消色差波片基本原理
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發布(bu)時(shi)間：2023-08-31 13:40:18
雙折射是光學晶體的基本光學特性之一。當一束光透過雙折射晶體，會分解成尋常光（o光）和非常光（e光）。改變晶體厚度，可以調控兩束光的相位差，制備出具有不同偏振調制特性的1/2波片、1/4波片（相位延遲器）等光學元件，在光通信、顯示和偏振光學等領域具有重要應用價值。消色差波片一般由雙折射材料制作，產生的相位延遲為：
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，因此，波片厚度d也是波長的函數。根據以上理論，常用的1/4波片和1/2波片厚度一定，僅對單一波長使用，對別的波長就會產生誤差，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，實現同一波片在多個波段具有同一延遲量，在很寬的波長范圍實現均勻的相位延遲。
色差本質上是由于光學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，如下圖左側所示，同一孔徑不同色光經光學系統后與光軸有不同的交點，在任何像面位置，物點的像是一個彩色的彌散斑。下圖右側是一個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。
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。但現實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，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，從而實現消色差的目的。
常用的消色差波片由石英晶體和氟化鎂（MgF2）構成，通過將多級石英波片的快軸和氟化鎂波片的慢軸對準，可以獲得零級消色差波片，根據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。
消色差波片在光學系統中的應用非常廣泛，特別是在高精度成像和測量領域。例如，在顯微鏡、望遠鏡、攝影鏡頭、激光測距儀等光學設備中，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、光學通信、光學傳感等領域。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構簡單、效果穩定、成本低廉等優點，因此被廣泛應用。
由于折射率的色散特性，基于傳統光學設計方案的波片只能在特定波長工作，不能滿足光學系統集成化的發展。如何制備消色差的波片成為光學領域重要的技術挑戰之一。制造消色差波片的核心是控制每個波長的相位延遲。消色差1/4波片的制備一般通過多個單軸晶片的黏合，或精確設計的超材料和超表面來實現。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現寬光譜消色差1/4波片的簡單技術路線。
