临界角，使e光在胶合面上发生全反射， 这将降低出射光的偏振度。 图 4 - 39 孔径角的限制 因而，这种棱镜不适合于发散角(或会聚角)过大的光路。 或者说，这种棱镜对入射光锥角有一定的限制，并且称入射光束锥角的限制范围 2δm(δm是δ和δ′中较小的一个)为偏振棱镜的有效孔径角。有效孔径角的大小与棱镜材料、结构、使用波段和胶合剂的折射率诸因素有关。 例如，由方解石晶体制成的格兰—汤普森棱镜，对于λ=0.5893μm的黄光来说，其主折射率no=1.6584, ne=1.4864， 加拿大树胶的折射率n=1.55。可以计算得到，在方解石—树胶界面上的o光临界角约为 69°。因此，棱镜的底角θ应大于 69°。若选θ=71.5°，则由tanθ=AC/AB可定出棱镜的长度比为 3∶1，有效孔径角约为 7°；若选θ=81°，则棱镜的长宽比为 6.31∶1，有效孔径角接近 40°。 显然，增大有效孔径角， 将要求其棱镜长宽比增大，会耗费很多的晶体材料，提高成本。 这在制作棱镜时， 应特别注意。 (4.4-2) 　　(3) 消光比 消光比是指通过偏振器后两正交偏振光的强度比，一般偏振棱镜的消光比为 10-5～10-4。 　　(4) 抗损伤能力 在激光技术中使用利用胶合剂的偏振棱镜时，由于激光束功率密度极高，会损坏胶合层，因此偏振棱镜对入射光能密度有限制。一般来说， 抗损伤能力对于连续激光约为 10 W/cm2，对于脉冲激光约为 104 W/cm2。 为了提高偏振棱镜的抗损伤能力，可以把格兰—汤普森棱镜的胶合层改为空气层， 制成如图 4 - 40所示的格兰—傅科(Foucault)棱镜。 这种棱镜的底角θ应满足 图 4 - 40 格兰—傅科棱镜 例如，由方解石制成的格兰—傅科棱镜，对于λ=1.06μm的红外光，主折射率no=1.6408, ne=1.4790，在方解石—空气界面上， o光的临界角约为 37.5°，e光的临界角约为 42.6°， 因此可选择θ=40°，由此可定出有效孔径角约为 7°。这种偏振棱镜的抗损伤能力，对于连续激光为 100 W/cm2，对于脉冲激光为 2×108W/cm2。但是，由于e光是在接近临界角的情况下通过方解石—空气界面的，所以反射损耗较大，透过率较低。 2. 偏振片 由于偏振棱镜的通光面积不大，存在孔径角限制， 造价昂贵， 因而在许多要求不高的场合，都采用偏振片产生线偏振光。 1) 散射型偏振片 这种偏振片是利用双折射晶体的散射起偏的，其结构如图 4 - 41 所示：两片具有特定折射率的光学玻璃(ZK2)夹着一层双折射性很强的硝酸钠(NaNO3)晶体。制作过程大致是：把两片光学玻璃的相对面打毛，竖立在云母片上，将硝酸钠溶液倒入两毛面形成的缝隙中，压紧二毛玻璃，挤出气泡，使得很窄的缝隙为硝酸钠填满，并使溶液从云母片一边缓慢冷却，形成单晶，其光轴恰好垂直云母片，进行退火处理后，即可截成所需要的尺寸。 图 4 - 41 散射型偏振片 由于硝酸钠晶体对于垂直其光轴入射的黄绿光主折射率为no=1.5854, ne=1.3369，而光学玻璃(ZK2)对这一段光的折射率为n=1.5831，与no非常接近，而与ne相差很大，因而, 当光