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波片的選型和常規(guī)指標(biāo)介紹

來源:聯(lián)合光科技(北京)有限公司   2025年02月27日 17:12  

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。

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??勺鳛檫B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

入射光1/2波片位置出射光
線偏振光快(慢)軸與偏振方向成α角振動(dòng)方向向快(慢)軸轉(zhuǎn)過2α角的線偏振光,如圖1所示
圓偏振光任何位置旋向相反的圓偏振光
橢圓偏振光任何位置旋向相反的橢圓偏振光

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??捎糜诠飧綦x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

入射光1/4波片位置出射光
線偏振光快(慢)軸與偏振方向一致線偏振光
快(慢)軸與偏振方向成π/4角圓偏振光
其他位置橢圓偏振光
圓偏振光任何位置線偏振光
橢圓偏振光快(慢)軸與橢圓主軸一致線偏振光
其他位置橢圓偏振光

 



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


真零級(jí)波片多級(jí)波片膠合零級(jí)波片
厚度

一個(gè)所需延遲量厚度

在十幾至幾十um

多個(gè)全波厚度+一個(gè)所需延遲量厚度兩個(gè)多級(jí)波片膠合在一起
優(yōu)點(diǎn)

延遲精度高

接受有效角度大

溫度穩(wěn)定性好

易加工溫度穩(wěn)定性好
缺點(diǎn)厚度薄,制造使用困難波片延遲量對(duì)波長、溫度、入射角都很敏感波片延遲量對(duì)波長、入射角敏感
材料云母、聚合物材料石英石英

 



波片選型

波片種類很多,不同應(yīng)用場(chǎng)景需要根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的目的選擇不同種類的波片。聯(lián)合光科可提供由石英晶體制成的延遲量為1/2λ及1/4λ的膠合零級(jí)波片和多級(jí)波片。



零級(jí)1/2波片

零級(jí)1/4波片

多級(jí)1/2波片

多級(jí)1/4波片

 

選擇合適的波片,可參考以下步驟:

  1.  確定相位延遲大小,選擇1/2波片or 1/4波片?相位延遲和偏振態(tài)的關(guān)系可參考表1、表2。

  2.  確定波片的類型,根據(jù)波片對(duì)溫度、波長、入射角的敏感度要求,來選擇選用多級(jí)波片or 膠合零級(jí)波片?可參照表3。相對(duì)膠合零級(jí)波片來說,多級(jí)波片價(jià)格相對(duì)便宜。

  3.  較后,確定所需的波長和尺寸。聯(lián)合光科提供了 適用于 355nm -1550nm波段,φ12.7mm、φ25.4mm兩種直徑大小的波片。


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