光学波片是一种能使互相垂直的两光振动间产生附加相位差的重要光学器件。目前的光学波片种类繁多,性能各异。本文介绍了目前使用比较广泛的块状波片和光纤波片的种类,并对它们的温度特性、波长特性进行了分析

冯煜

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-8- /2012.01/探索与观察》》光学波片的种类与特性厦门大学信息科学与技术学院  冯  煜【摘要】光学波片是一种能使互相垂直的两光振动间产生附加相位差的重要光学器件。目前的光学波片种类繁多，性能各异。本文介绍了目前使用比较广泛的块状波片和光纤波片的种类，并对它们的温度特性、波长特性进行了分析。【关键词】块状波片；光纤波片；温度特性；波长特性一、引言光学波片（即相位延迟器）是偏振光学中非常重要的一种器件，它能使互相垂直的两光振动间产生附加相位差，进而改变光波的偏振态，在光纤通信、光纤传感、光弹力学、光学精密测量等领域都有着非常广泛的应用。偏振态是光波的一个重要的特征参量，在实际工作中经常需要改变光波的偏振态。由于光波的偏振态是由其正交振动的振幅比与相位差所决定的，因此我们利用波片来改变这两个参量，就可以达到改变光波偏振态的目的。 常用的光学波片有λ/4波片和λ/2波片两种。λ/4波片主要用来将线偏振光转换成圆偏振光（线偏振光的偏振方向与波片的光轴成45°角入射时）和椭圆偏振光（线偏振光的偏振方向与波片的光轴不成45°角入射时），或将圆偏振光和椭圆偏振光转换成线偏振光。λ/2波片常用作线偏振光的偏振方向旋转器（与λ/2波片的光轴成θ角入射的线偏振光经过波片后偏振方向会旋转2θ）。目前使用比较广泛的光学波片主要有块状波片和光纤波片两大类，它们都具有各自不同的特性，本文对其分别进行介绍。二、块状波片块状波片是由双折射材料经过切割、抛光、镀膜等复杂的工艺流程而制成的薄片，其光轴与波片表面平行。当线偏振光垂直入射到波片，且振动方向与波片的光轴夹θ角（θ≠0）时，入射的光振动会分解成垂直于光轴（o光）和平行于光轴（e光）两个分量，它们沿同一方向传播，但传播速度不同，穿出波片后两束光间会产生 的光程差（其中d为波片厚度，no和ne分别为o光和e光的折射率），换算成相位差为 （其中λ为入射光的波长）。两束光合成后的偏振态一般为椭圆偏振，当（k为整数）时的波片为λ/2波片，两束光合成为线偏振光，当 （k为整数）时的波片为λ/4波片，两束光合成为圆偏振光或椭圆偏振光。块状波片按结构来分，有真零级波片，多级波片，胶合零级波片（复合波片）及消色差波片。真零级波片延迟量的波长和温度稳定性高。以Meadowlark公司的真零级λ/2波片为例，当工作波长偏离中心波长1/10时，其相位延迟量的变化仅为16.2度。但真零级波片往往非常的薄。以真零级石英波片为例，一个以550nm为中心波长的真零级石英波片的厚度只有15um，如此薄的波片在制造和使用上都会遇到不少困难。多级波片的厚度等于多个全波厚度（从几个到上百个不等）加一个所需延迟量厚度，从延迟效果上看与零级波片没有多大区别，但随着波片级数的增加，温度、波长变化对其相位延迟量的影响会越来越显著。以1550nm的23级λ/2石英波片为例，环境温度每升高1℃，其相位延迟量约变化0.35度。与真零级波片相比，多级波片相对比较容易制造和使用，性价比较高。胶合零级波片（复合波片）是将两个多级波片胶合在一起，通过将一个波片的快轴和另一个波片的慢轴对准以消除全波光程差，仅留下所需的光程差。胶合零级波片可以在一定程度上改善温度对波片相位延迟量的影响，但另一个结果是其增加了波片相位延迟量对光入射角度及波长-9-/2012.01/探索与观察》》的敏感性。消色差波片由两种具有不同色散值的双折射晶体组成，可以在很宽的波长范围内实现较为均匀的相位延迟。以Tempotec公司的1550nm消色差λ/2波片为例，在中心波长附近200nm的波长范围内，其相位延迟量的变化仅为1度。块状波片按材料来分，有晶体波片和聚合物波片。晶体波片常用的晶体包括石英、云母、方解石等。石英因为双折射系数过大，一般只适合做多级或胶合零级波片。云母是可以被很精细地劈开的天然晶体，可以用来做真零级波片。但云母波片的缺点是口径一般比较小，整个平面的均一性比较差，并且长时间使用的光学质量及可靠性也比较差。对于晶体波片而言，由于晶体透光方向的几何厚度d和晶体对o光、e光的折射率no、ne均为波长和温度的函数，故其相位延迟量会随着波长和温度的变化而变化，且波片的级数越高受到的影响越显著。其相位延迟量的变化将通过材料的折射率温度系数和热膨胀系数加以体现。不同材料的波片其折射率温度系数、热膨胀系数存在着很大差别，由此所引起的相位延迟量变化也不尽相同。对于聚合物而言，由于其双折射系数比较小，所以更适合用来制造真零级波片。各种聚合物在不同波段的色散程度不同，所以对不同应用要考虑用不同类型的聚合物。三、光纤波片光纤波片是由一定长度的双折射光纤制成的，相比于晶体波片其大的优点是可以在线使用。将线偏振光看作是两相互正交方向上的偏振光的叠加，在理想的直单模光纤中，这两个方向上的偏振光具有相同的传播常数（两模式简并）。而在双折射光纤中，光纤中原本简并的两个正交偏振光在快慢轴方向的传播常数就会产生差异，进而产生相位差。其产生的相位差为 （其中nx、ny分别为双折射光纤快轴和慢轴的折射率，L0为双折射光纤的长度，λ为入射光的波长）。因此光纤波片就是这样一种利用光纤的双折射使两个正交偏振光间产生相位差的光学器件。如果产生的相位差为π/2，则这段双折射光纤就是λ/4波片，如果产生的相位差为π，则这段双折射光纤就是λ/2波片。双折射光纤按照其产生的原因可以分为应力双折射光纤和几何双折射光纤。应力双折射光纤又可分为基于内应力的双折射光纤和基于外应力的双折射光纤。熊猫型保偏光纤就是典型的基于内应力的双折射光纤。在熊猫型保偏光纤中，作用于纤芯的内应力导致x方向和y方向有折射率差存在：（其中光弹系数P12和P11、泊松系数v、杨氏模量E均为材料的性能参数，n为无应力下纤芯的折射率，ΔP为x、y两个方向上应力的压强差）。产生的相位延迟量为 。使两个正交模式之间产生2π相位延迟量的保偏光纤长度LP称为保偏光纤的拍长。我们只要取合适长度的保偏光纤就可以制作所需的光纤波片。λ/4波片所需的保偏光纤长度为 （k为整数），λ/2波片所需的保偏光纤长度为 （k为整数）。熊猫型保偏光纤波片对温度较为敏感。在环境温度发生变化时，由于石英材料随温度的伸缩系数非常小（约为10-7数量级），所以可以近似地认为光纤波片的长度L0不随温度变化，但是石英材料的折射率n和两正交方向上的压强差ΔP会随着温度的变化而变化，故光纤波片的相位延迟量也会随之发生变化。以长度为3/4LP的熊猫型保偏光纤λ/2波片为例，环境温度每升高1℃，其相位延迟量变化0.27度。另外，波片长度的增加还会减小波片在满足一定相差条件下的带宽。弯曲光纤就是典型的基于外应力的双折射光纤。利用弯曲光纤制成的波片使用方便、成本低，但可靠性较差。当光纤以半径R弯曲时造成的传播常数差为（其中k为波数，P11和P12为光弹系数，σ为泊松常数，r为光纤包层半径，R为光纤弯曲半径）。产生的相位延迟量为（其中N为弯曲光纤的圈数）。1550nm处的弯曲光纤λ/2波片可由半径为1.69cm的光纤线圈绕四圈构成[7]。在环境温度发生变化时，弯曲光纤波片的相位延迟量会随着石英材料-10- /2012.01/探索与观察》》折射率的变化而发生微小的变化，但总体来说，利用弯曲光纤制成的波片具有较好的温度特性和波长特性。环境温度每变化1℃，弯曲光纤λ/4波片产生的相位差变化0.0035度，弯曲光纤λ/2波片产生的相位差变化0.007度；输入光波长每变化1nm，弯曲光纤λ/4波片产生的相位差变化0.058度，弯曲光纤λ/2波片产生的相位差变化0.116度。几何双折射光纤包括了光子晶体光纤、椭圆纤芯型保偏光纤等。在几何双折射光纤中，光纤横截面几何形状的各向异性会导致材料介电常数和磁导率的各向异性，进而引起折射率的各向异性，形成双折射。光子晶体光纤又称为微结构光纤或多孔光纤。这种光纤通常是由单一介质构成的，其构成微结构包层的空气孔在二维方向上紧密排列（通常为周期性六角形）而在第三维方向（光纤的轴向）基本保持不变，其纤芯可以是实芯材料或空气。通过破坏光子晶体光纤横截面的旋转对称性（如：在包层中引入大小不一的空气孔或者改变包层空气孔的形状和排列）引入几何双折射，就很容易制成比普通保偏光纤的双折射至少高出一个数量级的高双折射光子晶体光纤。类似于前面所述的熊猫型保偏光纤，我们只要取合适长度的光子晶体光纤就可以制作所需的光纤波片。对于几何双折射光纤波片，在环境温度发生变化时，其相位延迟量的改变主要是受折射率这一个量随温度变化的影响，所以相比于熊猫型保偏光纤波片，几何双折射光纤波片的相位延迟量受温度变化的影响要小。因此，使用几何双折射光纤制作的波片将具有更好的温度稳定性。以光子晶体光纤波片为例，其比传统的熊猫型保偏光纤波片的温度稳定性提高了近20倍，但它们的波长稳定性几乎相当。另外，光子晶体光纤波片长度的增加同样也会减小其在满足一定相差条件下的带宽。四、其他新型光学波片液晶波片是一种实时控制的、连续可调的、由双折射液晶材料制成的波片。通过控制加在液晶两边的电压，可以改变液晶的双折射，从而改变通过液晶波片光的相位差。针对普通晶体波片相位延迟量固定、且只能应用于特定波长的不足，还有一种电控晶体波片。电控晶体波片是利用电光晶体（如：LiNbO3晶体）的电光效应设计的，可以通过改变晶体的外加电压来改变相位延迟量，进而制成λ/4、λ/2或其他任意相位延迟量的波片。另外，通过改变晶体的外加电压还可以使得波片应用于任意波长。相比于传统波片，利用薄膜偏振效应的薄膜波片具有更大的灵活性。薄膜波片可以应用于紫外、可见光甚至远红外波长区，可以应用于诸如10.6uW的大功率激光器，这些都是晶体波片所办不到的。当光栅周期尺寸接近或者小于入射光波长时，其出射光会表现出较强的偏振特性，利用这一特性可以制成亚波长光栅波片。此外还有生物波片、二维光子晶体波片等新型波片正在研究、开发中。五、总结块状波片存在着制作过程复杂、与光纤的匹配困难、耦合效率低、难以集成、材料成本高等问题，但其具有较好的性能指标。全光纤波片能够在线使用、抗振动、成本低、利于集成，但可靠性欠佳。在实际应用中，要根据需要灵活选用合适的波片。参考文献[1]宋连科,李国华,代作晓.波片延迟相位温度效应研究[J].光电子·激光,1997(12).[2]宋致堂,李国华,彭捍东.复合式补偿器的温度效应[J].光学学报,2009(6).[3]王夏霄,张春熹,张朝阳.光纤电流互感器λ/4波片温度特性及其影响研究[J].激光与红外,2006(7).[4]贾恺,姚寿铨.光纤λ/4波片的温度特性[J].上海大学学报(自然科学版),2009(10).[5]郝嘉建.高双折射光子晶体光纤波片的理论分析和实验研究[D].厦门大学硕士学位论文,2010(5).[6]赵晶晶,冯丽爽,张春熹.全光纤波片对光纤电流互感器件性能的影响[J].光学技术,2005(11).[7]向永江.普通单模光纤波片及偏振控制器的研究[J].航空学报,1992(6).作者简介：冯煜（1987－），男，福建漳州人，厦门大学信息科学与技术学院光波技术研究所硕士研究生。

光学波片的种类与特性

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