波片原理

波片也稱為相位延遲片，是一種常見的偏光器件，也是較基本的光相位調(diào)制器。其工作原理是基于晶體的雙折射現(xiàn)象，以單軸晶體為例，入射光在波片中分解成沿原方向傳播但振動(dòng)方向相互垂直的o光和e光，兩光折射率不同，使得沿波片兩軸傳播的光速也不同。波片快軸方向的折射率較低，光速更快，而慢軸的折射率更高，光速較慢。需要指出的是，對(duì)于負(fù)晶體，e光比o光速度快，因此快軸在e光光矢量方向，即光軸方向，o光光矢量方向?yàn)槁S；正晶體恰好相反。當(dāng)光通過波片時(shí)，速度差將使兩個(gè)正交偏振分量之間產(chǎn)生相位差，從而改變光偏振態(tài)。實(shí)際產(chǎn)生的相位差（相位延遲量）是由材料特性、波片厚度和入射光波長(zhǎng)決定的，可以描述為：

其中no、ne為相互垂直的o光和e光的折射率，d為波片厚度，λ為入射光波長(zhǎng)。

入射光通過不同類別參數(shù)波片時(shí)的出射光不同，可有線偏振光、橢圓偏振光、圓形偏振光等，出射光的偏振態(tài)由入射光的偏振態(tài)、和光軸的夾角以及通過波片后產(chǎn)生的相位差共同決定。波片同其他偏光器件，如偏振片、偏光棱鏡、偏光分束鏡、退偏器等相配合，可以實(shí)現(xiàn)光的各種偏振態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換、偏振面的旋轉(zhuǎn)以及各類光波的調(diào)制。

波片分類

波片是透明晶體制成的平行平面薄片，其光軸與表面平行，根據(jù)波片產(chǎn)生的相位延遲量不同，波片分為全波片、半波片（或1/2波片）、1/4波片，后兩者較為常見。

（一）全波片

全波片產(chǎn)生2π整數(shù)倍的相位延遲，故不改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)。全波片一般用于應(yīng)力儀中，以增大應(yīng)力引起的光程差值，使干涉色隨應(yīng)力變化變得靈敏。

（二）1/2波片

1/2波片產(chǎn)生π奇數(shù)倍的相位延遲，各種偏振光經(jīng)過1/2波片后偏振態(tài)變化情況如表1所示。可作為連續(xù)調(diào)整的偏振旋轉(zhuǎn)器。另外，1/2波片和偏振分束器配合使用，可用作可變比例的分束器。

表1各種偏振光經(jīng)過1/2波片后偏振態(tài)的變化表

圖1 入射線偏振光經(jīng)半波片后光矢量的方位

  (三）1/4波片

1/4波片產(chǎn)生π/2奇數(shù)倍的相位延遲，各種偏振光經(jīng)過1/4波片后偏振態(tài)變化情況如表2所示。可用于光隔離器、光學(xué)泵浦和電光調(diào)制器。

表2各種偏振光經(jīng)過1/4波片后偏振態(tài)的變化表

按波片結(jié)構(gòu)來分，有多級(jí)波片（multiple-order waveplate），膠合零級(jí)波片或稱復(fù)合波片（compound zero-order waveplate）及真零級(jí)波片（true zero-order waveplate）。

真零級(jí)波片，只有一個(gè)所需延遲量厚度，因此厚度很薄，大概在十幾至幾十um。

多級(jí)波片，多個(gè)全波厚度加一個(gè)所需延遲量厚度。

膠合零級(jí)波片，將兩個(gè)多級(jí)波片膠合在一起，通過將一個(gè)波片的快軸和另一個(gè)波片的慢軸對(duì)準(zhǔn)用于消除全波光程差，而把所需要的光程差留下。

按材料來分，常見的有各種晶體波片、聚合物波片、液晶波片。常用的晶體包括云母、方解石、石英等。

表3不同波片特征對(duì)比表