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昨天我們介紹了偏振片和偏振棱鏡，今天我們繼續(xù)介紹另兩類常見偏振光學(xué)元件，波片和偏振分束器。

波片

波片，也稱相位延遲器，它可以使偏振光的兩個(gè)相互垂直的偏振分量之間產(chǎn)生相位延遲，從而改變光的偏振態(tài)。波片是用透明晶體制成的平行平面薄板，其光軸與表面平行。當(dāng)光垂直入射到波片表面，入射光分解成o光和e光，相應(yīng)折射率為\( n_o \)和\( n_e \)，并以不同速度傳播，但方向不變。當(dāng)光從厚度為\( d \)的波片出射后，產(chǎn)生的相位差為 

\( \delta=\frac{2\pi}{\lambda}|n_o-n_e|d \)

這樣，兩束振動(dòng)方向相互垂直且有一定相位差的線偏振光疊加，一般會(huì)得到橢圓偏振光。波片一般按照相位延遲量，即出射時(shí)兩光的相位差\( \delta \)進(jìn)行分類，下面逐一進(jìn)行討論。

1.全波片

全波片相位延遲為

\( \delta=\frac{2\pi}{\lambda}|n_o-n_e|d=2m\pi \quad (m=0,1,2...) \)

其厚度d為

\( d=\frac{m}{|n_o-n_e|}\lambda \)

全波片產(chǎn)生2\( \pi \)整數(shù)倍的相位延遲，并不改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)，一般用于應(yīng)力儀，用來增大應(yīng)力引起的光程差，使干涉色隨內(nèi)應(yīng)力的變化變得靈敏，圖1為全波片示意圖。

 

 

2.半波片(λ/2波片)

半波片相位延遲\( \delta \)和相應(yīng)波片厚度\( d \)為

\( \delta=(2m+1)\pi, \quad d=\frac{2m+1}{|n_o-n_e|}\times\frac{\lambda}{2} \)

半波片產(chǎn)生\( \pi \)奇數(shù)倍的相位延遲，圖2為二分之一波片示意圖。

線偏振光入射，則仍然是線偏振光出射，只是振動(dòng)方向有所改變：若入射時(shí)振動(dòng)方向與快軸（或慢軸）夾角為\( \theta \)，則出射時(shí)會(huì)向著那個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)\( 2\theta \)。圓偏振光入射，則出射光仍是圓偏振光，但旋向相反。

 

3.四分之一波片(λ/4波片)

它產(chǎn)生的相位延遲\( \delta \)和相應(yīng)波片厚度\( d \)為

\( \delta=(2m+1)\frac{\pi}{2}, \quad d=\frac{2m+1}{|n_o-n_e|}\times\frac{\lambda}{4} \)

\( \)四分之一波片產(chǎn)生\( \pi/2 \)奇數(shù)倍的相位延遲。圖3為四分之一波片示意圖。

線偏振光入射，則出射光一般為橢圓偏振光。若是入射線偏振光的振動(dòng)方向與快軸（或慢軸）成45°角時(shí)，出射光為圓偏振光；若是入射線偏振光的振動(dòng)方向沿快軸（或慢軸），出射光仍為線偏振光。

圓偏振光入射，無論如何，出射光都是線偏振光。

橢圓偏振光入射，若橢圓的主軸（長(zhǎng)軸或短軸）與波片的快軸（或慢軸）重合，則出射光是線偏振光；若以其他角度入射，則出射光仍是橢圓偏振光。

 

4.渦旋波片

渦旋波片在整個(gè)通光孔徑上具有恒定延遲，但它的快軸在光學(xué)區(qū)域上連續(xù)旋轉(zhuǎn)。渦旋波片可以將TEM00高斯光束轉(zhuǎn)為拉蓋爾-高斯光束。利用渦旋波片可以生成矢量偏振態(tài)渦旋光束：圓偏振光入射時(shí)，渦旋光束出射，且圓偏振態(tài)旋性相反；線偏振光入射時(shí)，矢量偏振態(tài)出射。圖4為渦旋波片示意圖。

 

波片的選用

需要注意的是，波片只對(duì)某一特定波長(zhǎng)的入射光工作，且入射到波片上的必須是偏振光，自然光經(jīng)過波片后仍是自然光。

對(duì)于波片的選用，首先，要確定所需的相位延遲量，二分之一，四分之一，還是特殊相位；其次，要確定波長(zhǎng)和尺寸；最后，要確定波片的類型。

如果希望波片可以在較寬溫度范圍內(nèi)和較寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)使用，則應(yīng)該選擇零級(jí)或者真零級(jí)波片。對(duì)于零級(jí)波片來說，膠合零級(jí)價(jià)格相對(duì)便宜，光膠零級(jí)和空氣隙零級(jí)損傷閾值高。真零級(jí)波片的平行和波前畸變是最好的，用于特別重要的系統(tǒng)中。

如果對(duì)波長(zhǎng)帶寬和溫度帶寬沒有要求，多級(jí)波片應(yīng)該是性價(jià)比較高的選擇。

如果需要超過100nm的波長(zhǎng)帶寬，則應(yīng)該選擇消色差波片。

通過組合偏振片和波片可獲得圓偏振光，圖5為獲取和檢驗(yàn)圓偏振光的光路圖。

設(shè)置兩正交偏振片。將一片偏振片置于光路中，可以參考平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)偏振片的透射軸，再將另一片偏振片置于光路中。轉(zhuǎn)動(dòng)任一偏振片，測(cè)量輸出光源功率，調(diào)至功率最小處，此時(shí)兩偏振片透射軸相互垂直，因?yàn)楫?dāng)兩偏振片透射軸正交時(shí)，有最低透過率。

將四分之一波片插入兩偏振片之間，找到波片的快/慢軸位置。轉(zhuǎn)動(dòng)波片至消光處，當(dāng)線偏振方向?qū)?zhǔn)波片某個(gè)軸時(shí)，波片將輸出相同的偏振態(tài)，仍為線偏振光，只是有相位延遲，此時(shí)可確定偏振片透射軸與波片快軸或慢軸重合，再轉(zhuǎn)動(dòng)90°至光路輸出功率為0處，找到波片另一軸。

獲得圓偏振光。再將波片安裝座轉(zhuǎn)動(dòng)45°，依據(jù)夾角的相對(duì)位置不同，即可獲得左旋/右旋圓偏振光。

5. 光學(xué)補(bǔ)償片（相位延遲器）

光學(xué)補(bǔ)償片(相位延遲器)通常用在液晶元件和偏光板之間，除去液晶元件顯示的圖像中不想要的顏色。在某些情況下，光學(xué)補(bǔ)償片也用于補(bǔ)償影像顏色，擴(kuò)大液晶元件的視角，其基本原理是將各種顯示模式下液晶在各視角產(chǎn)生的相位差做修正，簡(jiǎn)言之，即是讓液晶分子的雙折射性質(zhì)得到對(duì)稱性的補(bǔ)償。一般使用雙折射薄膜作為光學(xué)補(bǔ)償片。

在最近幾年中，已經(jīng)提出了使用具有由盤狀液晶化合物在透明載體上形成的光學(xué)各向異性層的光學(xué)補(bǔ)償片來代替拉伸的雙折射薄膜。常見類型有“O-plate”、 “C-plate”，“A-plate”。

“O-plate”是一種光學(xué)延遲器，它使用一層正雙折射（例如液晶）材料，其主光軸相對(duì)于該層的平面以斜角定向。

“A-plate”是一種使用單軸雙折射材料層的光學(xué)延遲器，其e軸平行于層平面，其o軸（也稱為“a 軸”）垂直于平面層，即平行于法向入射光的方向。

“C-plate”同樣也是一種光學(xué)延遲器，它利用一層單軸雙折射材料，其e軸（也稱為“c 軸”）垂直于該層的平面，即垂直入射光的方向。
可使用包含具有傾斜或張開結(jié)構(gòu)的液晶或介晶材料層的光學(xué)延遲膜作為“O-plate”延遲膜?？梢允褂脝屋S拉伸的聚合物薄膜(例如拉伸的聚乙烯醇(PVA)或聚碳酸酯(PC)薄膜)作為“A-plate”延遲膜；另外，“A-plate”延遲片可以包括具有平面取向的正雙折射液晶或介晶材料層?？梢允褂脝屋S壓縮聚合物薄膜作為負(fù)雙折射“C-plate”延遲膜，負(fù)雙折射“C-plate”也可以包括具有平面取向和負(fù)雙折射的液晶或介晶材料層。

上述光學(xué)各向異性層通常是通過如下步驟形成的，在取向薄膜上涂布含有盤狀液晶化合物的盤狀液晶組合物，在高于取向溫度的溫度下加熱涂布材料，然后將取向的盤狀液晶化合物分子固定。通常，盤狀液晶化合物具有大的雙折射率和多種取向結(jié)構(gòu)。使用這樣的盤狀液晶化合物能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)技術(shù)的延伸，獲得雙折射薄膜從未有的光學(xué)特性。另一方面，由于盤狀液晶化合物具有多種取向結(jié)構(gòu)，因此，為了產(chǎn)生期望的光學(xué)特性，必須適當(dāng)?shù)乜刂乒鈱W(xué)各向異性層中盤狀液晶化合物的取向。

偏振分束器

不同于偏振棱鏡利用雙折射原理出射o光和e光，偏振分束器主要利用反射和折射原理，將入射的非偏振光分成兩束線偏振的s光和p光。按照基本結(jié)構(gòu)和原理的不同，偏振分束器可以分為偏振分束立方體和偏振平板分束鏡。

1. 偏振分束立方

由菲涅爾公式可知，當(dāng)入射和折射角相加為90°時(shí)，即滿足以布儒斯特角入射，此時(shí)反射光中沒有p分量，只有垂直于入射面振動(dòng)的s波，此時(shí)s偏振光被反射，透射光是偏振度很高的部分偏振光（主要為p光），圖6為偏振分束立方體示意圖。

 

根據(jù)這一性質(zhì)，可采用大折射率介質(zhì)來提高反射光的反射比，以此獲得反射s偏振光，透射p偏振光，從而分離s偏振光和p偏振光。偏振分束立方通常將兩個(gè)直角棱鏡的分界面通過無環(huán)氧樹脂的光學(xué)接觸鍵合方法（光膠）粘合在一起，而非普通膠合，以此最大程度地減少吸收和散射損耗，提高激光損傷閾值。立方體每個(gè)表面都經(jīng)過拋光，平整度高，極大減少波前畸變，并且鍍有V型介質(zhì)膜，減少光束在立方體表面的反射。

2.偏振平板分束鏡

平板偏振分束鏡同樣可實(shí)現(xiàn)對(duì)s偏振光和 p 偏振光的分離或合并，但是其原理不同于偏振分束立方。通過干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)p光的高透射率。偏振平板分束鏡通常以紫外熔融石英為基底，通過離子束濺射在基底前表面鍍有針對(duì)工作波長(zhǎng)的窄帶分束膜。入射角為45°時(shí)，分束膜可對(duì)s偏振提供高反射率，對(duì)p偏振光提供高透射率，實(shí)現(xiàn)對(duì)s偏振光和p偏振光的分離或合并，圖7為偏振平板分束鏡示意圖。

 

除上述常見光學(xué)偏振元件外，還有廣泛用于偏振敏感的系統(tǒng)和儀器中，將偏振光變成非偏振光的退偏器；在一定范圍，能夠產(chǎn)生連續(xù)改變相位差的補(bǔ)償器；可將線性偏振光光矢量振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)45°，而不受輸入偏振方向影響的法拉第隔離器等，如圖8。