光子学与光电子学原荣第5章节光的双折射及应用

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1、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尚辅网http://shangfuwang.com/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光纤双折射效应尚辅网http://shangfuwang.com/5.1.1各向同性材料和各向

2、异性材料晶体的一个重要特征是它的许多特性与晶体的方向有关。因为折射率，介电质常数与电子极化有关，电子极化又与晶体方向有关，所以晶体的折射率与传输光的电场方向有关。大部分非晶体材料，例如玻璃和所有的立方晶体是光学各向同性材料，即在每个方向具有相同的折射率。所有其他晶体，如方解石（CaCO3）、鈮酸锂（LiNbO3）和液晶（LCD），它们的折射率都与传输方向和偏振态有关，这种材料叫做各向异性材料，如图5.1.2所示。尚辅网http://shangfuwang.com/图5.1.1一束非偏振光透射到方解石晶体上变成两束光尚辅网http://shangfuwang.com/图5.

3、1.2各向同性晶体和各向异性晶体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。尚辅网http://shangfuwang.com/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

4、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）。尚辅网http://shangfuwang.com/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)，以不同的速度传播尚辅网http://shangfuwang.com/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

5、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。尚辅网http://shangfuwang.com/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尚辅网http://shangfuwang.c

6、om/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尚辅网http://shangfuwang.com/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。尚辅网http://shangfuwang.c

7、om/5.1.5光纤双折射效应尚辅网http://shangfuwang.com/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。尚辅网http://shangfuwang.com/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