波片

什么是波片？

波片或延迟器是一种光学设备，它可以改变通过其传播的光波的偏振状态。波片能够传递光线并修改其偏振状态，而不会衰减、偏转或位移光束。它们通过延迟一个偏振分量相对于其正交分量来实现这一点。在未偏振光中，波片相当于窗户 - 它们都是光通过的平面光学元件。波片通常由双折射材料制成，最常见的是水晶石英。双折射材料对于不同方向偏振的光具有略微不同的折射率。因此，它们将入射的未偏振光分离为其平行和正交分量。下图显示了一个双折射方解石晶体分离未偏振光的过程。

两种常见的波片类型是半波片，它能够改变线性偏振光的偏振方向，以及四分之一波片，它能够将线性偏振光转换为圆偏振光，反之亦然。四分之一波片也可以用于产生椭圆偏振。

进入半波片的线性偏振光可以分解为两种波：平行于波片光轴的波和垂直于光轴的波。在波片中，平行波的传播速度略慢于垂直波。在波片的另一侧，平行波相对于垂直波延迟了正好半个波长，最终组合形成了相对于光轴的入射偏振状态的镜像，如下图所示。

波片的行为，即它是半波片、四分之一波片等，取决于晶体的厚度、光的波长以及折射率的变化。波片的一个常见用途，特别是敏感的全波和四分之一波片，是在光学矿物学中的应用。在显微镜的偏振器之间添加波片，可以更容易地在岩石的薄片中进行矿物的光学识别，特别是通过允许推断可见晶体部分内的光学指示体的形状和方向。光学指示体是虚构的椭球面，其轴表示晶体在不同方向下的折射率。这种对齐可以区分在平面偏振光和交叉偏振光下看起来非常相似的矿物。

工作原理

波片的工作原理是通过改变光波的两个垂直偏振分量之间的相位。典型的波片仅仅是一个具有精确选择的方向和厚度的双折射晶体。晶体被切割成一个平板，切割的方向选择使得晶体的光轴与平板的表面平行。这导致切割平面内出现两个轴：普通轴，其折射率为no，和非凡轴，其折射率为ne。普通轴垂直于光轴，而非凡轴平行于光轴。对于正常入射到平板的光波，沿普通轴的偏振分量以速度vo = c/no通过晶体，而沿非凡轴的偏振分量以速度ve = c/ne传播。这导致两个分量在离开晶体时产生相位差。当ne < no时，如在方解石中，非凡轴称为快轴，而普通轴称为慢轴。对于ne > no，情况则相反。

根据晶体的厚度，沿两个轴的偏振分量将以不同的偏振状态出现。波片的特征在于它对两个分量施加的相对相位量Γ，这与双折射Δn和晶体的厚度L通过公式相关

其中λ0是光的真空波长。

尽管双折射Δn可能由于色散而略有变化，但与上面公式中分母中的固定路径差λ0相比，这种变化是微不足道的。因此，波片通常制造为适用于特定波长范围的设备。

半波片

最常用的波片是半波片（Γ = π）和四分之一波片（Γ = π/2）。半波片可以用于旋转线性偏振光的平面，如上图所示。

假设一个线性偏振波垂直入射到波片上，并且其偏振平面与快轴成角度θ。为了观察发生了什么，将入射场分解为沿快轴和慢轴偏振的分量，如上图所示。经过波片后，选择一个波的点，在该点上快分量达到最大。由于慢分量延迟了半个波长，因此它也将达到最大，但相位相差180°，或者沿着负慢轴的方向。如果我们进一步跟随波，我们会发现慢分量相对于快分量始终保持180°的相位差。这描述了一个线性偏振波，但在快轴的另一侧形成了角度θ。原始的偏振轴已经旋转了2θ的角度。如果入射波与慢轴成角度θ，则也会得到相同的结果。

半波片在将激光的偏振平面旋转到任何其他所需平面时非常有用，特别是当激光太大而无法旋转时。例如，大多数大型离子激光器是垂直偏振的，因此要获得水平偏振，只需将半波片放置在光束中，使其快轴或慢轴与垂直方向成45°。如果所用的半波片没有标记轴，或者标记被支架遮挡，则首先在光束中放置一个线性偏振器，并将其定向为消光（水平偏振），然后在光束中正常插入半波片并围绕光束轴旋转，使光束保持消光 - 现在找到了一个轴。然后，从此位置将半波片围绕光束轴精确旋转45°，光束的偏振将旋转90°。通过将偏振器旋转90°来检查这一点，以确保再次发生消光。如果需要其他角度，只需将波片旋转到所需角度的一半，而不是90°的偏振旋转。

四分之一波片

四分之一波片用于将线性偏振光转换为圆偏振光，反之亦然，如上图所示。为此，波片必须以使快波和慢波的量相等的方式定向。这通过将入射的线性偏振波以45°的角度定向于快轴或慢轴来实现，如上图所示。

在波片的另一侧，检查快偏振分量达到最大值的点。在此点，慢偏振分量将通过零，因为它已延迟了四分之一波长或90°的相位。继续移动波长，我们会注意到两者的幅度相同，但快分量在减小，而慢分量在增加。再移动一个波，我们发现慢分量达到最大，而快分量为零。如果跟踪总电场矢量的顶端，我们会发现它描绘出一个螺旋，周期正好为一个波长。这描述了圆偏振光。电场矢量是电场大小和方向的数学描述。右手圆偏振光在图中展示；左手的螺旋则相反。左手偏振光是通过将波片或入射光的偏振平面旋转90°来产生的，如上图所示。

设置波片以产生圆偏振光的过程与用半波片旋转90°相同：首先，在光束中放置一个偏振器以找到偏振平面。接下来，在源和偏振器之间插入四分之一波片，并围绕光束轴旋转波片以找到保持消光的方向。然后将波片从此位置旋转45°。此时，应该有一半的入射光通过偏振器，另一半被吸收或偏转，具体取决于所使用的偏振器类型。圆偏振光的质量可以通过旋转偏振器来检查 - 通过偏振器的光强度应保持不变。如果有些变化，说明光实际上是椭圆偏振的，波片在您所关注的工作波长下并不完全是四分之一波片。可以通过稍微倾斜波片并围绕其快轴或慢轴旋转偏振器来检查一致性。

结果是椭圆偏振光 - 椭圆度的大小取决于入射平面波的延迟，以及入射平面波的倾斜角度。例外情况是半波延迟，在这种情况下，椭圆退化为一个平面波，与快轴成2θ的角度。请注意，四分之一波片在这里并不产生圆偏振光，因为没有使用相等的快波和慢波分量；入射倾斜角度必须与快轴或慢轴精确为45°，以使这些分量相等。

波片在矿物学和光学岩石学中的应用

全波和四分之一波片在光学矿物学领域被广泛使用。在显微镜的偏振器之间添加波片，可以更容易地在岩石的薄片中进行矿物的光学识别，特别是通过允许推断可见晶体部分内的光学指示体的形状和方向。波片以45度的角度插入到垂直的偏振器之间。这允许进行两种不同的程序，以调查显微镜十字线下的矿物。首先，在普通交叉偏振光下，波片可以用于区分光学指示体相对于晶体延伸的方向 - 即，矿物是“慢长”还是“快长” - 基于可见干涉颜色在添加波片时是否增加或减少一个级别。其次，一种稍微复杂的程序允许在干涉图形技术中结合使用染色片，以便测量矿物的光学角度。光学角度不仅可以用于矿物类型的诊断，在某些情况下还可以揭示单一矿物类型中化学成分变化的信息。

波片材料及其应用

许多自然发生的晶体展现出双折射特性，并且原则上可以用于波片。方解石和结晶石英是典型的材料。尽管它们耐用且具有高光学质量，但折射率差异nslow - nfast如此之大，以至于真正的半波片将太薄而无法抛光，因此不切实际。

也可以通过施加应力在通常各向同性的材料中诱导少量双折射。例如，大多数聚合物在制造过程中施加的应力会表现出双折射。聚合物波片材料可提供半波或四分之一波延迟。这种材料可以夹在两个高质量窗户之间，以制造精密的零阶波片。