波片（Wave Plates），也称为相位延迟片（Retarders），是由双折射材料制成的关键光学元件，旨在调控光的偏振态。波片通过改变偏振光正交分量之间的相位关系，引入特定的相位延迟。这种相位差会改变光的偏振态，但不会影响光强。最常见的两种类型是四分之一波片（Quarter Wave Plates）和半波片（Half Wave Plates）。名称中的“四分之一”和“半”指的是相位延迟量相当于波长的分数倍。四分之一波片与半波片的主要区别在于：四分之一波片在两个正交偏振分量之间引入四分之一波长的延迟，而半波片则引入半个波长的延迟。本文将帮助您了解四分之一波片和半波片，解析它们的工作原理及改变偏振态的方式，并阐述这两种波片的具体应用。
图 1. Shalom EO 波片
什么是波片？
波片/波片，也称为延迟器，基于双折射原理工作 - 双折射是某些光学非各向同性材料的特性，其中折射率取决于光的偏振和传播方向（也有例外，例如基于全内反射/TIR 原理工作的菲涅耳罗马延迟器）。这种独特的特性使波片能够在偏振光的正交分量之间引入相位差。
波片可以是双折射晶体波片，如石英波片、mgf2波片，也可以是由两种不同双折射材料组合而成的，或者是双折射聚合物波片（Shalom EO中也有这种波片）。当光进入这些双折射材料时，折射取决于偏振方向。这是因为光被视为由振荡电场和磁场组成，以不同的方式与双折射材料的不对称微结构相互作用。以非法线角度撞击材料光学表面的入射光将被分解为具有正交偏振方向的两个分量。然后，这两个成分遇到两个不同的折射率：普通折射率 no 和非常折射率 ne。
从两个不同的折射率，no 和ne 产生波片的两个主光轴，即快轴和慢轴。沿该方向偏振的光以较高速度传播的具有较低折射率的轴是快轴，而沿该方向偏振的光以较慢的速度传播的具有较高折射率的轴是慢轴。
行进速度的差异引起相位差，或所谓的两个正交偏振分量之间的相位延迟/延迟，相位延迟导致偏振状态的最终变化。
波片内光的相互作用
如上所述，当光波进入波片时，它会分裂成两个正交分量：一个与快轴对齐，另一个与慢轴对齐。由于双折射，这两个分量以不同的速度行进，导致它们之间产生相移。
相位延迟取决于：
——波片的厚度（d）；
-双折射（Δn=ne−no）；
-光的波长（λ）
因此，相位差 δ 可以使用以下公式计算：
δ=(2π*Δn*d)/λ
这里的相位差δ在波片中被称为“延迟”或“延迟”，波片的延迟值通常表示为波长或波的分数，或以弧度表示。例如，四分之一波长/波长=λ/4、半波长/波长=λ/2、八进制波长/波长=λ/8等等。波片的延迟值是选择波片或延迟器时最基本的参数，延迟值会改变两个分量的叠加，从而改变出射光的偏振状态。根据相移，光可以以新的偏振态出现，例如线偏振、圆偏振或椭圆偏振。
根据该公式可以推断，通过精确设计波片的厚度并利用具有特定双折射特性的材料，可以在目标波长处获得所需的相位延迟值，从而调控光的偏振态。
此外还需注意，波片可分为多级波片（multiple-order waveplate）和零级波片（zero-order waveplate）。由单一双折射材料制成的多级波片，在产生所需相位延迟的同时，还会引入若干个完整波长的额外相位偏移。相比之下，零级波片由两片相同双折射材料制成的波片组成，且两者的光轴相互垂直；这种设计使其厚度更薄，能够精确产生所需的相位延迟，而不会引入额外的完整波长延迟。例如，多级四分之一波片引入的总延迟为四分之一波长加上若干个整数倍波长，而零级四分之一波片则在快轴和慢轴分量之间精确引入四分之一波长的延迟。相较而言，多级四分之一波片厚度较大，更易于操作，但其延迟量会随波长或温度的变化而发生偏移；零级波片则能提供更稳定的延迟，受光谱变化的影响较小。
此外还有真零级波片、消色差波片和超消色差波片；您可以点击此处了解更多关于不同类型波片的信息。
了解四分之一波片与半波片
四分之一波片和半波片是最常用的波片类型，因为用户可以将多片四分之一波片和半波片组合使用，从而实现比单片波片所能提供的范围更广的相位偏移（延迟）。
四分之一波片
四分之一波片（Quarter Wave Plate）是一种能在入射光的两个正交偏振分量（即分别沿快轴和慢轴排列的偏振分量）之间引入 90°（或 λ/4，即四分之一波长）相位延迟的波片。
四分之一波片的主要功能是在线偏振光和圆偏振光之间进行相互转换。请注意，若要将线偏振光转换为圆偏振光，入射线偏振光的偏振面必须与四分之一波片的慢轴或快轴成 45° 角；否则，最终形成的偏振态将是椭圆偏振而非圆偏振。
若将光的偏振分量视为电矢量，则四分之一波片将线偏振光转换为圆偏振光的过程会更容易理解。
首先，让我们了解一下什么是圆偏振。在电动力学中，电场矢量描述了空间中某一点电场的强度和方向。对于圆偏振光，随着时间的推移，电场矢量的末端会在垂直于波传播方向的平面内描绘出一个圆。两个相互垂直分量之间的相位差决定了电场矢量在任意时刻的取向。
如果我们追踪由快轴分量和慢轴分量叠加而成的合成电场矢量的末端，会发现它描绘出一条螺旋线。这是因为该波由两个振幅相等但相位差为 90° 的相互垂直电场分量组成。这种螺旋运动源于两个正交偏振分量之间恒定的四分之一波长（λ/4）相位差。
以下是利用四分之一波片将线偏振光转换为圆偏振光的方法：
首先，在光束路径上放置一个偏振片。旋转偏振片以确定入射光的偏振面，从而为后续对齐波片建立参考基准。将四分之一波片置于光源与偏振片之间。绕光束轴旋转四分之一波片，找到偏振片阻挡光线最多的位置（即消光位置）；此时，波片的光轴与偏振面的方向对齐。从该消光位置将四分之一波片旋转 45°。在此角度下，四分之一波片引入了四分之一波长（λ/4）的相位延迟，从而将线偏振光转换为圆偏振光。
图2. 利用四分之一波片将线偏振光转换为圆偏振光
半波片：旋转偏振态
半波片（Half Wave Plate）是一种能使通过它的光束在快轴和慢轴偏振分量之间产生180°（即半个波长）相位差的光学元件。这种相位延迟源于双折射材料中寻常光折射率（no）与非寻常光折射率（ne）的差异，从而能够精确控制光的偏振态。
半波片可用于旋转线偏振光的偏振方向。
当线偏振光入射到半波片上，且其偏振面与波片的快轴成θ角时，由于半波片的作用，光束的快轴分量与慢轴分量之间会产生180°的相位差。结果，该光波的偏振方向会旋转2θ角。输出光仍保持线偏振状态，但其偏振方向与快轴的夹角变为2θ。
以下是一个实际例子：如果线偏振光的偏振方向与半波片快轴成θ=30°角入射，则输出光的偏振方向与快轴的夹角将变为60°（因为2×30°=60°）。
半波片的一个常见应用是将激光的垂直偏振面旋转为水平偏振面。大多数大型离子激光器输出的是垂直偏振光；当激光系统体积庞大、不便旋转时，半波片提供了一种便捷的方法来将偏振面转换为水平方向。只需将半波片放置在快轴（或慢轴）与垂直偏振方向成45°角的位置，输出光就会旋转2×45°=90°。
对于圆偏振光，半波片也能有效改变其旋向。具体而言，如果右旋圆偏振光（RHCP）通过半波片，出射光将变为左旋圆偏振光（LHCP），反之亦然。这种转变之所以发生，是因为半波片使电场矢量的一个分量相对于另一个分量产生半个波长的位移，从而有效地反转了电场矢量的旋转方向。
选择四分之一波片和二分之一波片时需考虑的重要因素
1. 波长
入射光的波长对于决定四分之一波片和二分之一波片的性能至关重要。用于制造波片的材料，其厚度和双折射特性是针对特定波长设计的。由于色散（点击此处了解更多关于色散的信息）的存在，不同波长的入射光会经历不同的折射率；而波片产生的相位差源于寻常光（no）和非寻常光（ne）两种折射率导致的传播速度差异，因此波片引入的相位差与波长密切相关。在大多数情况下，波片是针对特定的设计波长进行优化的。如果在偏离设计波长的波长下使用波片，可能会导致相位差不理想，从而降低其功能表现。例如，设计波长为 405nm 的四分之一波片，在 405nm 以外的波长下将无法产生预期的四分之一波长相位延迟。
不过，波片对波长的敏感度也取决于波片的类型。某些类型的波片对波长变化不太敏感。例如，零级（Zero Order）四分之一波片的相位延迟性能受波长变化的影响较小，相比之下，多级（Multiple Order）波片则较为敏感。此外还有消色差波片（Achromatic Waveplates），这类波片由两种具有互补双折射特性的不同材料制成的波片组合而成。消色差四分之一波片的设计旨在宽波长范围内（标准消色差波片通常覆盖数百纳米范围）提供平坦的 λ/4 相位延迟响应。
2. 温度
温度变化会影响波片所用材料的光学特性。折射率、厚度及其他材料属性可能会随温度变化，进而导致相位差出现偏差。如果四分之一波片或二分之一波片的应用环境存在剧烈的温度波动，应选择零级或真零级（True Zero Order）四分之一/二分之一波片，而不应选择多级四分之一/二分之一波片。
3. 偏振要求
您需要产生或调控的偏振态将决定波片的选择。圆偏振：当四分之一波片的光轴与入射光的偏振方向成 45° 角放置时，它可以将线偏振光转换为圆偏振光。
椭圆偏振：如果入射光的偏振方向未与波片的快轴对齐，四分之一波片也可以产生椭圆偏振光。
偏振旋转：半波片用于将光的偏振方向旋转特定的角度（旋转量可调）。其作用效果取决于快轴的取向。
4. 入射角
光线入射到波片上的角度会影响相位差和偏振变换。大多数波片是针对垂直入射（光线垂直于表面）设计的。然而，如果光线以一定角度入射，波片的光学特性可能会发生变化，导致预期的相位差出现偏差。
在大角度入射时，可能会产生光学像差（尤其是对于大光束），从而影响偏振变换效果。因此，必须确保波片具有足够的容差，以便在预期的入射角范围内工作而不会出现明显的性能下降。
某些特定类型的波片（例如聚合物波片）相比晶体波片，对角度偏差具有更好的容忍度。
5. 安装
正确的安装对于确保波片的快轴与光的偏振方向精确对齐至关重要。波片安装偏差可能导致错误的相位移动或偏振旋转。安装结构应能确保在时间推移及温度变化下保持位置稳定，以避免偏振态发生漂移。若需对偏振状态进行微调，部分波片配有可调节安装座，允许精确旋转波片以对齐其快轴。
四分之一波片与二分之一波片的应用：
四分之一波片的应用：
1. 圆偏振器：
四分之一波片最典型的应用是作为圆偏振器，将线偏振光转换为圆偏振光。这种转换可通过组合使用四分之一波片与起偏器（线性偏振片）来实现。
如下图所示，激光束垂直入射并穿过起偏器后，转变为线偏振光；随后，该线偏振光垂直入射到四分之一波片上。在此过程中，输出光强保持不变，而光束转变为圆偏振光或椭圆偏振光；其长轴方向及旋转方向取决于起偏器的偏振方向与四分之一波片快轴方向之间的夹角。当波片快轴与起偏器偏振方向的夹角为 +45° 时，输出光束为左旋圆偏振光；当夹角为 -45° 时，输出光束为右旋圆偏振光。
图3. 使用四分之一波片作为圆偏振器
2. 光隔离器
四分之一波片是许多光隔离器设计中的关键元件，通常与线偏振器或偏振分光棱镜配合使用。光隔离器是一种旨在消除或最大限度减少光学系统（尤其是激光系统）中不希望出现的背向反射的装置。这些反射可能会导致激光源不稳定，或干扰光学元件的正常工作。在光隔离器中，四分之一波片通过转换光的偏振态发挥着至关重要的作用；它与偏振器或偏振分光棱镜协同工作，确保阻挡或改变不希望出现的背向反射光的传播路径。
图4. 利用四分之一波片作为光隔离器
3. 光衰减器：
当与两个偏振器配合使用时，四分之一波片可用作光衰减器。首先，激光束垂直入射到第一个偏振器上，出射光变为线偏振光；随后，该线偏振光入射到四分之一波片上，经其处理后转变为椭圆偏振光；最后，当光束通过第二个偏振器进行滤波时，其光强会发生变化。光强的衰减比例取决于入射光的偏振状态。
图5. 使用四分之一波片作为光衰减器
半波片的应用：
1. 连续偏振旋转器：
将半波片安装在旋转架（手动或电动）上时，可用作连续偏振旋转器。由于旋转角度是入射偏振方向与半波片快轴之间夹角的两倍，因此通过调节入射偏振方向与半波片快轴之间的夹角，即可实现旋转角度的连续调节。
2. 可变分光比分光器
半波片与偏振分光棱镜（PBS）配合使用时，可作为可变分光比分光器，实现对光分光比的精确连续控制。
PBS 将光按偏振分量分离：P 偏振光透射，S 偏振光反射。半波片用于旋转入射光束的偏振角。通过调节半波片快轴的取向，可将输入光的偏振态按任意比例分配为 P 偏振光和 S 偏振光。具体而言，当半波片快轴与输入偏振方向成 θ 角时，偏振方向会旋转 2θ，从而使透射光束与反射光束的相对功率比在 0:100 到 100:0 之间连续变化。该方法无需机械调节 PBS 即可精细控制分光比，是一种高效且光损耗极低的解决方案。
四分之一波片与半波片组合用作偏振态发生器：
四分之一波片和半波片可与起偏器组合，构成偏振态发生器。起偏器首先确定入射光的线偏振方向。随后，四分之一波片将线偏振光转换为圆偏振光（若偏振方向与四分之一波片快轴成 45° 角）或椭圆偏振光（若成其他角度）。最后，利用半波片可进一步改变偏振态，例如旋转偏振方向或改变圆偏振光的旋向（取决于半波片的取向）。
图 6. 使用四分之一波片和半波片作为偏振态发生器
结论
波片，包括四分之一波片和半波片，是现代光学中不可或缺的工具。无论是实现四分之一波片的圆偏振，还是使用半波延迟器微调线偏振，这些器件都能在关键应用中确保精确便捷的偏振控制。通过深入理解四分之一波片和半波片的特性，研究人员和工程师可以轻松优化光学设计并实现所需的偏振效果。
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