波片（Waveplates）是利用雙折射在入射波的正交偏振場分量產(chǎn)生不相等的相移，使一種偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種偏振態(tài)。

有兩種雙折射。當(dāng)線性雙折射（Linear Birefringence）時(shí)，兩種正交極化線偏振態(tài)的折射率(以及相位延遲)是不同的，這是標(biāo)準(zhǔn)波片（StandardWaveplates）的工作模式。

當(dāng)圓雙折射（Circular Birefringence）時(shí)，左右圓偏振分量的折射率和相位延遲是不同的，這是偏振旋轉(zhuǎn)器的工作方式。

標(biāo)準(zhǔn)波片:線性雙折射

假設(shè)由單軸晶體制成的波片，光垂直于光軸入射。

這使得平行于光軸的場分量是一個(gè)特殊的波，而垂直于光軸的場分量是一個(gè)普通的波。如果晶體是正單軸的，ne >no，則光軸稱為慢軸，這是石英晶體的情況。負(fù)單軸晶體ne <no，光軸稱為快軸。

使用入射場E1來表示傳播場E2的方程為：

其中s和f是沿著慢軸和快軸的單位向量。

這個(gè)方程清楚地說明了波片如何在矢量場中起作用的。

為了進(jìn)一步分析波片的影響，我們?nèi)サ魷y量強(qiáng)度時(shí)丟失的一個(gè)相位因子，將整個(gè)相位延遲賦給慢軸：

雙折射色散在波片設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用；

設(shè)E1一開始沿X軸偏振，設(shè)波片慢軸與X軸夾角為θ，如圖1所示。

圖1

當(dāng)波片放置在平行偏振器和垂直偏振器之間時(shí)，傳輸由以下公式給出:

注意：θ僅是波片方向的函數(shù)，Φ僅是波長的函數(shù)；雙折射是波長和平板厚度的函數(shù)。

由于光波的偏振態(tài)是由其正交振動(dòng)的振幅比與相位差所決定，因此改變這兩個(gè)參量，就可以改變光波的偏振態(tài)。

于是，入射的偏振光通過波片后，由于其二垂直分量之間附加了一個(gè)相位差，將會(huì)改變偏振狀態(tài)。

圖2

對(duì)于全波片：

將全波片放入光路中，不改變光路的偏振狀態(tài)。

圖3

對(duì)于半波片：

線偏振光經(jīng)過半波片后，出射光仍為線偏振光，只是振動(dòng)面的方位較入射光轉(zhuǎn)過了 2θ角，當(dāng)θ=45°時(shí)，振動(dòng)面轉(zhuǎn)過 90°。

因此，半波波片可用作偏振旋轉(zhuǎn)器。

圖4

對(duì)于四分之一波片:

線偏振光通過四分之一波片后，出射光將變?yōu)闄E圓偏振光。當(dāng)θ=45°時(shí)，出射光為圓偏振光。

圖5

多級(jí)波片（Multple-orderWaveplates）

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)波片中全波片、半波片和1/4波片的例子，波片的級(jí)數(shù)用整數(shù)m表示。M＞0時(shí)，波片稱為多級(jí)波片。對(duì)于m =0，為零級(jí)波片。

石英晶體在500 nm附近的雙折射約為0.00925。例如，一個(gè)0.5毫米厚的石英四分之一波片，一個(gè)簡單的計(jì)算可以表明，它是一個(gè)500nm的37λ/ 4的波片，此時(shí)m= 18。

多級(jí)波片是一種價(jià)格低廉且高損傷閾值的方案。

進(jìn)一步分析表明，0.5毫米石英波片同時(shí)為488.2nm波長的19λ/2半波片和466.5nm波長的10λ全波片。

圖6

圖6顯示了0.5mm厚石英波片在平行偏振器之間隨波長變化的傳輸情況。

注意相位延遲隨波長而變化。因此，多階波片通常只在其設(shè)計(jì)波長處有用。

零級(jí)波片（Zero-orderWaveplates）

如上所述，多階波片不能用于可調(diào)或?qū)掝l帶源(例如，飛秒激光器)。

零階波片可以大大提高緊湊、高損傷閾值器件的有效帶寬。

以800nm為中心的寬頻帶半波片的設(shè)計(jì)為例。當(dāng)平板在800 nm處有一個(gè)π相移時(shí)，可獲得大調(diào)諧范圍。如果用單片石英晶體制成，此時(shí)波片的厚度約為45?m，太薄導(dǎo)致不便于制造和處理。解決方法是取兩塊不同厚度45?m的水晶石英板，將它們與一塊的慢軸與另一塊的快軸對(duì)齊，那這個(gè)零階波片的凈相移是π。這兩個(gè)板可以是空氣間隔的或光學(xué)接觸的。

云母波片是一種廉價(jià)的零級(jí)波片解決方案，適用于低功耗應(yīng)用檢測方案。

聚合物波片（PolymerWaveplates）

聚合物波片提供了良好的大角度視場，因?yàn)樗麄兪钦嬲牧汶A波片。圖7比較了聚合物波片和石英波片的延遲隨入射角的變化。聚合物波片在±10°入射角范圍內(nèi)的變化小于1%。

圖7

波長變化的延遲精度往往是關(guān)鍵問題。例如，一個(gè)二極管激光器的中心波長的溫漂為±10 nm，它隨著溫度和驅(qū)動(dòng)條件的變化會(huì)引起波長偏移，此時(shí)聚合物波片也能保持極好的波片性能。

疊層聚合物波片的溫度靈敏度約為0.15 nm/°C，可以在中等溫度范圍內(nèi)工作而不會(huì)有明顯的下降遲緩的準(zhǔn)確性。

圖8比較了不同波片類型對(duì)波長的依賴性。

圖8

消色差波片（AchromaticWaveplates）

在500 nm處，石英晶體零階半波片在約50 nm的帶寬上具有λ/50的延遲容差。當(dāng)中心波長為800 nm時(shí)，波長帶寬增加到100 nm左右。要實(shí)現(xiàn)高達(dá)300 nm的帶寬，需要特殊的設(shè)計(jì)來校正波長范圍內(nèi)的色散差異。

如果用兩種不同的材料來制作零階或低階波片，兩種材料的色散會(huì)相互抵消。因此，與由一種材料制成的波片相比，它的雙折射相移可以在更寬的范圍內(nèi)保持恒定。例如，可以使用石英晶體和氟化鎂組合來制作消色差波片

雙波長波片（Dual-wavelengthWaveplates）

雙波長波片在許多應(yīng)用中都有應(yīng)用。一種常見的應(yīng)用是用偏振分光器將一種波長的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，而使另一種波長保持不變，從而分離不同波長，這種情況經(jīng)常應(yīng)用在非線性倍頻或三倍頻激光器(1064/532/355/266)中。

一種實(shí)現(xiàn)多重延遲的方法是通過仔細(xì)選擇多重延遲滿足波長和延遲條件的波片。這常常導(dǎo)致選擇一個(gè)相對(duì)高階波片。因此，這些雙波長波片在較窄的帶寬和溫度范圍內(nèi)可以良好工作。

另一種方法是將兩個(gè)光軸正交的石英波片組合起來，可以有效地創(chuàng)建一個(gè)零級(jí)波片。在這種結(jié)構(gòu)中，溫度依賴關(guān)系是波片之間厚度差的函數(shù)，從而產(chǎn)生了極好的溫度穩(wěn)定性。