波片原理波片也稱為相位延遲片,是一種常見(jiàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)。 (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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)1/4波片后偏振態(tài)的變化表
按波片結(jié)構(gòu)來(lái)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(guò)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(lái)分,常見(jiàn)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
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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。
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(zhǎng)、入射角的敏感度要求,來(lái)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(lái)說(shuō),多級(jí)波片價(jià)格相對(duì)便宜。 3. 較后,確定所需的波長(zhǎng)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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