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

有兩(liang) 種雙折射。當線性雙折射（Linear Birefringence）時，兩(liang) 種正交極化線偏振態的折射率(以及相位延遲)是不同的，這是標準波片（StandardWaveplates）的工作模式。

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

標準波片:線性雙折射

假設由單軸晶體(ti) 製成的波片，光垂直於(yu) 光軸入射。

這使得平行於(yu) 光軸的場分量是一個(ge) 特殊的波，而垂直於(yu) 光軸的場分量是一個(ge) 普通的波。如果晶體(ti) 是正單軸的，ne >no，則光軸稱為(wei) 慢軸，這是石英晶體(ti) 的情況。負單軸晶體(ti) ne <no，光軸稱為(wei) 快軸。

使用入射場E1來表示傳(chuan) 播場E2的方程為(wei) ：

其中s和f是沿著慢軸和快軸的單位向量。

這個(ge) 方程清楚地說明了波片如何在矢量場中起作用的。

為(wei) 了進一步分析波片的影響，我們(men) 去掉測量強度時丟(diu) 失的一個(ge) 相位因子，將整個(ge) 相位延遲賦給慢軸：

雙折射色散在波片設計中起著非常重要的作用；

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

圖1

當波片放置在平行偏振器和垂直偏振器之間時，傳(chuan) 輸由以下公式給出:

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

由於(yu) 光波的偏振態是由其正交振動的振幅比與(yu) 相位差所決(jue) 定，因此改變這兩(liang) 個(ge) 參量，就可以改變光波的偏振態。

於(yu) 是，入射的偏振光通過波片後，由於(yu) 其二垂直分量之間附加了一個(ge) 相位差，將會(hui) 改變偏振狀態。

圖2

對於(yu) 全波片：

將全波片放入光路中，不改變光路的偏振狀態。

圖3

對於(yu) 半波片：

線偏振光經過半波片後，出射光仍為(wei) 線偏振光，隻是振動麵的方位較入射光轉過了 2θ角，當θ=45°時，振動麵轉過 90°。

因此，半波波片可用作偏振旋轉器。

圖4

對於(yu) 四分之一波片:

線偏振光通過四分之一波片後，出射光將變為(wei) 橢圓偏振光。當θ=45°時，出射光為(wei) 圓偏振光。

圖5

多級波片（Multple-orderWaveplates）

對於(yu) 標準波片中全波片、半波片和1/4波片的例子，波片的級數用整數m表示。M＞0時，波片稱為(wei) 多級波片。對於(yu) m =0，為(wei) 零級波片。

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

多級波片是一種價(jia) 格低廉且高損傷(shang) 閾值的方案。

進一步分析表明，0.5毫米石英波片同時為(wei) 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(chuan) 輸情況。

注意相位延遲隨波長而變化。因此，多階波片通常隻在其設計波長處有用。

零級波片（Zero-orderWaveplates）

如上所述，多階波片不能用於(yu) 可調或寬頻帶源(例如，飛秒激光器)。

零階波片可以大大提高緊湊、高損傷(shang) 閾值器件的有效帶寬。

以800nm為(wei) 中心的寬頻帶半波片的設計為(wei) 例。當平板在800 nm處有一個(ge) π相移時，可獲得大調諧範圍。如果用單片石英晶體(ti) 製成，此時波片的厚度約為(wei) 45?m，太薄導致不便於(yu) 製造和處理。解決(jue) 方法是取兩(liang) 塊不同厚度45?m的水晶石英板，將它們(men) 與(yu) 一塊的慢軸與(yu) 另一塊的快軸對齊，那這個(ge) 零階波片的淨相移是π。這兩(liang) 個(ge) 板可以是空氣間隔的或光學接觸的。

雲(yun) 母波片是一種廉價(jia) 的零級波片解決(jue) 方案，適用於(yu) 低功耗應用檢測方案。

聚合物波片（PolymerWaveplates）

聚合物波片提供了良好的大角度視場，因為(wei) 他們(men) 是真正的零階波片。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°入射角範圍內(nei) 的變化小於(yu) 1%。

圖7

波長變化的延遲精度往往是關(guan) 鍵問題。例如，一個(ge) 二極管激光器的中心波長的溫漂為(wei) ±10 nm，它隨著溫度和驅動條件的變化會(hui) 引起波長偏移，此時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(wei) 0.15 nm/°C，可以在中等溫度範圍內(nei) 工作而不會(hui) 有明顯的下降遲緩的準確性。

圖8比較了不同波片類型對波長的依賴性。

圖8

消色差波片（AchromaticWaveplates）

在500 nm處，石英晶體(ti) 零階半波片在約50 nm的帶寬上具有λ/50的延遲容差。當中心波長為(wei) 800 nm時，波長帶寬增加到100 nm左右。要實現高達300 nm的帶寬，需要特殊的設計來校正波長範圍內(nei) 的色散差異。

如果用兩(liang) 種不同的材料來製作零階或低階波片，兩(liang) 種材料的色散會(hui) 相互抵消。因此，與(yu) 由一種材料製成的波片相比，它的雙折射相移可以在更寬的範圍內(nei) 保持恒定。例如，可以使用石英晶體(ti) 和氟化鎂組合來製作消色差波片

雙波長波片（Dual-wavelengthWaveplates）

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

一種實現多重延遲的方法是通過仔細選擇多重延遲滿足波長和延遲條件的波片。這常常導致選擇一個(ge) 相對高階波片。因此，這些雙波長波片在較窄的帶寬和溫度範圍內(nei) 可以良好工作。

另一種方法是將兩(liang) 個(ge) 光軸正交的石英波片組合起來，可以有效地創建一個(ge) 零級波片。在這種結構中，溫度依賴關(guan) 係是波片之間厚度差的函數，從(cong) 而產(chan) 生了極好的溫度穩定性。