消色差波片基本原理(lǐ)
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发布时间：2023-08-31 13:40:18
双折射是光學(xué)晶體(tǐ)的基本光學(xué)特性之一。当一束光透过双折射晶體(tǐ)，会分(fēn)解成寻常光（o光）和非常光（e光）。改变晶體(tǐ)厚度，可(kě)以调控两束光的相位差，制备出具有(yǒu)不同偏振调制特性的1/2波片、1/4波片（相位延迟器）等光學(xué)元件，在光通信、显示和偏振光學(xué)等领域具有(yǒu)重要应用(yòng)价值。消色差波片一般由双折射材料制作，产生的相位延迟為(wèi)：
其中n0和ne分(fēn)别是o光和e光的折射率，由于光學(xué)材料对不同波長(cháng)的色光有(yǒu)不同的折射率，即n0和ne均為(wèi)波長(cháng)的函数，因此，波片厚度d也是波長(cháng)的函数。根据以上理(lǐ)论，常用(yòng)的1/4波片和1/2波片厚度一定，仅对单一波長(cháng)使用(yòng)，对别的波長(cháng)就会产生误差，甚至完全不能(néng)使用(yòng)，这对于非单色光谱工作就造成了困难。消色差波片能(néng)有(yǒu)效减少波長(cháng)对相位延迟的影响，实现同一波片在多(duō)个波段具有(yǒu)同一延迟量，在很(hěn)宽的波長(cháng)范围实现均匀的相位延迟。
色差本质上是由于光學(xué)材料对不同波長(cháng)的色光有(yǒu)不同的折射率（即色散）而带来的像差，如下图左侧所示，同一孔径不同色光经光學(xué)系统后与光轴有(yǒu)不同的交点，在任何像面位置，物(wù)点的像是一个彩色的弥散斑。下图右侧是一个典型的消色差透镜示意图，通过使用(yòng)两片不同折射率的玻璃组合来补偿色差。
“消色差波片”的“色差”与几何像差中描述的成像色差意义不同，它是指波長(cháng)对相位延迟的影响。
单个双折射晶體(tǐ)波片的延迟可(kě)以简化表示為(wèi)：
其中，μ為(wèi)材料双折射率，d為(wèi)晶體(tǐ)厚度，λ為(wèi)入射光波長(cháng)。若能(néng)找到一种晶體(tǐ)材料，其双折射率随波長(cháng)成線(xiàn)性变化，那么它的延迟就不再随波長(cháng)变化。但现实中很(hěn)难找到能(néng)够满足这种要求的双折射晶體(tǐ)。
与消色差透镜类似，不同晶體(tǐ)其双折射率随波長(cháng)变化是不一致的，利用(yòng)这一原理(lǐ)，采用(yòng)两种不同材料的晶體(tǐ)，可(kě)以组成消色差波片。对不同波長(cháng)光的相位延迟如下式：
已知μ1、μ′1、μ2、μ′2、λ1、λ2时，可(kě)以求出d1、d2的厚度，保证在λ1、λ2两波長(cháng)处得到相同的相位延迟，从而实现消色差的目的。
常用(yòng)的消色差波片由石英晶體(tǐ)和氟化镁（MgF2）构成，通过将多(duō)级石英波片的快轴和氟化镁波片的慢轴对准，可(kě)以获得零级消色差波片，根据两块波片的光程差為(wèi)λ/4和λ/2，分(fēn)别获得λ/2和λ/4消色差波片，如下图所示。
消色差波片在光學(xué)系统中的应用(yòng)非常广泛，特别是在高精度成像和测量领域。例如，在显微镜、望遠(yuǎn)镜、摄影镜头、激光测距仪等光學(xué)设备中，消色差波片都是必不可(kě)少的元件。消色差波片还可(kě)以用(yòng)于光谱分(fēn)析、光學(xué)通信、光學(xué)传感等领域。除了消色差波片，还有(yǒu)其他(tā)一些方法可(kě)以消除色差，例如使用(yòng)非球面透镜、多(duō)片透镜组合、色散补偿棱镜等。但是，这些方法都存在一定的局限性和缺陷，而消色差波片则具有(yǒu)结构简单、效果稳定、成本低廉等优点，因此被广泛应用(yòng)。
由于折射率的色散特性，基于传统光學(xué)设计方案的波片只能(néng)在特定波長(cháng)工作，不能(néng)满足光學(xué)系统集成化的发展。如何制备消色差的波片成為(wèi)光學(xué)领域重要的技术挑战之一。制造消色差波片的核心是控制每个波長(cháng)的相位延迟。消色差1/4波片的制备一般通过多(duō)个单轴晶片的黏合，或精确设计的超材料和超表面来实现。然而，单轴晶片的黏合和超材料的制备都受到加工极限的限制，目前尚没有(yǒu)在可(kě)见光波段实现宽光谱消色差1/4波片的简单技术路線(xiàn)。
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