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波片的选型和常规指标介绍

波片的选型和常规指标介绍

波片原理

波片也称为相位延迟片,是一种常见的偏光器件,也是最基本的光相位调制器。其工作原理是基于晶体的双折射现象,以单轴晶体为例,入射光在波片中分解成沿原方向传播但振动方向相互垂直的o光和e光,两光折射率不同,使得沿波片两轴传播的光速也不同。波片快轴方向的折射率较低,光速更快,而慢轴的折射率更高,光速较慢。需要指出的是,对于负晶体,e光比o光速度快,因此快轴在e光光矢量方向,即光轴方向,o光光矢量方向为慢轴;正晶体恰好相反。当光通过波片时,速度差将使两个正交偏振分量之间产生相位差,从而改变光偏振态。实际产生的相位差(相位延迟量)是由材料特性、波片厚度和入射光波长决定的,可以描述为:

其中no、ne为相互垂直的o光和e光的折射率,d为波片厚度,λ为入射光波长。

入射光通过不同类别参数波片时的出射光不同,可有线偏振光、椭圆偏振光、圆形偏振光等,出射光的偏振态由入射光的偏振态、和光轴的夹角以及通过波片后产生的相位差共同决定。波片同其他偏光器件,如偏振片、偏光棱镜、偏光分束镜、退偏器等相配合,可以实现光的各种偏振态之间的相互转换、偏振面的旋转以及各类光波的调制。

波片分类

波片是透明晶体制成的平行平面薄片,其光轴与表面平行,根据波片产生的相位延迟量不同,波片分为全波片、半波片(或1/2波片)、1/4波片,后两者最为常见。

(一)全波片

全波片产生2π整数倍的相位延迟,故不改变入射光的偏振态。全波片一般用于应力仪中,以增大应力引起的光程差值,使干涉色随应力变化变得灵敏。

(二)1/2波片

1/2波片产生π奇数倍的相位延迟,各种偏振光经过1/2波片后偏振态变化情况如表1所示。可作为连续调整的偏振旋转器。另外,1/2波片和偏振分束器配合使用,可用作可变比例的分束器。

表1各种偏振光经过1/2波片后偏振态的变化表

入射光 1/2波片位置 出射光
线偏振光 快(慢)轴与偏振方向成α角 振动方向向快(慢)轴转过2α角的线偏振光,如图1所示
圆偏振光 任何位置 旋向相反的圆偏振光
椭圆偏振光 任何位置 旋向相反的椭圆偏振光

图1 入射线偏振光经半波片后光矢量的方位

  (三)1/4波片

1/4波片产生π/2奇数倍的相位延迟,各种偏振光经过1/4波片后偏振态变化情况如表2所示。可用于光隔离器、光学泵浦和电光调制器。

表2各种偏振光经过1/4波片后偏振态的变化表

入射光 1/4波片位置 出射光
线偏振光 快(慢)轴与偏振方向一致 线偏振光
快(慢)轴与偏振方向成π/4 圆偏振光
其他位置 椭圆偏振光
圆偏振光 任何位置 线偏振光
椭圆偏振光 快(慢)轴与椭圆主轴一致 线偏振光
其他位置 椭圆偏振光

按波片结构来分,有多级波片(multiple-order waveplate),胶合零级波片或称复合波片(compound zero-order waveplate)及真零级波片(true zero-order waveplate)。

真零级波片,只有一个所需延迟量厚度,因此厚度很薄,大概在十几至几十um。

多级波片,多个全波厚度加一个所需延迟量厚度。

胶合零级波片,将两个多级波片胶合在一起,通过将一个波片的快轴和另一个波片的慢轴对准用于消除全波光程差,而把所需要的光程差留下。

按材料来分,常见的有各种晶体波片、聚合物波片、液晶波片。常用的晶体包括云母、方解石、石英等。

表3不同波片特征对比表

真零级波片 多级波片 胶合零级波片
厚度

一个所需延迟量厚度

在十几至几十um

多个全波厚度+一个所需延迟量厚度 两个多级波片胶合在一起
优点

延迟精度高

接受有效角度大

温度稳定性好

易加工 温度稳定性好
缺点 厚度薄,制造使用困难 波片延迟量对波长、温度、入射角都很敏感 波片延迟量对波长、入射角敏感
材料 云母、聚合物材料 石英 石英

波片选型

波片种类很多,不同应用场景需要根据要实现的目的选择不同种类的波片。联合光科可提供由石英晶体制成的延迟量为1/2λ及1/4λ的胶合零级波片和多级波片。

零级1/2波片

零级1/4波片

多级1/2波片

多级1/4波片

选择合适的波片,可参考以下步骤:

  1.  确定相位延迟大小,选择1/2波片or 1/4波片?相位延迟和偏振态的关系可参考表1、表2。

  2.  确定波片的类型,根据波片对温度、波长、入射角的敏感度要求,来选择选用多级波片or 胶合零级波片?可参照表3。相对胶合零级波片来说,多级波片价格相对便宜。

  3.  最后,确定所需的波长和尺寸。联合光科提供了 适用于 355nm -1550nm波段,φ12.7mm、φ25.4mm两种直径大小的波片。

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