[科普中国]-偏振棱镜

尼科耳棱镜

尼科耳棱镜的制作方法如右图（a）所示。取一块长度约为宽度3倍的优质方解石晶体，将两端面磨去一部分，使平行四边形AECF中的71°角减小到68°，变为A'EC'F，然后将晶体沿着垂直于A' EC' F 及两端面的平面A'BC'D 切开，把切开的面磨成光学平面，再用加拿大树胶胶合起来，并将周围涂黑，就成了尼科耳棱镜。

尼科耳棱镜的光轴方向xx′在平面A'EC'F 内，断面(即胶合面)垂直于这个平面，A'C'是它们的交线。光轴位于图面内，和入射端面A'E 所成的角为48°。

加拿大树胶是一种各向同性的物质，它的折射率n比寻常光的折射率小，但比非常光的折射率大。例如对于 λ=589.3mm的钠黄光来说，方解石晶体no=1.6584，ne=1.4864；加拿大树胶n=1.53。因此，o光和e光在胶合层反射的情况是不同的。对于o光来说，它是由光密介质(方解石)到光疏介质(胶层)，在这个条件下有可能发生全反射。发生全反射的临界角为θc=sin-1(n/no)=sin-1(1.53/1.6584)≈68 °。当自然光沿棱镜的长边方向入射时，入射角为22°，o光的折射角约为13°，因此，在胶层的入射角约为77°，比临界角大，就发生全反射，被棱镜壁吸收。对于e光，它是由光疏介质到光密介质，因此，不发生全反射，可以透过胶层从棱镜的另一端射出。显然，所透射出的偏振光的光矢量与入射面平行。

尼科耳棱镜的孔径角约为±14°。如上图（b）所示，当入射光在 S1侧的孔径角超过 14°时，o光在胶层上的入射角就小于临界角，不发生全反射；当入射光在S2侧的孔径角超过14°时，由于e光的折射率增大而与o光同时发生全反射，结果没有光从棱镜中射出。因此，尼科耳棱镜不适用于高度会聚或发散的光束。1

格兰棱镜尼科耳棱镜的出射光束与入射光束不在一条直线上，这在仪器中会带来不便。格兰棱镜是为了改进尼科耳棱镜的这个缺点而设计的。

右图是格兰棱镜的断面图，它也用方解石制成，不同之处在于端面与底面垂直，光轴既平行于端面也平行于斜面，亦即与图面垂直。当光垂直于端面入射时，o 光和 e 光均不发生偏折，它们在斜面的入射角就等于棱镜斜面与直角面的夹角θ。选择θ使得对于o光来说，入射角大于临界角，发生全反射而被棱镜壁的涂层吸收；对于e光来说，入射角小于临界角能够透过，从而射出一束线偏振光。

组成格兰棱镜的两块直角棱镜之间可以用加拿大树胶胶合，这时θ角约为 76.5°，孔径角约为±13°。用加拿大树胶胶合有两个缺点：一是对紫外光吸收很厉害，二是胶合层容易被大功率的激光束所破坏。在这两种情况下往往用聚四氟乙烯薄膜作为两块棱镜斜面的垫圈，一方面可以产生空气层，另一方面也具有使斜面微调平行的作用。这时θ角约为38.5°，孔径角约为±7.5°。

当一束激光从棱镜通过，除了产生偏振外，出射光束与入射光束还会有微量平移。由右图可以求出出射光束相对入射光束的平移距离。在ΔABO中，，在ΔACO中，，所以，平移距离为

式中，H为空气隙的厚度，θi为入射角，θe为e光的折射角，只要H比较薄，平移距离是很小的，可以认为光束沿原路径传播。

沃拉斯顿棱镜沃拉斯顿棱镜能产生两束互相分开的、光矢量互相垂直的线偏振光。如右图所示，它是由两块直角方解石棱镜胶合而成。这两个棱镜的光轴互相垂直，又都平行于各自的表面。

当一束很细的自然光垂直入射到AB面上时由第一块棱镜产生的o光和e光不分开，但以不同的速度前进。由于第二块棱镜的光轴相对于第一块棱镜转过了90°，因此在界面AC处，o光和e光发生了转化。在第一块棱镜中的o光，在第二块棱镜中却成了e光。由于方解石的no>ne，这样o光通过界面时是从光密介质进入光疏介质，因此将远离界面法线传播；而e光通过界面时是从光疏介质进入光密介质，因此将靠近界面法线传播，结果两束光在第二块棱镜中分开。这样经过CD面再次折射由沃拉斯顿棱镜射出的是两束按一定角度分开，光矢量互相垂直的线偏振光。不难证明，当棱镜顶角θ不很大时，两支光差不多对称地分开，它们之间的夹角为。2

其他偏振棱镜除了上述的几种棱镜外，人们还根据实际的需要，设计出其他偏振棱镜，如右图所示。图(a)被称为洛匈(Rochon)棱镜；图 (b)被称为塞纳蒙特(Se’narmont)棱镜；图(c)被称为福斯特(Foster)棱镜；图(d)被称为格兰-汤姆逊(Glan-Thomson)棱镜。

洛匈棱镜o光和e光的分离角约为10°；塞纳蒙特棱镜o光和e光的分离角略小于洛匈棱镜；福斯特棱镜可以使o光和e光从两个垂直面输出；格兰-汤姆逊棱镜o光和e光虽然不是以90°分开，但分离角也很大，而且o光的损耗比福斯特棱镜小很多。