第5章 光的双折射及应用.ppt

光子学与光电子学 原荣 邱琪 第5章 光的双折射效应及应用 当光从空气进入水或玻璃时，就产生折射。但是，当光进入某些晶体时，折射光线不只一条，而是两条。这种现象称为双折射。 下面介绍光的双折射效应及其偏振器件，以及利用该效应制成的液晶显示器件。 5.1 光的双折射效应 5.2 双折射器件——偏振器件 5.3 液晶显示器件——双折射和偏振的应用 5.1 光的双折射效应 5.1.1 各向同性材料和各向异性材料 5.1.2 光的双折射效应 5.1.3 双折射的几种特例 5.1.4 晶体的双色性 5.1.5 光纤双折射效应 图5.1.1 一束非偏振光透射到方解石晶体上变成两束光 可用三种折射率指数n1、n2和n3来描述光在各向异性晶体内的传输，分别表示互相垂直的三个轴x、y和z方向上的折射率。这种晶体具有两个光学轴，所以也称为双轴晶体。 当n1 = n2时，晶体只有一个光轴，称这种晶体为单轴晶体。 图5.1.2 各向同性晶体和各向异性晶体 5.1.2 光的双折射效应 任何非偏振光线进入各向异性晶体后，将折射分成两束正交的线性偏振光，以不同的偏振态和相速度经历不同的折射率传输，如图5.1.3所示，这种现象称为双折射； 在单轴晶体中，两个正交的偏振光称为寻常光（o）和非寻常光（e）。寻常光在所有的方向具有相同的相速度，它的表现就像普通的电磁波，电场垂直于相速度传输的方向。非寻常光的相速度与传输方向和它的偏振态有关，而且电场也不垂直于相速度传输的方向。 利用双折射可制成偏振分束器（PBS）。 图5.1.3 非极化光进入各向异性晶体方解石后将发生双折射，产生相互正交偏振的寻常光(o)和非寻常光(e)，以不同的速度传播 方解石晶体的双折射 方解石是一种负单轴晶体，沿一定的晶体平面把晶体切成菱面体，晶面是一个平行四边形（相邻两角的角度是78.08o和101.92o），包含光轴并与一对晶体表面垂直的方解石菱晶平面叫主截面。 当非偏振光或自然光以法线射入方解石晶体时，于是也与主截面成法线，而于光轴成一定的角度。入射光分成相互正交的寻常光和非寻常光两束光，在主截面平面内也包含入射光。寻常光具有垂直于光轴的场振荡，它遵守斯奈耳定律，即光进入晶体不偏转，于是E场振荡的方向必须从该页纸出来或进去（用黑点表示），是寻常光。 5.1.3 双折射的几种特例 （a）入射光与光轴平行，不发生双折射，也没有速度差 （b）入射光与光轴垂直，不发生双折射，但有速度差 图5.1.4 入射光与光轴方向不同出现两种不同的情况 图5.1.5 非偏振光与光轴的关系不同，投射到方解石晶片上产生不同的现象 5.1.4 晶体的双色性 一些各向异性晶体除折射率与方向有关外，也表现出双色性。 所谓双色性，就是材料对光的吸收取决于光波传输的方向和偏振态。双色晶体是一种光学异性晶体，这种晶体对非寻常光或寻常光具有强烈地吸收（衰减）效应。也就是说，进入双色晶体的任意偏振光波只有限定的偏振态出现在晶体输出端，因为与此正交的偏振光可能被衰减了。 通常，双色性取决于光的波长，例如铝硼矽酸盐晶体对寻常光的吸收比对非寻常光的吸收更强。 5.1.5 光纤双折射效应 5.2 双折射器件——偏振器件 在5.1节中，已介绍了光的双折射现象，即一束非偏振光入射到各向异性晶体上时变成两束偏振光——寻常光（o）和非寻常光（e）。 本节将介绍利用该现象制成的偏振器件，这些器件在电光调制器、电光开关、光隔离器和相干系统中是必不可少的。 5.2.1 相位延迟片和相位补偿器 使正单轴晶体（如石英）片的光轴沿 z 方向，并平行于薄片的两个解理面，如图1.3.22所示，假如线性偏振光 E 以法线方向入射到薄片解理面上，此时光束就不会发散成两束分开的光，而是沿 y 方向的一束光，即没有双折射。虽然寻常光和非寻常光在同一方向传输，但却有不同的速度，尽管从同一方向出去，但是离开出射解理面的时间却不同，如图1.3.21（b）所示 。这种现象被用来制作相位延迟和补偿器件。 图5.2.1 线性偏振入射光E分解成的两个相互正交的分量通过相位延迟片产生相位差? 全光纤移相器 可提供8?～15?的相移 半波片和四分之一波片 假如 L是晶体片的厚度，寻常光（o）和非寻常光（e）通过晶体经历的相位变化不同。于是出射光束和分量通过相位延迟片产生的相位差是 （5.2.1） 该相位差表示延迟片对全波长的延迟，例如? = ?是半波长延迟，? = ?/2 是四分之一波长延迟。通过光束的偏振态与晶体类型和延迟