摘要:为便于产生和分析各种椭圆偏振光,需要有产生椭圆偏振光的光学元件,其中一个重要的光学元件就是补偿器。补偿器有多种类型,在机械补偿器中应用最广泛的是巴俾涅补偿器和索累补偿器,但它们各有其缺点。现设计出了一种新的补偿器件,它克服了这两种补偿器的不足,结构简单、操作方便。
1 引 言
为便于产生和分析各种椭圆偏振光,需要有产生椭圆偏振光的光学元件。巴俾涅补偿器和索累补偿器是其中最常见的两种,然而,它们各有其不足之处。本文设计了一种新型的补偿器,它克服了上述两种补偿器的缺点,将会有广泛的应用。
2 理论分析
使用适当的物质和适当厚度的晶片,在两个方向和在互相正交的振动之间引入一个程差,可以用来研究椭圆偏振光,尤其是在引入这样的程差之后,使得椭圆偏振光转换为线偏振光,根据线偏振光的分析就可得出所需要的关于椭圆偏振光的信息。因为它的作用是补偿一个位相差,这种装置称为补偿器。补偿器实际上是一种延迟量可调的光学器件,不象Δφ固定的波长片,延迟片只能使振动方向互相垂直的两光束之间产生固定的光程差。补偿器的相对位相差是可以连续变化的,在偏光技术领域中用途非常广泛。
在许多的机械补偿器中,使用最广泛的补偿器是巴俾涅补偿器和索累补偿器。一般的λ/4片是对某一波长而言的,对于其它波长则不是λ/4波片。巴俾涅设计了一种位相补偿器,当它与固定的λ/4波片联合使用时,可成为对任意波长都适合的λ/4波片。巴俾涅补偿器是由两个独立的方解石楔或石英楔所组成,如图1(a)和图1(b)所示。两楔切割使得它们的光轴互相垂直,在图中用线和点表示。
由于这个系统和渥拉斯顿棱镜很相象,只不过渥拉斯顿棱镜的角度更大,厚度更厚,补偿器很薄(楔角的典型值约为2·5°),所以光线的分开可以忽略。这两种器件都是将上面楔中的o光和e光分别变化成下面楔中的e光和o光。当细光束从中央垂直入射时,因两楔厚度相等,故两光无位相差。当细光束从其它位置通过时,两光的总相移为
式中d1为光线在上面的楔内通过的厚度,d2为光线在下面的楔内通过的厚度。
当它与固定的λ/4波片联合使用时,只要选择好入射点,使位相得到补偿而成为对该波长的λ/4波片。如果补偿器是用方解石做成的话,则在上面楔中e光比o光超前。所以若d1>d2的话,则Δφ对应的e分量超前于o分量的总角度。石英补偿器的情况刚好相反,也就是说,如果d1>d2,则Δφ对应的o光超前于e光的角度。在接触部分的中心, d1=d2,由于一个楔的效应被另一个楔精确地抵消,所以对所有的波长都有Δφ=0。在任一面上各点的延迟量是逐点变化的。在沿补偿宽度方向的狭窄区域内,只有楔的厚度本身是恒定的,延迟量才是恒定的。如果光从平行于这些区域的窄缝入射,并用一个微动螺丝促使任何一个楔水平地移动,我们就能够得到任何需要的Δφ出射。
当巴俾涅补偿器以45°角放在两个正交的起偏器之间时,在补偿器的宽度方向上就会出现一系列等间隔的暗消光条纹。在白光照射下,除了全黑的中心暗带(Δφ=0)之外,这种条纹将是带色的。把未知的波片放在补偿器上面,测出它所产生的条纹移动,就可以求出它的延迟量,它的缺点是必须用极窄的光束。因为一束有一定方位的椭圆偏振光的宽光束通过这种补偿器后,宽光束的不同部分会发生不同的们相位差,因而将出现不同方位的椭圆偏振光,仅在某些地点变成平面偏振光。
只要把巴俾涅补偿器的上楔沿垂直方向转180°,使其薄边落在下楔的薄边上,就可以在整个面上产生均匀的延迟量。不过,这种结构将使光线稍有偏转。在某些场合,需要产生在整个视场内恒定的位相差(正,负或零)。巴俾涅补偿器的另一种变形可以在面上产生均匀的延迟而不偏转光束,如图2(a)和图2(b)所示的索累补偿器,它包含两个可调节的石英楔和一个石英平面平行板,它们的光轴取向如图中所示。上面的一个楔可用微动螺旋使之移动,在它们互相接触的全部区域内,对应于两楔的总厚度的d1是恒定的,它与下面薄片的厚度之间有任何差值,从而使两光束之间产生任何需要的位相差。由于光垂直入射于晶体表面,而两楔和薄片的光轴又平行于入射面或垂直于入射面,所以当两光束透射出来时并不分开,而总是以一定的位相差叠加。两光的总相移为
当d1=d2时,Δφ为0。因此当与固定的λ/4波片联合使用时,对于任意波长来说,只要滑动上楔便可得到位相补偿而成为该波长的λ/4波片。
这两种补偿器有一个共同的不足,这就是移动部分都是沿斜面方向的。由于楔板的楔角和厚度都很小,这就给在实验中对楔板的固定和控制操作带来困难。在此,我们设计了一种新的补偿器,如图3(a)和图3(b)所示。
由于整个结构由四个楔形组成,且楔角相等,上面两个固定在一起,下面两个固定在一起,因此上下两部分可沿水平方向移动,这使得实验装置更为简单、容易固定,并且移动更为方便。
光束垂直入射时,o光和e光的总相移为
式中d1、d2、d3、d4分别为光线在第1、2、3、4个楔内通过的厚度。从图3中可以看出,由于在它们互相接触的全部区域内,对应于四个楔的厚度的(d1+d4)和(d2+d3)都是恒定的,因此对宽光束是适合的,两光束之间在整个视场中可以产生任何需要的位相差。当(d1+d4)等于(d2+d3)时,Δφ为0。
3 结论
通过以上的分析和计算可知,我们设计的新型补偿器,不仅克服了巴俾涅补偿器仅适用于细光束的不足(可以用于宽光束),而且也克服了巴俾涅补偿器和索累补偿器的共同缺点,即移动方向沿斜面且楔形板不易固定和操作,使得该补偿器不仅容易固定(移动部分为长方体),而且移动方向在平面上,给实验带了很大的方便,将会有广泛的应用。
参考文献:
[1]姚启钧·光学教程[M]·高等教育出版社,1991·344-345.
[2] E赫克特,A赞斯·光学[M]·北京:高等教育出版社,1983·470-479.
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作者简介:王召兵(1972-),男,山东省临沂人,山东曲阜师范大学助教,硕士,主要从事现代光学测试的研究。
