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第6章 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
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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
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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。
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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，波法线与光轴成夹角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）。
n2?nonensin??ncos?2o22e2 （6.1）
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2?notan????1?n2e??tan?? （6.2） 2??1?notan2?ne2在正单轴晶体中，no
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
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第六章 晶体光学器件
