四分之一波片應用

四分之一波片

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数理科学的光学仪器

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四分之一波片
一、光强调节器
二、光隔离器
三、偏振态发生器
四分之一波片及其用途(4种)
文章目录
一、四分之一波片的特点
二、四分之一波片的四种常见用法
1.圆偏振片
2.光强调节器/光衰减器
3.光隔离器
4.偏振态发生器

四分之一波片又称“四分之一推迟板”。一定波长的光垂直入射通过时，出射的寻常光和异常光之间相位差1/4波长。在光路中它常用来使线偏振光变为圆偏振光或椭圆偏振光；或者相反。这种波片通常采用双折射材料沿平行于光轴方向切割制成平行平面板，其厚度应精确地为双折射材料两个主轴折射率差和给定波长1/4的乘积的奇数倍。用旋光材料制成的能使入射光偏振面旋转x/2的奇数倍的波片也称为四分之一波片。 [1]

中文名四分之一波片外文名 quarter-wave plate 类型光学仪器应用领域数理科学学科物理别名 1四分之一推迟板

四分之一波片（quarter-wave plate）一定厚度的双折射单晶波片。当光从法向入射透过波片时，寻常光（o光）和非常光（e光）之间的位相差等于 π/2或其奇数倍，这样的晶片称为四分之一波片或 1/4波片。当线偏振光垂直入射1/4波片,并且光的偏振和波片的光轴面（垂直自然裂开面）成θ角，出射后成椭圆偏振光。特别当θ=45°时，出射光为圆偏振光。波片的快轴和慢轴，与晶体的类型有关。负晶体的Ve>Vo，波片光轴方向平行于波片平面，负晶体做的四分之一波片的光轴方向就是快轴方向。正晶体快轴方向垂直于光轴方向位于玻片平面内。

用其他双折射晶体如方解石、石英，来制 1/4波片（或二分之一波片），因晶体的两折射率相差较大，又无天然裂开面，所以要磨得很薄，加工困难。如使厚度增加到d=λ(1/4+N)/(no-ne)，可减小加工困难。其中N是个较大的整数，no和ne分别是o光和e光的折射率。

利用四分之一波片和一个检偏镜，按一定的步骤可以检验各种偏振光。先只用检偏镜，如果虽改变检偏镜的取向而待检光光强没有变化，则可按表1【单用检偏镜，光强无变化时的检验法】所列的方法进行；如果看到了光强有最大，则可按表2【单用检偏镜,光强有一最大值时的检验法】所列的进行。

图1负晶体四分之一玻片的快轴与光轴同方向

波片是一种用来改变光偏振状态的光元件。可以是平行于水晶或方解石等双折射晶体的光轴而切下的一片晶片，也可以用对入射的光具有传播方向性的云母片、玻璃纸或聚乙烯醇等材料制成。其原理是：入射的单色偏振光被分成两个偏振分量它们以不同的速度传播，通过波片的厚度，两个分量的相位产生了垄异重新合成后,改变了原来的偏振状态。通常，按该相位差的大小分为全波片、半波片和四分之一波片等。波片常用来将线偏振光变成圆偏振光或椭圆偏振光；也可用来将圆偏振光变成线偏振光。

单色偏振光垂直入射到晶片时，当晶片的厚度d选择得使穿过晶片后的o光与e光的位相差δ=2Kπ时，合成振动方程为：

合成振动为线偏振光，此晶片造成的光程差△=Kλ。满足此条件的晶片称为全波片。线偏振光通过全波片，振动状态不变，出射光与入射光振动方向相同，仍为线偏振光。 [2]

又称“半波片”。在入射光波两偏振分量的相位之间，引入相对相移为r/2。弧度的波片。常用来产生与入射光的偏振状态成正交的偏振光，以及将右旋的圆偏振光或椭圆偏振光变为左旋，或左旋变为右旋。 [3]

参考资料

1 上海交通大学主编,机电词典,机械工业出版社,1991年10月第1版,第256页
2 何圣静王兴乃主编,物理实验词典,科学普及出版社,1991年01月第1版,第306页
3 张煦主编,光纤通信技术词典,上海交通大学出版社,1990年02月第1版,第282页

波片，又称之为相位延迟片，可使偏振光两个振动方向相互垂直的偏振分量间产生一个相对的相位延迟，从而改变光的偏振特性。

四分之一波片有以下特点：产生π/2奇数倍的相位延迟，能使入射线偏振光变为椭圆偏振光。若入射线偏振光的光矢量与波片快轴成±45°，将得到圆偏振光。

利用四分之一波片的性质，可以将其与其他偏振光学元件搭配使用，实现不同的功能。

一、光强调节器

四分之一波片可以用于改变偏振光偏振方向，所以可使用偏振片和四分之一波片的组合搭建光强调节器。

图1.光衰减器。

原理说明：激光束由激光器发出，垂直入射至一个偏振片中，出射光转变为线偏振光，被调制的线偏振光入射至四分之一波片，当四分之一波片快轴相对偏振片透振方向有角度时，出射光转变为椭圆偏振光，再经过偏振片后光强改变。

与使用两个偏振片调节光强相比，该方法在两偏振片透振方向垂直时仍有出射光。

二、光隔离器

如图2所示，可以配合使用偏振分束器和四分之一波片来组合搭建自由空间光隔离器。

图2.光隔离器。

原理说明：激光束由激光器发出，垂直入射至偏振分束立方，出射水平偏振方向线偏振光（p光），p光入射至四分之一波片，出射光转变为右旋圆偏振光（或左旋圆偏振光），光路中反射回来的左旋圆偏振光（或右旋圆偏振光）进入四分之一波片，出射竖直偏振方向线偏振光（s光），s光经过偏振分束立方被反射至其他方向。

三、偏振态发生器

如图3所示，可以使用偏振片、二分之一波片和四分之一波片的组合搭建偏振态发生器。

图3.偏振态发生器。

原理说明：激光束由激光器发出，激光垂直入射至偏振片，偏振片能将入射光调制为线偏振光，被调制的线偏振光入射至二分之一波片上，偏振方向偏转，二分之一波片出射光再入射到四分之一波片，当四分之一波片与入射到其上的线偏振光偏振方向一致时，出射光为线偏振光，此时二分之一波片可用于调整偏振方向，而快轴方向与偏振方向不一致时出射光为椭圆偏振光或圆偏振光，此时四分之一波片可用于调整椭圆度和旋向，利用该种组合可实现任意偏振态输出。

使用二分之一波片是为获得任意方向的出射线偏振光。

如仅为获得圆偏振光，光路中可去除二分之一波片。

四分之一波片及其用途(4种)

文章目录

四分之一波片及其用途(4种)
前言
一、四分之一波片的特点
二、四分之一波片的四种常见用法
- 1.圆偏振片
- 2.光强调节器/光衰减器
- 3.光隔离器
- 4.偏振态发生器
总结

前言

波片，又称之为相位延迟片，能够使偏振光两个振动方向相互垂直的偏振分量间产生一个相对的相位延迟，从而改变光的偏振特性。

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、四分之一波片的特点

四分之一波片(quarter-wave plate) 是一定厚度的双折射单晶波片。当光从法向入射透过波片时，寻常光(o光)和非常光(e光)之间的位相差等于 π/2或其奇数倍，这样的晶片称为四分之一波片或 1/4波片。
1/4波片的特点：产生π/2奇数倍的相位延迟；当线偏振光垂直入射1/4波片,并且光的偏振和波片的光轴面成θ角时，出射后线偏振光变成椭圆偏振光；特别地，当θ=±45°时，出射光为圆偏振光。

四分之一波片的快轴和慢轴，与晶体的类型有关。 负晶体的快轴方向就是光轴方向。正晶体的快轴方向垂直于光轴方向位于玻片平面内。

二、四分之一波片的四种常见用法

利用1/4波片的性质，可以将其与其他偏振光学元件搭配使用，从而实现不同功能。
以下图片出自 https://baijiahao.baidu.com/s?id=1669142296681006245

1.圆偏振片

四分之一波片可将线偏振光转变为圆偏振光，于是有，线偏振片+1/4波片=圆偏振片。

图1.线偏振片+1/4波片=圆偏振片

原理分析： 激光束垂直入射经过线偏振片后，转变为线偏振光；被调制后的线偏振光垂直入射至1/4波片，出射光强不变，出射光为椭圆偏振光（其长轴方向和旋向由偏振片偏振方向和1/4波片快轴方向夹角确定。）；当波片快轴与偏振片偏振方向夹角为+45°时，输出光束为左旋圆偏光；当波片快轴与偏振片偏振方向夹角为-45°时，输出光束为右旋圆偏振光。

2.光强调节器/光衰减器

四分之一波片可用于改变偏振光偏振方向，于是有，偏振片+1/4波片=光强调节器。

图2. 偏振片+1/4波片=光强调节器

原理分析： 激光束垂直入射至一个偏振片中，出射光转变为线偏振光；被调制的线偏振光入射至1/4波片，出射光为椭圆偏振光；再经过偏振片过滤后，光强发生改变。光强衰减比例与入射光偏振态有关。

3.光隔离器

构建光隔离器：偏振分束器+1/4波片=自由空间光隔离器。

图3. 偏振分束器+1/4波片=自由空间光隔离器。

原理分析： 激光束垂直入射至偏振分束立方(PBS)，出射光为竖直偏振的线偏振光(P光)；P光入射到1/4波片，出射光转变为左旋圆偏振光(或右旋圆偏振光)；经反射回来的右旋圆偏振光(左旋圆偏振光)再次进入1/4波片，转变为水平偏振方向的线偏振光(S光)；S光经过PBS后发射至另一方向。

4.偏振态发生器

构建偏振态发生器：偏振片+1/2波片+1/4波片=偏振态发生器。

图4. 偏振片+1/2波片+1/4波片=偏振态发生器

原理分析： 激光束垂直入射至偏振片，经过偏振器选偏调制后，得到线偏振光；被调制的线偏振光入射至1/2波片，出射光偏振方向发生偏转；出射光再入射到1/4波片，当1/4波片与入射的线偏振光偏振方向一致时，出射光为线偏光，此时1/2波片可用于调整偏振方向；而快轴方向与偏振方向不一致时，出射光为椭圆偏振光或圆偏振光，此时1/4波片则用来调整椭圆度和旋向。利用此组合装置可实现任意偏振态输出。