尼科耳稜鏡
尼科耳稜鏡的製作方法如右圖(a)所示。取一塊長度約為寬度3倍的優質方解石晶體,將兩端面磨去一部分,使平行四邊形AECF中的71°角減小到68°,變為A'EC'F,然後將晶體沿著垂直於A' EC' F 及兩端面的平面A'BC'D 切開,把切開的面磨成光學平面,再用加拿大樹膠膠合起來,並將周圍塗黑,就成了尼科耳稜鏡。
尼科耳稜鏡的光軸方向xx′在平面A'EC'F 內,斷面(即膠合面)垂直於這個平面,A'C'是它們的交線。光軸位於圖面內,和入射端面A'E 所成的角為48°。
加拿大樹膠是一種各向同性的物質,它的折射率n比尋常光的折射率小,但比非常光的折射率大。例如對於 λ=589.3mm的鈉黃光來說,方解石晶體n=1.6584,n=1.4864;加拿大樹膠n=1.53。因此,o光和e光在膠合層反射的情況是不同的。對於o光來說,它是由光密介質(方解石)到光疏介質(膠層),在這個條件下有可能發生全反射。發生全反射的臨界角為θ=sin(n/n)=sin(1.53/1.6584)≈68 °。當自然光沿稜鏡的長邊方向入射時,入射角為22°,o光的折射角約為13°,因此,在膠層的入射角約為77°,比臨界角大,就發生全反射,被稜鏡壁吸收。對於e光,它是由光疏介質到光密介質,因此,不發生全反射,可以透過膠層從稜鏡的另一端射出。顯然,所透射出的偏振光的光矢量與入射面平行。
尼科耳稜鏡的孔徑角約為±14°。如上圖(b)所示,當入射光在 S側的孔徑角超過 14°時,o光在膠層上的入射角就小於臨界角,不發生全反射;當入射光在S側的孔徑角超過14°時,由於e光的折射率增大而與o光同時發生全反射,結果沒有光從稜鏡中射出。因此,尼科耳稜鏡不適用於高度會聚或發散的光束。
格蘭稜鏡
尼科耳稜鏡的出射光束與入射光束不在一條直線上,這在儀器中會帶來不便。格蘭稜鏡是為了改進尼科耳稜鏡的這個缺點而設計的。
右圖是格蘭稜鏡的斷面圖,它也用方解石製成,不同之處在於端面與底面垂直,光軸既平行於端面也平行於斜面,亦即與圖面垂直。當光垂直於端面入射時,o 光和 e 光均不發生偏折,它們在斜面的入射角就等於稜鏡斜面與直角面的夾角θ。選擇θ使得對於o光來說,入射角大於臨界角,發生全反射而被稜鏡壁的塗層吸收;對於e光來說,入射角小於臨界角能夠透過,從而射出一束線偏振光。
組成格蘭稜鏡的兩塊直角稜鏡之間可以用加拿大樹膠膠合,這時θ角約為 76.5°,孔徑角約為±13°。用加拿大樹膠膠合有兩個缺點:一是對紫外光吸收很厲害,二是膠合層容易被大功率的雷射束所破壞。在這兩種情況下往往用聚四氟乙烯薄膜作為兩塊稜鏡斜面的墊圈,一方面可以產生空氣層,另一方面也具有使斜面微調平行的作用。這時θ角約為38.5°,孔徑角約為±7.5°。
當一束雷射從稜鏡通過,除了產生偏振外,出射光束與入射光束還會有微量平移。由右圖可以求出出射光束相對入射光束的平移距離。在ΔABO中, ,在ΔACO中, ,所以,平移距離為
式中,H為空氣隙的厚度,θ為入射角,θ為e光的折射角,只要H比較薄,平移距離是很小的,可以認為光束沿原路徑傳播。
沃拉斯頓稜鏡
沃拉斯頓稜鏡能產生兩束互相分開的、光矢量互相垂直的線偏振光。如右圖所示,它是由兩塊直角方解石稜鏡膠合而成。這兩個稜鏡的光軸互相垂直,又都平行於各自的表面。
當一束很細的自然光垂直入射到AB面上時由第一塊稜鏡產生的o光和e光不分開,但以不同的速度前進。由於第二塊稜鏡的光軸相對於第一塊稜鏡轉過了90°,因此在界面AC處,o光和e光發生了轉化。在第一塊稜鏡中的o光,在第二塊稜鏡中卻成了e光。由於方解石的n>n,這樣o光通過界面時是從光密介質進入光疏介質,因此將遠離界面法線傳播;而e光通過界面時是從光疏介質進入光密介質,因此將靠近界面法線傳播,結果兩束光在第二塊稜鏡中分開。這樣經過CD面再次折射由沃拉斯頓稜鏡射出的是兩束按一定角度分開,光矢量互相垂直的線偏振光。不難證明,當稜鏡頂角θ不很大時,兩支光差不多對稱地分開,它們之間的夾角為 。
其他偏振稜鏡
除了上述的幾種稜鏡外,人們還根據實際的需要,設計出其他偏振稜鏡,如右圖所示。圖(a)被稱為洛匈(Rochon)稜鏡;圖 (b)被稱為塞納蒙特(Se’narmont)稜鏡;圖(c)被稱為福斯特(Foster)稜鏡;圖(d)被稱為格蘭-湯姆遜(Glan-Thomson)稜鏡。
洛匈稜鏡o光和e光的分離角約為10°;塞納蒙特稜鏡o光和e光的分離角略小於洛匈稜鏡;福斯特稜鏡可以使o光和e光從兩個垂直面輸出;格蘭-湯姆遜稜鏡o光和e光雖然不是以90°分開,但分離角也很大,而且o光的損耗比福斯特稜鏡小很多。