了解波片和延迟器

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波片，也称为相位延迟器，能够传输光并改变其偏振状态，而不会衰减、偏转或位移光束。它们通过延迟（或延缓）偏振的一个分量相对于其正交分量的方式来实现这一点。在非偏振光中，波片相当于光学窗——它们都是平坦的光学元件，光线可以透过。理解波片在偏振光中的作用则更为复杂。为了简化这一过程，可以考虑关键的术语和规格、制造方法、常见类型以及应用示例。

波片术语和规格

双折射 - 波片由双折射材料制成，最常见的是石英晶体。双折射材料对不同方向的偏振光具有略微不同的折射率。因此，它们将入射的非偏振光分离成其平行和正交分量（图1）。

图1：双折射方解石晶体分离非偏振光

快轴和慢轴 - 沿快轴偏振的光会遇到较低的折射率，并且通过波片的速度比沿慢轴偏振的光更快。快轴通常由未安装波片的快轴直径上的小圆或点标示，或者已安装在支架上的波片其支架上的标记标示。

图2：Edmund Optics® 精密零级波片（相位延迟器）显示支架上的白色指示线

延迟 – 延迟描述了沿快轴投影的偏振分量与沿慢轴投影的偏振分量之间的相位差。延迟通常以度、波数或纳米为单位。一个完整的延迟波相当于360°，或者等于其波长的纳米数。延迟公差通常以完整波的度、自然数或小数表示，或纳米表示。典型的延迟规格和公差示例包括：

λ/4 ± λ/300
λ/2 ± 0.003λ
λ/2 ± 1°
430nm ± 2nm

最常见的延迟值是λ/4、λ/2和1λ，但在某些应用中，其他值也可能很有用。例如，棱镜的内反射会在分量之间引起相位偏移，这可能会造成麻烦；补偿波片可以恢复所需的偏振状态。

在下面的图 3 中，显示了相对于原始正弦波的4个延迟值。橙色波延迟了四分之一波长，黄色波延迟了二分之一波长，绿色波延迟了四分之三波长，最后，蓝色波延迟了一个完整波长。四分之一波延迟将正弦波变为余弦波，而一个完整波长的延迟使波与自身重叠。最受欢迎的波片是四分之一波片和二分之一波片，因为它们可以堆叠以实现更多的延迟值。

图3a：电场波的延迟

多级波片 – 在多级波片中，总延迟是所需延迟加上一个整数。多余的整数部分对性能没有影响，就像今天显示正午的时钟看起来和一周后显示正午的时钟一样——尽管时间已经增加，但看起来仍然相同。

虽然多级波片仅由单一双折射材料设计而成，但它们可以相对较厚，这便于处理和系统集成。然而，高厚度使多级波片更容易受到由波长偏移或环境温度变化引起的延迟偏移的影响。

零级波片 – 在零级波片中，产生的总延迟就是所需值，没有多余部分。例如，零级石英波片由两个多级石英波片组成，它们的轴交叉，以便有效延迟就是它们之间的差值。

标准零级波片，也称为复合零级波片，由多个相同双折射材料的波片组成，这些波片被定位成与光轴垂直。多层波片的叠加抵消了单个波片中发生的延迟偏移，提高了对波长偏移和环境温度变化的延迟的稳定性。标准零级波片不改善由不同入射角引起的延迟偏移。

真零级波片，如聚合物波片由单一双折射材料制成，该材料被加工成超薄板，可能只有几微米厚，以在零级时达到特定的延迟水平。尽管波片的很薄的厚度可能使得处理或安装波片更加困难，但真零级波片在波长偏移、环境温度变化以及不同入射角方面的延迟稳定性优于其他波片。

消色差 – 消色差波片由两种不同的材料组成，实际上消除了色差。标准的消色差透镜由两种类型的玻璃制成，这两种玻璃被匹配以实现所需的焦距，同时最小化或消除色差。消色差波片基于相同的基本原理工作。例如，消色差波片由石英晶体和氟化镁制成，以实现跨越宽光谱带的延迟一致性。

超消色差 – 超消色差波片是一种特殊的消色差波片，用于消除更宽波段的色差。许多超消色差波片可以用于可见光谱以及近红外区域，其均匀性接近甚至优于典型的消色差波片。典型的消色差波片由特定厚度的石英晶体和氟化镁制成，而超消色差波片则额外使用了蓝宝石基底，以及石英晶体和氟化镁。这三种基底的厚度是经过策略性考量后确定的，以消除更广波长范围内的色差。

制造与构造

制造

波片是特别具有挑战性的光学元件制造。它们由晶体材料制成，这些材料必须切割，使其轴的方向误差在几弧分内。然后，它们必须抛光至激光级表面才完成制作，达到弧秒级的平行度和<λ/10的波前。没有校正的余地，因为它们的厚度公差是微米的一小部分。为了验证延迟公差，需要经特别训练的光学技术人员使用专门建造的测试设备检测。在镀完抗反射镀膜后，零级和消色差波片被成对匹配，并在其支架内彼此精确对齐。

石英波片适用于需要高损伤阈值和随温度变化具有延迟稳定性的应用，例如用于激光或红外光源。

聚合物波片由夹在两块玻璃板之间的薄聚合物片组成，提供了许多零级设计的优点，包括出色的视场角和比同类石英波片对入射角更低的敏感性。虽然玻璃板增加了耐用性并便于处理，但许多聚合物波片含有粘合层，因此不推荐用于高功率激光或高温应用。

构造

多级波片由单块板组成，可以是未安装的，也可以是边缘安装在铝制支架上。对于精密零级波片和消色差波片，存在两种常见的构造方法。第一种方法使用空气间隙，其中两块板的所有面都有镀膜，安装在间隔物的相对两侧，然后放置在支架内。典型的光束偏转为<0.5弧秒。需要注意的是，在使用带有空气间隙构造的波片时，特别是对于脉冲激光，强烈建议注意功率限制。第二种方法为，用一层透明光学胶将消色差透镜在整个面上粘合在一起。然后，仅在它们的外表面镀有抗反射镀膜。传输波前为<λ/4 在633nm处；光束偏转为<1弧分。

选择合适的波片

多级波片

多级波片由单石英晶体板组成（标称厚度为0.5mm），是三种类型中最便宜的。它们的延迟随温度变化（图4），并且随波长变化显著（图5）。它们是在受控气候环境中使用单色光的良好选择。它们通常在实验室中与激光耦合使用。相比之下，诸如矿物学之类的应用利用了多级波片中固有的色差偏移（延迟随波长变化）。

图4：7.25λ多级波片在632.8nm的延迟与温度的关系

图5：7.25λ多级波片在632.8nm的延迟与波长的关系

传统石英晶体波片的一种替代品是聚合物延迟膜。这种薄膜有几种尺寸和延迟值，价格比晶体波片低数倍。从应用灵活性角度来看，薄膜延迟器优于石英晶体。其薄聚合物设计使得可以轻松将膜切割成所需的形状和尺寸。这些薄膜非常适合用于使用LCD和光纤的应用。聚合物延迟膜也有消色差版本。然而，这种膜具有较低的损伤阈值，不应与激光等高功率光源一起使用。此外，其使用限于可见光谱，因此紫外、近红外或红外应用需要另寻替代品。

零级波片

由于它们的总延迟是多级类型的一小部分，因此零级波片的延迟相对于温度（图6）和波长变化（图7）要稳定得多。在需要更高稳定性或需要更大温度范围的情况下，零级波片是理想的选择。应用示例包括观察拓宽的光谱波长，或使用现场仪器进行测量。

图6：λ/4零级波片在632.8nm的延迟与温度的关系

图7：λ/4零级波片在632.8nm的延迟与波长的关系

消色差波片

由于两种材料的补偿，消色差波片比零级波片更加稳定（图8）。如果情况涵盖几个光谱波长或整个波段（例如从紫色到红色），消色差波片是理想的选择。

图8：610 – 850nm消色差波片的延迟与波长的关系

菲涅尔菱形相位延迟器

菲涅尔菱形相位延迟器利用棱镜结构内特定角度的内部反射，对入射偏振光施加延迟。每次光反射通常使p偏振光分量前进λ/8。由于光从两个表面反射后离开棱镜，单个菱形相位延迟器的总延迟为λ/4。此外，两个菱形相位延迟器可以粘合在一起，以实现λ/2延迟型号。延迟的变化在整个波长范围内在2%以内。这些相位延迟器被优化用于二极管和光纤应用。由于菲涅尔菱形相位延迟器基于全反射原理工作，它们可以用于宽带或消色差用途。

图9：λ/4延迟菲涅尔菱形相位延迟器（左）和λ/2延迟菲涅尔菱形相位延迟器（右）

石英晶体偏振旋转器

石英晶体偏振旋转器是单晶石英，能够旋转入射光的偏振方向，且无需对齐旋转器和光的偏振方向。这是由于石英的光学表现与晶体结构相关所致。石英有两种对映结构体，这意味着SiO₄的晶格可以形成两种不同的结构，这两种结构是彼此的镜像。晶体具有哪种结构将决定光偏振是顺时针还是逆时针方向前进。因为它们将偏振平面旋转特定角度，石英晶体偏振旋转器是半波片的绝佳替代品，并且可以用来沿光轴旋转光的整个偏振，而不仅仅是光的一个分量。入射光的传播方向必须垂直于旋转器。

应用示例

旋转线性偏振

有时需要改变光学系统的现有偏振。例如，激光通常为水平偏振。如果系统要求激光反射出金属表面，那么这可能是个问题，因为反射镜最适合垂直偏振光。解决方案是什么？一个λ/2 波片，其轴取向为45°，将偏振旋转到垂直。

图10：使用λ/2波片将线性偏振从垂直旋转到水平

另一个示例是当需要将偏振轴调整到任何其他方向时。将波片轴从入射偏振旋转θ角，将使出射偏振旋转2θ。由于波片高度平行，插入或旋转λ/2波片可以重新配置整个光学设置，而无需重新对齐。

在线性和圆偏振之间转换

通过以特定方式定位线性偏振器和λ/4波片，可以将线性偏振光转换为圆偏振光，反之亦然。例如，λ/4波片其轴方向与线性偏振成45°时，产生圆偏振。不确定方向的圆偏振光通过λ/4波片产生与波片轴成45°的线性偏振。此外，如果线性偏振光以除45°以外的任何角度进入λ/4波片，它将变成椭圆偏振。

图11：使用λ/4波片将线性偏振圆化

使用线性偏振器的光学隔离

线性偏振器加上λ/4波片创建了一个光学隔离系统，其中由线性偏振器偏振的光通过λ/4波片时没有衰减，但转换为圆偏振。如果从反射镜折反，圆偏振光再次遇到波片并被转换回线性偏振，但旋转了90°（图13）。注意：两次通过λ/4波片等效于一次通过λ/2波片。重新反射的光被线性偏振器隔离。该系统使用双通技术来消除反馈。