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光调制器基础-光的双折射-光通信

巴塞林那斯——双折射现象发现者
光调制器基础——光的双折射(图1)
图    巴塞林那斯
       丹麦物理学家(E Bartholinus,1625—1698年)出版了一本关于晶体的小册子,首次观察到,当一束光通过方解石晶体时,会分解成两束光,一束光遵守斯奈尔折射定律,而另一束光却表现为异常(e)光线,即使光束垂直入射晶体的解理面,在晶体内部,e光束也以偏离正常的(o)光线而折射。这种想象就是双折射现象。当巴塞林那斯旋转该晶体时,o光束保持不动,而e光束也随着晶体的旋转而旋转。巴塞林那斯的发现是晶体学和光学的一个里程碑,从而引起科学家们对材料的各向异性特性的研究和开发利用。
光调制器基础——光的双折射(图2)
       我们知道当光从空气进入水或玻璃时,就产生折射。但是,当偏振光进入某些晶体时,却会发现折射光线不只一条,而是两条。这种现象称为双折射,如图2.3.13所示。下面就来说明为什么会产生双折射。
1. 各向同性材料和各向异性材料
       晶体的一个重要特征是它的许多特性与晶体的方向有关。因为折射率n=εr,介电质常数εr与电子极化有关,电子极化又与晶体方向有关,所以晶体的折射率与传输光的电场方向有关。大部分非晶体材料,例如玻璃和所有的立方晶体是光学各向同性材料,即在每个方向具有相同的折射率。所有其他晶体,如方解石(CaCO3)和LiNbO3,它们的折射率都与传输方向和偏振态有关,这种材料叫作各向异性晶体,如图2.3.15所示。1669年,丹麦物理学家巴塞林那斯(EBartholinus)首次观察到双折射(DoubleRefraCTIon)现象,如图2.3.13所示,但是他无法解释这一现象。
光调制器基础——光的双折射(图3)
图2.3.13一束偏振光入射到方解石晶体上变成两束偏振光
       可用三种折射率指数n1、n2和n3来描述光在各向异性晶体内的传输,n1、n2和n3分别表示互相垂直的三个轴x、y和z方向上的折射率。这种晶体具有两个光学轴,所以也称为双轴晶体。当n1=n2时,晶体只有一个光轴,称这种晶体为单轴晶体。在单轴晶体中,n3>n1的晶体(如石英)是正单轴晶体,n3<n1的晶体(如方解石和LiNbO3)称为负单轴晶体。
光调制器基础——光的双折射(图4)
图2.3.15各向同性晶体和各向异性晶体
a)各向同性晶体b)各向异性晶体
       由于实际光纤的纤芯折射率并不是各向同性,即n1x≠n1y,所以单模光纤也存在双折射现象,引起偏振模色散(Polarization ModeDispersion,PMD)。