波片和延迟器的定义和制造安装方式

时间：2023-02-16

波片的术语和规格

双折射-波片由双折射材料制成，较常见的是石英晶体。双折射材料对于在不同方向上偏振的光具有略微不同的折射率。因此，它们将入射的非偏振光分成平行和正交分量（图 1）。

图 1：双折射方解石晶体分离非偏振光

快轴和慢轴Fast Axis and Slow Axis-沿快轴偏振的光遇到较低的折射率并且比沿慢轴偏振的光更快地穿过波片。快轴由未安装波片的快轴直径上的小平点或圆点表示，或由已安装波片的池支架上的标记表示。

图 2：德国B.halle零级波片（延迟器Retarders）显示白色指示线

延迟Retardation——延迟描述了沿快轴投射的偏振分量与沿慢轴投射的分量之间的相移。延迟以度、波或纳米为单位*。一整波延迟相当于 360°，或感兴趣波长的纳米数。延迟公差通常以度、全波的自然分数或小数分数或纳米表示。典型的延迟规格和公差示例如下：

λ/4 ± λ/300

λ/2 ± 0.003λ

λ/2 ± 1°

430nm ± 2nm

较常用的延迟值是 λ/4、λ/2 和 1λ，但其他值在某些应用中也很有用。例如，棱镜的内部反射会导致组件之间的相移，这可能会带来麻烦；补偿波片可以恢复所需的偏振。

在下面的图 3中，相对于原始正弦波显示了 4 个延迟值。橙色波延迟四分之一波，黄色波延迟一半，绿色波延迟四分之三，最后，蓝色波延迟一个完整波。四分之一波的延迟将正弦波变为余弦波，全波延迟让波自行消逝。较流行的波片是四分之一波片和半波片，因为它们可以堆叠以获得额外的延迟值。

图 3a：电场波的延迟

多阶波片Achromatic waveplates——在多阶波片中，总延迟是所需延迟加上一个整数。多余的整数部分对性能没有影响，就像今天显示中午的时钟与一周后显示中午的时钟看起来一样——虽然时间已经增加，但看起来仍然相同。

尽管多阶波片仅采用单一双折射材料设计，但它们可以相对较厚，从而简化处理和系统集成。然而，高厚度使多阶波片更*受到波长偏移或环境温度变化引起的延迟偏移的影响。

零级波片Zero Order waveplates——在零级波片中，总延迟是没有多余的所需值。例如，零级石英波片由两个轴交叉的多级石英波片组成，因此有效延迟就是它们之间的差值。零级波片是将一个波片的快轴和另一个波片的慢轴对准以消除全波光程差，仅留下所需的光程差。零级波片可以在一定程度上改善温度对波片的影响，但另一个结果是其增加了波片延迟量对入射角度及波长的敏感性。

标准零级波片，也称为复合零级波片，由多个相同双折射材料的波片组成，这些波片的位置与光轴垂直。分层多个波片可以抵消单个波片中发生的延迟偏移，从而提高延迟对波长偏移和环境温度变化的稳定性。标准零级波片不会改善由不同入射角引起的延迟偏移。

真正的零级波片也叫真零级波片，例如聚合物波片，由一种双折射材料组成，该材料已被加工成可能只有几微米厚的**薄板，以便在零级达到特定水平的延迟。虽然板的厚度可能使处理或安装波片更加困难，但真正的零级波片对波长偏移、环境温度变化和不同入射角的延迟稳定性优于其他波片。（真零级波片，延迟量的波长敏感度低，温度稳定性高，接受有效角度大，性能优于其它波片）

消色差波片Achromatic waveplates——消色差波片由两种不同的材料组成，实际上可以消除色散。标准消色差镜头由两种类型的玻璃制成，它们相互匹配以实现所需的焦距，同时较大限度地减少或消除色差。消色差波片的工作原理相同。例如，消色差波片由石英晶体和氟化镁制成，可在宽光谱带内实现几乎恒定的延迟。B.halle的消色差波片可以达到400-700nm

**级消色差波片Super Achromatic–**级消色差波片是一种特殊类型的消色差波片，用于消除更宽波段的色散。许多**消色差波片可用于可见光谱和 NIR 区域，与典型的消色差波片相比，即使不是更好，也具有接近相同的均匀性。典型的消色差波片由特定厚度的石英和氟化镁制成，而**级消色差波片使用额外的蓝宝石基板以及石英和氟化镁。所有三个基板的厚度都经过战略性确定，以消除更长波长范围内的色散。B.halle**消色差波片的波长范围可覆盖1-15μm。

波片的制造和安装方式

波片的制造

波片是制造特别具有挑战性的光学元件。它们由晶体材料制成，必须在几弧分内以其轴定向进行切割。然后，必须将它们抛光至激光质量、弧秒平行度和 <λ/10 波前。没有校正的余地，因为它们的厚度公差只有几分之一微米。为了验证延迟公差，受过专门培训的光学技术人员使用**测试装置。抗反射涂层后，零级波片和消色差波片成对匹配，并在其电池座内彼此精确对齐。

石英波片非常适合需要高损伤阈值和随温度变化的延迟稳定性的应用，例如与激光或红外光源一起使用。

聚合物波片由层压在两个玻璃板之间的薄聚合物片组成，具有零阶设计的许多优点，包括出色的角视场和比同类石英波片更低的入射角灵敏度。虽然玻璃板增加了耐用性和易于处理，但许多聚合物波片包含粘合剂层，因此不推荐用于高功率激光或高温应用。

波片的组装方式

多阶波板由一个单板组成，可以不安装，也可以边缘安装在一个铝制的单元上。精密的零级波片和消色差波片有两种常见的构造方法。

**种方法利用空气隙(air gap，留出一定的空气隙)，将所有表面都涂有涂层的两块板安装在垫片的相对两侧，然后放置在一个单元内。典型的光束偏差 <0.5 角秒。需要注意的是，在使用带有气隙构造的波片时，需要注意对功率大小的掌控，特别是对于脉冲激光器。

*二种是胶粘(optical cement)的方式，将消色差透镜与透明光学粘合剂层粘合在一起，覆盖整个直径。然后，仅在它们的外表面涂上抗反射涂层。透射波前在 633nm 处 <λ/4；光束偏差小于1 arcminute弧分。

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