第六章晶体光学器件.doc
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晶体光学器件
双折射晶体在光无源器件中有着广泛的应用,可以制成光隔离器、光环行器、偏振光合束器和光学梳状滤波器等多种光器件。光学梳状滤波器同时隶属波分复用器件的范畴,将在第七章介绍。本章重点介绍基于双折射晶体的光隔离器、光环行器和偏振光合束器。
6.1 晶体光学基础
光无源器件中常用的双折射晶体一般是单轴的,此处从应用的角度,先对单轴晶体的光学特性作一些简单的介绍。
6.1.1 单轴晶体中的双折射现象
在各向同性介质中,光能量的传播方向(即光线方向S)与光波的传播方向(即波法线方向K)总是保持一致的。而在各向异性的双折射晶体中,存在两种光波:一种是寻常光(o光),其光线方向与波法线方向保持一致;另一种是非寻常光(e光),其光线方向偏离波法线方向。一般情况下,o光与e光在双折射晶体中的折射率不一样,因此传播速度也不相同。
在双折射晶体中,存在一些特殊的方向,沿此方向传输的光波,o光与e光的光线完全重合,并且传播速度也完全相同,或者说只有o光而没有e光,这些特殊方向称为晶体的光轴。
单轴晶体只存在一个光轴,其折射率椭球如图6.1所示,o光折射率小于e光折射率的晶体称为正单轴晶体,其折射率椭球为橄榄状的长椭球形;o光折射率大于e光折射率的晶体称为负单轴晶体,其折射率椭球为飞碟状的扁椭球形。
图6.1 单轴晶体的折射率椭球
折射率椭球的物理意义可由图6.2解释,图中所示为正单轴晶体,o光和e光的波法线分别为Ko和Ke,过原点并垂直波法线作折射率椭球之截面,对o光和e光各得到一个椭圆形截面,每个椭圆均有长轴和短轴两条轴线,对o光取位于水平面内的轴线长度no为其折射率,对e光则取非位于水平面内的轴线长度n2为其折射率。
图6.2 正单轴晶体中的光波与折射率
如图6.2所示,当波法线与光轴方向一致时,所得截面是一个位于水平面内的圆形,只有一个轴线长度no,因此只有o光而没有e光。当波法线垂直光轴时,所得截面是一个位于竖直平面内的椭圆,长轴和短轴分别为ne和no,因此o光和e光的光线在空间上仍然重合,但是传播速度不同,产生位相差。一般情况下,波法线与光轴成???角θ,所得椭圆截面的长轴和短轴分别为n2和no,o光波法线Ko与e光波法线Ke分开一定角度,o光的光线So与波法线Ko方向一致,e光的光线Se与波法线Ke之间存在离散角α。在正单轴晶体中,e光的光线比波法线更靠近光轴,而负单轴晶体中的情况正好相反。
o光与e光波法线之间的夹角取决于入射光波在晶体界面上的折射情况,而e光的折射率ne和离散角α均取决于其波法线Ke与光轴的夹角θ,如式(6.1)和式(6.2)。
(6.1)
(6.2)
在正单轴晶体中,none,由式(6.2)可知α0,表示e光的光线比波法线更远离光轴方向;在负单轴晶体中,α0,表示e光的光线比波法线更靠近光轴方向。
双折射晶体中,e光的折射率与其传播方向有关,因此传播速度也与方向相关。根据图6.1中的折射率椭球,可以绘制相应的波面椭球,如图6.3所示。波面代表光波的等相位面,o光与e光的波面椭球在光轴方向内切,正单轴晶体的e光波面椭球内切于o光波面椭球,表示e光传播速度慢于o光,负单轴晶体反之。
图6.3 单轴晶体中的波面
图6.4中以惠更斯作图法绘出了光在空气―单轴晶体界面上的各种折射情况,图中的半圆和半椭圆分别代表o光和e光的波面。当光轴垂直于界面且光波正入射时,只有o光。当光轴与界面平行且光波垂直入射时,出现o光和e光两种光波,二者传播方向保持一致,而传播速度不同,产生相位差。当光轴与界面法线成任意角度θ且光波垂直入射时,e光的波法线仍与o光波法线重合,但是e光的光线出现离散角α。一般情况是,光轴与界面法线成任意角度θ且光波斜入射,此时e光波法线偏离o光波法线,并且e光的光线与波法线存在离散角α。
图6.4 正单轴晶体中的光折射
在各向同性介质中,光线方向总是与波法线一致,因此可以直接以折反射定律来分析光线的传播情况。在各向异性的双折射晶体中,e光的波法线遵守折反射定律,而光线不再遵守此定律,因此必须先通过折反射定律得到e光的波法线方向,再根据离散角得到光线方向,最终得到的光线与光轴夹角为θ+α,注意当none时α0,当none时α0。
斜入射情况下,e光波法线偏离o光波法线,这是因为二者折射率不同,造成折射角不同。
6.1.2 半波片
当波矢垂直光轴传输时,如图6.4中的第二种情况,o光与e光在空间上没有发生分离,但是传播速度不一样,产生相位差,如式(6.3)。利用单轴晶体的这个特性,可以制成波片,如图6.5所示,晶体的光轴平行于表面。
(6.3
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