波片

2021-03-22 10:34:24 浏览:713

定义

具有特定双折射的透明片,用于改变光的偏振态。

波片(或延迟板)是具有特定双折射的透明片,通常用来控制光束的偏振态。波片具有一个快轴和一个慢轴,都是垂直于表面和光束传播方向的,并且相互垂直。在快轴方向偏振的光相速度稍大。需要的光延迟(两偏振方向上的相位延迟差)只在有限波长区域和有限入射角范围内能够得到。

种类和应用

最常见的波片是四分之一波片(λ/4 片)和半波片(λ/2片),其中两线偏振方向的相位延迟差分别为 π/2和π,对应的相位传播距离分别为λ / 4和λ / 2。

下面是一些重要的结论:

1、如果光束为线偏振的,并且偏振方向是沿着波片的某一个轴,那么偏振方向不改变。

2、如果入射的偏振态与任一轴不重合,波片为半波片,那么偏振光仍然是线偏振的,但是偏振方向发生旋转。如果线偏振光与轴夹角为 45°,那么偏振方向旋转90°。

3、如果入射线偏振光与轴之间夹角为 45°,通过四分之一波片可以得到圆偏振光。(其它的线偏振光会变成椭圆偏振光。)反过来,圆偏振光通过四分之一波片可以得到线偏振光。

在激光器谐振腔中,在增益介质两边放置两个四分之一波片可以实现单频工作。在激光晶体和谐振腔反射镜之间放置一个半波片可以减小去极化损耗。半波片和偏振片结合使用可以实现可调透射率的输出耦合器。

波片通常由石英晶体(SiO2)制作,因为它在很大的波长范围内具有很高的透明度,并且具有很高的光学质量。还有一些其它的材料(应用于其它波长范围)可以,例如方解石(CaCO3),氟化镁(MgF2),蓝宝石(Al2O3),云母(一种二氧化硅材料)和一些双折射聚合物。

零级和多级波片

有很多种类的波片:

1、零级波片非常薄,两偏振方向的光相位延迟对于半波片只有 π。这是理想的情形,由于零级波片很薄所以很不方便,尤其是对于强折射材料来说,例如方解石,制备过程非常困难和需要制作非常精巧。后一个问题可以通过将零级波片粘在厚的玻璃片上解决,玻璃衬底不具有双折射但是可以稳定波片。而二者界面使损伤阈值变低。

2、多级波片的相对相位改变变大,是所需要值再加上2π的整数倍。尽管在设计的波长处性能相同,该波片的光学带宽受实际的相对相位改变限制。并且,相位延迟与对温度更加敏感。低级波片是指具有相对小级数的多级波片,可以使上面提到的不利效应变小。

3、有效零级波片(或净零级波片)由两个厚度稍微不同的多级波片组成,将它们黏在一起或者光学接触,或者在更高功率时在两多级波片之间留一点空隙。一个波片的慢轴与另一个波片的快轴平行,这样两波片的双折射就几乎抵消了。需要调整二者的厚度差得到需要的净相位改变。这一装置可工作在很宽的波长范围内。

还可以制作二色性波片,将不同色散的材料结合起来(例如,石英和氟化镁),这样在很大光谱范围内(几百纳米)具有几乎不变的延迟。另外,还存在双波长波片,它在两个分立的不同波长处都能得到固定的相位延迟值。这一性质有时会在非线性频率转换,例如三倍频过程中用到。

一些问题

除了以上基本的光学性能,波片还有一些相关的问题:

1、材料在采用的波长范围内具有很高的透明度。

2、相位延迟与温度和角度的关系与具体设计有关。

3、高质量的波片在整个数值孔径或者大部分的数值孔径范围内具有一致的延迟。

4、表面的反射会影响性能,可以采用抗反射涂层减小。

5、当应用于脉冲激光器系统时光学损伤阈值很重要。

6、有的波片存在一个外壳,这样很容易将其旋转某一特定角度,或者看其快轴和慢轴的指向。

有的应用中波片很难满足全部的要求。因此,需要采取其他的方法,例如,可以改变激光光束的偏振方向。采用三个45°反射镜就可以将偏振方向旋转90° ,即先将光束偏向右侧,再向上,最终可以回到原来的方向。

相关器件

有一些器件与波片相关:

1、菲涅尔菱形延迟器和其它棱镜延迟器与波片具有相同的基本功能,但是采用的是全反射过程中与偏振有关的相位变化。原理上可以工作于宽带情况。

2、Babinet-Soleil补偿器包含一对双折射楔,可以用作波片,并且延迟程度是变化的。

3、还有一些光纤偏振控制器具有类似的功能。

4、电光晶体和液晶装置可以用作电控制波片,也成为主动延迟器。

参阅:激光辐射偏振、扭曲模技术、光纤偏振控制器

光学器件

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