双折射

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定义:双折射现象或者介质折射率与偏振有关

文献中,双折射通常包含两种不同的含义。经典光学中,就是下面所说的双折射(double refraction)。而在非线性光学激光器技术中,双折射则是一些非各向同性透明介质的折射率依赖于偏振方向(即电场方向)的性质。后者的性质时非偏振光束入射到该材料上时产生双折射。


折射率依赖于偏振态的结果

折射率依赖于偏振态会产生下面的一些效应:

  • 当光束在双折射晶体表面发生折射是,折射角与偏振方向有关。这样非偏振光束在非垂直入射到材料中的情况下分为两个线性偏振的光(双折射)。当非偏振光射向一个物体,如果采用双折射晶体看该物体,会出现两个像。
  • 当线偏振激光光束在双折射晶体中传输时,如果偏振方向与双折射轴不重合,这时会包含两个方向具有不同波数的偏振部分。因此,在传输过程中,由于两偏振分量之间存在相对相位变化,于是偏振状态发生变化。这一效应可应用于双折射调谐器中,因为它是与波长相关的(尽管折射率差与波长无关)。该效应通过自相位调制和交叉相位调制而与功率相关(参阅非线性偏振态旋转),有时用于光纤激光器中的被动锁模
  • 类似的,激光光束在存在热效应诱导的双折射效应的激光器晶体中传输时,偏振态也发生变化。这一变化与位置有关,因为双折射轴方向是变化的(例如,通常是轴向变化)。这一变化(与激光器谐振腔中的偏振光元件结合)是去极化损耗的来源。
  • 非线性晶体材料的双折射可以实现非线性作用时的双折射相位匹配


双折射举例

激光器技术和非线性光学中,双折射现象通常发生在非各向同性晶体中:

即使是各向同性介质,也会由于存在不均匀的机械应力而产生双折射。这可以在两个交叉偏振器间放置一块有机玻璃观察:当施加应力到有机玻璃上,可以看到由于应力诱导的与波长相关的双折射效应而产生的彩色图像。弯曲光纤中也存在类似的效应,由于激光器晶体中的热效应,会产生去极化损耗

光纤只有很小的随机双折射,即使这样其中的光传输一段距离后偏振状态也会发生变化。存在保偏光纤,是利用了很强的双折射来抑制这些效应。


定量描述双折射

可以采用下列方法定量描述双折射的大小:

  • 对于晶体,可以考虑量偏振方向的折射率差值。
  • 光纤和其它波导中,采用有效折射率差值描述更好。这与传播常数虚部的差值直接相关。
  • 还可以用偏振拍长来表征,是2π 除以传播常数的差值。如果波导中同时存在不同偏振状态的波,经过整数倍的偏振拍长,它们的相位关系不变的。
参考文献

[1] R. Ulrich et al., “Bending-induced birefringence in single-mode fibers”, Opt. Lett. 5 (6), 273 (1980)


[2] S. J. Garth, “Birefringence in bent single-mode fibers”, J. Lightwave Technol. 6, 445 (1988)

参阅:折射偏振拍长双折射调谐器双折射相位匹配保偏光纤激光辐射的偏振态空间游走光纤偏振控制器Lyot滤波器