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消色差波片基本原理
來源： 閱讀：432 發(fā)布時(shí)間：2023-08-31 13:40:18
消色差波片基本原理
概述
雙折射是光學(xué)晶體的基本光學(xué)特性之一。當(dāng)一束光透過雙折射晶體，會(huì)分解成尋常光（o光）和非常光（e光）。改變晶體厚度，可以調(diào)控兩束光的相位差，制備出具有不同偏振調(diào)制特性的1/2波片、1/4波片（相位延遲器）等光學(xué)元件，在光通信、顯示和偏振光學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。消色差波片一般由雙折射材料制作，產(chǎn)生的相位延遲為：

 

其中n0和ne分別是o光和e光的折射率，由于光學(xué)材料對不同波長的色光有不同的折射率，即n0和ne均為波長的函數(shù)，因此，波片厚度d也是波長的函數(shù)。根據(jù)以上理論，常用的1/4波片和1/2波片厚度一定，僅對單一波長使用，對別的波長就會(huì)產(chǎn)生誤差，甚至完全不能使用，這對于非單色光譜工作就造成了困難。消色差波片能有效減少波長對相位延遲的影響，實(shí)現(xiàn)同一波片在多個(gè)波段具有同一延遲量，在很寬的波長范圍實(shí)現(xiàn)均勻的相位延遲。
原理
色差本質(zhì)上是由于光學(xué)材料對不同波長的色光有不同的折射率（即色散）而帶來的像差，如下圖左側(cè)所示，同一孔徑不同色光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后與光軸有不同的交點(diǎn)，在任何像面位置，物點(diǎn)的像是一個(gè)彩色的彌散斑。下圖右側(cè)是一個(gè)典型的消色差透鏡示意圖，通過使用兩片不同折射率的玻璃組合來補(bǔ)償色差。

“消色差波片”的“色差”與幾何像差中描述的成像色差意義不同，它是指波長對相位延遲的影響。
單個(gè)雙折射晶體波片的延遲可以簡化表示為：

 

其中，μ為材料雙折射率，d為晶體厚度，λ為入射光波長。若能找到一種晶體材料，其雙折射率隨波長成線性變化，那么它的延遲就不再隨波長變化。但現(xiàn)實(shí)中很難找到能夠滿足這種要求的雙折射晶體。
與消色差透鏡類似，不同晶體其雙折射率隨波長變化是不一致的，利用這一原理，采用兩種不同材料的晶體，可以組成消色差波片。對不同波長光的相位延遲如下式：

 

已知μ1、μ′1、μ2、μ′2、λ1、λ2時(shí)，可以求出d1、d2的厚度，保證在λ1、λ2兩波長處得到相同的相位延遲，從而實(shí)現(xiàn)消色差的目的。
常用的消色差波片由石英晶體和氟化鎂（MgF2）構(gòu)成，通過將多級石英波片的快軸和氟化鎂波片的慢軸對準(zhǔn)，可以獲得零級消色差波片，根據(jù)兩塊波片的光程差為λ/4和λ/2，分別獲得λ/2和λ/4消色差波片，如下圖所示。

 

應(yīng)用
消色差波片在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛，特別是在高精度成像和測量領(lǐng)域。例如，在顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、攝影鏡頭、激光測距儀等光學(xué)設(shè)備中，消色差波片都是必不可少的元件。消色差波片還可以用于光譜分析、光學(xué)通信、光學(xué)傳感等領(lǐng)域。除了消色差波片，還有其他一些方法可以消除色差，例如使用非球面透鏡、多片透鏡組合、色散補(bǔ)償棱鏡等。但是，這些方法都存在一定的局限性和缺陷，而消色差波片則具有結(jié)構(gòu)簡單、效果穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用。
進(jìn)展
由于折射率的色散特性，基于傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)方案的波片只能在特定波長工作，不能滿足光學(xué)系統(tǒng)集成化的發(fā)展。如何制備消色差的波片成為光學(xué)領(lǐng)域重要的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。制造消色差波片的核心是控制每個(gè)波長的相位延遲。消色差1/4波片的制備一般通過多個(gè)單軸晶片的黏合，或精確設(shè)計(jì)的超材料和超表面來實(shí)現(xiàn)。然而，單軸晶片的黏合和超材料的制備都受到加工極限的限制，目前尚沒有在可見光波段實(shí)現(xiàn)寬光譜消色差1/4波片的簡單技術(shù)路線。
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