了解波片和延迟片

波片，也称为延迟片，可以透射光并改变其偏振态，而不会衰减，偏离或移动光束。 它们通过相对于其正交分量延迟（或延迟）偏振的一个分量来做到这一点。 在非偏振光中，波片等效于窗口-它们都是光通过的平面光学组件。

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。 对于在不同方向上偏振的光，双折射材料的折射率略有不同。 这样，它们将入射的非偏振光分成平行和正交的分量（图1）。

图1：双折射方解石晶体分离非偏振光

快轴和慢轴-沿快轴偏振的光与沿慢轴偏振的光相比，折射率较低，并且通过波片传播的速度更快。 快速轴由未安装的波片的快速轴直径上的小平点或圆点或已安装的波片的单元安装座上的标记指示。

图2：EdmundOptics®精密零级波片（延迟片），在电池座上显示白色指示线

延迟片-描述了沿快轴投影的偏振分量和沿慢轴投影的偏振分量之间的相移。 延迟以度，波或纳米为单位指定。 一波完整的延迟波等于360°或感兴趣波长处的纳米数。 延迟公差通常以度，全波的自然或小数分数或纳米表示。 典型的延迟规格和公差示例如下：

Øλ/4 ± λ/300

Øλ/2 ± 0.003λ

Øλ/2 ± 1°

Ø430nm ± 2nm

****的延迟值是λ/ 4，λ/ 2和1λ，但其他值在某些应用中可能会有用。 例如，来自棱镜的内部反射会导致组件之间的相移，这可能会很麻烦。 补偿波片可以恢复所需的偏振。

在下面的图3中，显示了相对于原始正弦波的4个延迟值。 橙色的波被延迟了四分之一波，黄色的被延迟了一半，绿色被延迟了四分之三，最后，蓝色被延迟了整波。 四分之一波的延迟将正弦波变为余弦波，而全波延迟则使该波自行消逝。 ****的波片是四分之一波片和半波片，因为它们可以堆叠以获得其他延迟值。

图3a：电场波的延迟

多级–在多级波片中，总延迟是所需的延迟加一个整数。 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与一周后显示正午的时钟一样–尽管已添加了时间，但看起来仍然相同。

尽管多级波片仅用一种双折射材料设计，但它们可能相对较厚，从而简化了处理和系统集成。 但是，高厚度使得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–在零级波片中，总延迟是所需的值，不会过多。 例如，零级石英波片由两个轴交叉的多级石英波片组成，因此有效延迟是它们之间的差。

标准零级波片，也称为复合零级波片，由相同双折射材料的多个波片组成，这些波片被放置为垂直于光轴。 层叠多个波片可平衡出现在各个波片中的延迟偏移，从而提高了对波长偏移和环境温度变化的延迟稳定性。 标准零级波片不能改善由不同入射角引起的延迟偏移。

真正的零级波片，例如聚合物波片，由一种双折射材料组成，该材料已加工成可能只有几微米厚的超薄板，以便在零级时达到特定的延迟水平。 尽管板的薄度可能使波片的处理或安装更加困难，但真正的零级波片与其他波片相比，对波长偏移，环境温度变化和不同的入射角具有出色的延迟稳定性。

消色差–消色差波片由两种不同的材料组成，它们实际上消除了色散。 标准消色差透镜由两种类型的玻璃制成，它们匹配以实现所需的焦距，同时最小化或消除色差。 消色差波片的基本原理相同。 例如，消色差波片由石英晶体和氟化镁制成，可在宽光谱带上实现几乎恒定的延迟。

超级消色差波片-超级消色差波片是一种特殊类型的消色差波片，用于消除更宽波段的色散。 许多超消色差波片可用于可见光谱以及NIR区域，并且具有比典型消色差波片接近甚至均匀的均匀性。 在典型的消色差波片由特定厚度的石英和氟化镁制成的情况下，超消色差波片使用额外的蓝宝石基材以及石英和氟化镁。 从战略上确定所有三个基材的厚度，以消除较长波长范围内的色散。

制造与构造

制造

波片是制造光学元件特别具有挑战性的部分。 它们由晶体材料制成，必须将其轴定向在几分钟之内进行切割。 然后，必须将其抛光至激光质量的光洁度，弧秒平行度和<λ/ 10的波前。 没有校正空间，因为它们的厚度公差仅为一微米的一小部分。 为了验证延迟公差，受过专门培训的光学技术人员使用了专用的测试装置。 进行抗反射镀膜后，零级和消色差波片成对匹配，并在其单元安装座内彼此精确对准。

石英波片非常适合要求高损伤阈值和温度变化下的延迟稳定性的应用，例如与激光或红外光源一起使用。

聚合物波片由层压在两个玻璃板之间的薄聚合物片组成，与同类石英波片相比，它具有零级设计的许多优点，包括出色的视角范围和对入射角的较低灵敏度。 尽管玻璃板增加了耐用性并易于处理，但许多聚合物波片都包含粘合剂层，因此不建议用于高功率激光或高温应用。

构造

多级波片由未安装或边缘安装到铝电池的单个板组成。 精密零级波片和消色差波片存在两种常见的构造方法。 **种方法利用气隙，在该气隙中，将覆盖所有面的两块板安装在隔离物的相对侧，然后放置在单元中。 典型的光束偏差小于0.5弧秒。 重要的是要注意，当使用带有气隙的波片时，强烈建议进行功率处理，特别是对于脉冲激光器。 第二种方法是将消色差透镜与整个光学透镜的透明胶粘剂层粘合在一起。 然后，仅在其外表面上涂覆抗反射涂层。 透射波前在633nm处<λ/ 4; 光束偏差小于1弧分。

选择合适的波片

多级波片

由单片石英晶体（厚度为0.5mm）组成，多级波片是这三种类型中***的。 它们的延迟随温度变化（图4），而随波长变化（图5）。 它们是在气候受控环境中与单色光一起使用的理想选择。 它们通常在实验室中与激光耦合。 相反，诸如矿物学的应用则利用了多级波片固有的色移（延迟与波长变化）。

图4：波长为632.8nm的7.25λ多级波片的延迟与温度的关系

图5：波长为632.8nm的7.25λ多级波片的延迟与波长的关系

常规晶体石英波片的另一种选择是聚合物延迟膜。 该膜具有几种尺寸和延迟，并且价格仅为晶体波片价格的一小部分。 薄膜延迟片在柔韧性方面优于石英晶体。 其薄的聚合物设计使薄膜易于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。 聚合物延迟片也有消色差版本。 但是，该膜的损伤阈值低，不应与激光等高功率光源一起使用。 此外，它的使用**于可见光谱，因此UV，NIR或IR应用将需要替代方法。

零级波片

由于它们的总延迟仅占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）更加恒定。 在需要更高稳定性或需要更大温度漂移的情况下，零级波片是理想的选择。 应用示例包括观察更宽的光谱波长，或使用本领域使用的仪器进行测量。

图6：λ/ 4零级波片在632.8nm时的延迟与温度关系

图7：λ/ 4零级波片在632.8nm时的延迟与波长的关系

消色差波片

由于两种材料的补偿，消色差波片甚至比零级波片要稳定得多（图8）。 如果情况涉及多个光谱波长或整个波段（例如，从紫色到红色），则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

菲涅尔菱形延迟片

菲涅耳菱形延迟片利用棱镜结构内特定角度的内部反射来对入射的偏振光施加延迟。 光的每次反射通常会使p偏振光分量前进λ/ 8。 当光从具有两个表面反射的棱镜射出时，通过单个菱形延迟片的总延迟为λ/ 4。 另外，可以将两个菱形延迟片胶合在一起，以实现λ/ 2延迟版本。 在整个波长范围内，延迟的变化在2％以内。 这些延迟片经过优化，可用于二极管和光纤应用。 由于菲涅耳菱形延迟片基于全内反射起作用，因此它们可用于宽带或消色差用途。

图9：λ/ 4阻燃菲涅耳菱形延迟片（左）和λ/ 2阻燃菲涅耳菱形延迟片（右）

石英晶体偏振旋转器

石英晶体偏振旋转器是石英的单晶，可旋转入射光的偏振，而与旋转器和光的偏振之间的对准无关。 这是由于与晶体结构相关的石英的光学活性。 石英具有两个对映体，这意味着SiO4的晶格可以形成两个互为镜像的不同结构。 晶体具有的任何结构都将确定光偏振是沿顺时针方向还是逆时针方向前进。 因为它们将偏振平面旋转特定角度，所以晶体石英偏振旋转器是波片的绝佳替代品，可用于沿光轴旋转光的整个偏振，而不仅仅是光的奇异分量。 入射光的传播方向必须垂直于旋转器。

图10：晶体石英偏振旋转器显示将入射偏振旋转90°

应用实例

旋转线性偏振

有时有必要更改光学系统的现有偏振。 例如，激光器通常是水平偏振的。 如果系统要求激光从金属表面反射，那么这可能是个问题，因为镜子在垂直偏振光下效果很好。 解决办法是什么？ 轴方向为45°的λ/ 2波片会将偏振旋转到垂直方向。

图11：使用λ/ 2波片将线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。 将波片轴旋转到与入射偏振角成θ的角度，可使出射偏振旋转2θ。 由于波片高度平行，因此插入或旋转λ/ 2波片可以重新配置整个光学装置，而无需重新对准。

线性和圆偏振之间的转换

通过以某种方式定向线性偏振片和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波片的轴与线性偏振方向成45°方向，则产生圆偏振。 方向不确定的圆偏振光通过λ/ 4波片后会产生与波片轴成45°的线性偏振。 另外，如果线偏振光以45°以外的任何角度进入λ/ 4波片，它会变成椭圆偏振。

图12：使用λ/ 4波片使线性偏振圆化

线性偏振片的光隔离

线性偏振片加上一个λ/ 4波片会创建一个光隔离系统，其中由线性偏振片偏振的光会通过λ/ 4波片而不会衰减，但会转换为圆偏振。 如果从镜片反射，则圆偏振光再次遇到波片，并返回到线性偏振状态，但旋转了90°（图13）。 注意：λ/ 4的两次通过等效于λ/ 2的一次通过。 重新定向的光被线性偏振片阻挡。 该系统使用两次通过技术来消除反馈。

图13：使用λ/ 2波片旋转线性偏振

分束器的光学隔离：高效布线

在图13的光隔离应用示例中，可以使用偏振分束器代替线性偏振片，这会将返回的光重新定向到不衰减的备用路径中。 相比之下，两次通过非偏振分束器只会将理论**值的25％返回所需的路径，将25％的理论**值返回至另一路径。

波片是控制和分析光的偏振态的理想选择。 它们提供三种主要类型-零级，多级和消色差-每种都有不同的优势，具体取决于手头的应用。 无论光学系统多么简单或复杂，对关键术语和制造方法的深入了解都有助于选择正确的波片。