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如何选择波片?

1808年瑞士科学家Etienne-Louis Malus注意到通过将光线通过一些晶体,他们的偏振状态会发生变化。 Malus发现晶体对于垂直于其晶轴方向的光线具有不同的折射率,而其平行于晶轴的光线则没有变化。他将这一现象称为双折射,并发明了波片以调整、控制光线的偏振状态。

之后,在不断研究中发现不同的晶体结构和材料可以改变光线的偏振状态并发明了新的波片设计和制造方法。如今,波片被广泛用于各种光学应用,如偏振控制、干涉测量、显微镜和光谱学。它还可以与其他光学元件,如偏振镜、透镜和镜片结合起来形成更复杂的光学系统从光学仪器到大规模光学和电子设备,以及通信、激光加工、医疗都离不开波片的作用。


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1.零级: 零级波片是指在入射光的两个偏振分量之间引入特定相移(如1/4波片的π/2或半波板的π)的波片,不引入任何额外的相移。这意味着输出的偏振状态纯粹是输入偏振状态和波板的厚度和双折射的函数。在需要高偏振纯度和精度的应用中,零阶波片通常是首选,例如在偏振敏感的干涉测量和偏振测量中。




2.标准零级: 标准零阶波片是由双折射材料(如石英或氟化镁)制成,并根据所需的相移(如1/4波片的π/2)将其切割成特定的厚度。厚度的选择是为了确保入射光的两个偏振分量之间的相位差正好是所需的值,所得到的波板被称为零阶波片。然而,由于双折射材料的微小变化,仍可能引入少量不需要的相位偏移,这可能导致输出光中某种程度的偏振失真。这被称为残余双折射。
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3.真正的零级: 另一方面,真正的零阶波板是通过使用更精确的制造工艺,使残余双折射最小化。实现这一目标的方法之一是使用双折射非常小的双折射材料,如晶体石英,并以与晶轴

的特定角度切割该材料。这将产生一个具有更小的残余双折射的波板,从而使输出光具有更高的偏振纯度。


4.多级: 另一方面,多级波片是一种在入射光的两个偏振成分之间引入多个相移(即设计相移的整数倍)的波板。出现这种情况是因为波板的厚度不是光的波长的精确倍数,这导致入射

光的不同波长成分积累了不同的相移。多级波片的制造成本比零阶波板低,可用于许多偏振控制应用。然而,它们有一些缺点,包括偏振纯度较低,对波长和温度变化的敏感性较高。


5.消色差 - 消色差波板由两种不同的材料组成,实际上可以消除色散。标准的消色差透镜是由两种玻璃制成的,它们被匹配以达到所需的焦距,同时最大限度地减少或消除色差。消色差

波板的工作原理与此相同。例如,消色差波板是由水晶石英和氟化镁制成的,以实现宽光谱范围内几乎恒定的延迟。


波片在激光器的应用中,一是用于波长的结合和分离,用于操纵激光系统中光的偏振,以结合和分离不同波长的光。这在光谱学等应用中很有用,因为在这些应用中,不同的波长需要被

分开和检测,或者在电信中,不同的波长被结合起来进行高速数据传输。


二是Q开关,这是一种用于实现激光器中极高脉冲功率的技术。Q开关涉及到将激光腔从低Q值状态快速切换到高Q值状态,这导致储存的能量在一个短脉冲中释放。波板可用于控制腔内

光的偏振,这影响到Q-开关的性能和脉冲特性。


三是破坏性反馈淬火。在激光系统中,当反射光干扰激光束并导致激光器损坏时,会出现破坏性反馈。波板可用于创建光隔离器,以控制反射光的偏振,防止破坏性反馈。


四是工业激光切割中的圆形偏振。圆偏振光可用于工业激光切割系统,以实现更清洁、更均匀的切割。这是因为圆偏振光能产生更对称的光束轮廓,减少光束变形和散射的影响。在这些

系统中,波板可用于将线性偏振光转换成圆偏振光。


五是可变分光器。可变分光器是一种将一束光分成两个独立的光束的装置,它们之间的光量可以调节。它使用一个偏振分光镜立方体和一个半波板来控制立方体内部的传输(P偏振光)和

反射(S偏振光)。通过旋转半波板,可以改变入射

光线的偏振角,从而调整通过分光镜的光量与反射的光量。这提供了对分光镜输出比率的精确控制。


如果两个分离的光束的偏振需要在同一平面上对齐,可以在其中一个输出光束的路径上插入一个半波片。通过调整波片的方向,两个光束可以在同一方向上偏振。这在光束需要形成干涉图

案的应用中至关重要,如记录全息图或编写全息衍射光栅。


六是偏振清理。 在一些光学系统中,镜子的多次反射会导致光的偏振状态的变化。当光束的偏振平面与镜子的平面一致或垂直时,在反射时通常没有偏振的变化。然而,如果偏振方向与入射

平面成一角度,从镜子中的反射会导致平行和垂直偏振分量之间的小相移。这可能导致反射波被轻微地椭圆偏振,这可以在插入和旋转偏振器时观察到消光率的下降。为了纠正这一点,可以

插入一个完整的波板,并围绕其快轴或慢轴略微倾斜,以调整延迟并消除反射波的椭圆性。


七是光隔离器。光隔离器是一种用于消除光学系统中不希望出现的反射的装置。它通常由一个四分之一波板和一个线性偏振器或偏振分光镜立方体组成。传入的光束首先由分光镜进行线性偏振,

然后由四分之一波板转换为圆偏振。任何被反射回隔离器的出射光束将被四分之一波板转换为与输入光束垂直的线性偏振光束。该光束将被分光镜立方体阻挡,并向输入方向以外的方向反射。



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