光子学与光电子学 教学课件 作者 原荣 第5章 光的双折射及应用.ppt

《光子学与光电子学 教学课件 作者 原荣 第5章 光的双折射及应用.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

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光子学与光电子学原荣邱琪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光纤双折射效应光子学与光电子学原荣邱琪5.1.1

2、各向同性材料和各向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。光子学与光电子学原荣邱琪图5.1.1一束非偏振光透射到方解石晶体上变成

3、两束光光子学与光电子学原荣邱琪图5.1.2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。光子学与光电子学原荣邱琪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

4、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）。光子学与光电子学原荣邱琪图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)，以不同的速度传播光子学与光电子学原荣邱琪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

5、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。光子学与光电子学原荣邱琪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

6、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光子学与光电子学原荣邱琪图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光子学与光电子学原荣邱琪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，

7、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。光子学与光电子学原荣邱琪5.1.5光纤双折射效应光子学与光电子学原荣邱琪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。光子学与光电子学原荣邱琪5.2.1相位延迟片和相位补偿器使正单轴

8、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。光子学与光电子学原荣邱琪图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