一、技术说明

1. 概述

消色差波片是由双折射石英片和氟化镁构成，通过前者的快轴与后者的慢轴对准，使波片能够在很大的波段范围内达到所需的相位延迟，石英晶体和氟化镁组合能够减少波长对相位延迟的影响，使得消色差波片在很宽的波长范围内实现近似平坦的光谱响应。消色差波片采用空气隙设计，使这些波片可以用于大功率应用。聚合物消色差波片（相位延迟片）设计用作真零级波片，使得波长偏移和较大的入射角的性能稳定。该波片（也称为相位延迟片）采用胶合连接和塑料双折射材料，因此不适用于高功率激光或温度变化极大的应用中。

2. 实物结构

消色差波片是由石英晶体和MgF2晶体构成，通过两种材料的折射率匹配，使波片能够在很大的波段范围内达到所需的相位延迟，比如λ/4后λ/2。该波片在整个工作波长范围内可以获得近似平坦的光谱响应，最大响度降低了波长对相位延迟的影响。消色差波片常用于光谱系统或者飞秒激光系统中。

聚合物消色差波片采用N-BK7玻璃基底和液晶聚合物（Liquid Crystal Polymers，LCP）材料，由三层液晶真零级波片以一定角度设计组合而成。单层LCP薄膜液晶分子快轴取向一致，三层LCP薄膜按照设计角度叠加构成消色差波片整体快轴取向，通过控制每层液晶聚合物薄膜的膜层厚度及相对快轴角度来控制总体的延迟量。

3. 光学特性

3.1双折射原理

一束单色光由空气入射到各向异性晶体表面。通常在晶体内产生两束折射光，这种现象称为双折射。其中一束光遵从折射定律，称为寻常光，简称o光，折射率为n_o；而另一束光一般情况下并不遵从折射定律，即其折射线一般不在入射面内，称为非（寻）常光，简称e光，折射率为n_e。e光的传播方向不仅取决于入射光的方向，还与晶体的取向有关。晶体双折射现象如图2所示。

图2 晶体双折射现象

由于晶体中传播的o光和e光之间存在折射率差，因此入射光在波片中分成的两个相互正交的偏振分量之间会产生一个相对的相位延迟。其中，传播速度快的光矢量方向为波片的快轴，与之垂直的光矢量方向为波片的慢轴。对负单轴晶体（n_e<n_o），e光比o光速度快，因此快轴在e光光矢量方向（即光轴方向，光在晶体中沿此方向传播不发生双折射现象），o光光矢量方向为慢轴；对正单轴晶体（n_e>n_o），快轴在o光光矢量方向，慢轴在e光光矢量（光轴）方向。石英属于正单轴晶体，有n_e>n_o，单色光垂直正入射到石英晶体上，发生双折射，但是o光、e光不分离，只产生相位差δ为：

δ=2π/λ (n_e-n_o )d

其中d为沿光传播方向的晶体厚度，λ为入射单色光波波长。

波片正是利用双折射晶体的折射率差异来对入射光产生特定的相位差。根据波片产生的相位差大小，可分为全波片、二分之一波片（又叫半波片）、四分之一波片，分别产生大小为2(m+1)π、2(m+1/2)π、2(m+1/4) π的相位差，其中m为自然数；当m=0时，称为零级波片，当m不等于0时，称为多级波片，其中零级波片又分为普通零级波片和真零级波片。

消色差零级波片由一片多级石英波片与MgF2波片中间夹垫片组合而成，两片波片的快轴相互垂直，如图3所示。入射光经过第一片多级石英波片，分解成o光和e光，产生相位差δ_1；经过第二片MgF2波片，o光变成e光，e光变成o光，产生相位差δ_2。总的相位延迟量为：

Δδ=δ_1+δ_2=2π/λ (n_e-n_o )dA+2π/λ (n_o-n_e )dB=2π/λ (n_e-n_o )(dA-dB)

其中dA和dB分别为第一、第二波片的厚度。当dA-dB满足：

dA-dB=λ/4(n_e-n_o ) 

可得消色差波片的总相位延迟量Δδ=π/2，即为石英零级四分之一波片。

消色差零级波片具有波片功能同时可以减小色散，在一定的波长带宽内的延迟量对波长的变化不敏感。

图3 消色差零级波片

3.2四分之一波片产生圆偏振光 

四分之一波片的相位延迟为

δ=π/2 （2m+1），m=0，±1，±2，⋯

则相应的波片厚度为

d=λ/4 |(2m+1)/(n_e-n_o )|

四分之一波片使得快轴和慢轴之间产生四分之一波长(λ⁄4)的相位差。当偏振面与波片的主平面成±45º的线偏振光入射时，出射光将变成圆偏振光。如果线偏振光的偏振面与主平面的夹角不是±45º时，则出射光为椭圆偏振光。反过来，圆偏振光通过λ⁄4波片将变成线偏振光。图4为消色差零级四分之一波片将线偏振光转变为圆偏振光示意图。

图4 消色差零级四分之一波片示意图

3.3 二分之一波片偏振旋转作用

二分之一波片也叫半波片，通常用于旋转线偏振光的偏振方向，其相位延迟为

δ=（2m+1）π，m=0，±1，±2，⋯

则相应的波片厚度为

d=λ/2 |(2m+1)/(n_e-n_o )|

半波（λ⁄2）片通常用于旋转偏振方向，当线偏振光入射到半波片，并且偏振方向不与快轴或慢轴重合时，出射光仍为线偏振光，但偏振面相对于入射光发生了旋转，如图5所示。当圆偏振光入射时，顺时针（逆时针）圆偏振光将会转化为逆时针（顺时针）圆偏振光。图5为消色差零级二分之一波片旋转线偏振光示意图。

图5 消色差零级二分之一波片示意图

可见，经过二分之一波片后，出射光和入射光的偏振方向的夹角变为入射光偏振方向与波片主轴夹角的两倍（2θ）。当入射光的偏振方向与快轴或慢轴重合时，偏振方向保持不变。