波片及加工工艺

1.  波片的特性与用途

波片是一种光波相位延迟器，是用双折射晶体或其他各向异性材料加工而成的，具有精确厚度的光学平行平板。

当光线垂直入射时，会产生双折射，其中o光在晶体内部各个方向上的折射率是相同的，而e光在晶体内部各个方向上的折射率是不相同的。因此，o光在晶体中各个方向上的传播速度相等，而e光在晶体中的传播速度随着传播方向的不同而不同。对正晶体而言，o光在晶体中的传播速度大于e光在晶体中的传播速度。这样，两光束通过晶片后，o光总是超前e光。所以，o光和e光之间产生的相位差为

式中：n_o和n_e分别为晶片对o光和e光的主折射率；d为晶片的厚度；λ为所通过光波的波长。

改变晶片的厚度就可以改变o光和e光之间的相位差δ。

通常称δ为2π整数倍（光程差为波长的整数倍）的晶片为全波片；称δ为π奇数倍（光程差为波长一半的奇数倍）的晶片为1/2波片或半波片；称δ为π/2奇数倍（光程差为λ/4的奇数倍）的晶片为1/4波片。

需要注意的是，全波片、半波片、1/4波片都是针对某一特定的波长而言的。

半波片主要用于偏振光路系统中，偏振光通过半波片后仍为偏振光，只是光的旋向发生变化。利用这一性质，在激光测试中常用到半波片。

1/4波片既能将入射的线偏振光变成圆偏振光，也能将入射的圆偏振光变成线偏振光。它是激光技术领域中常用的晶体光学零件之一。在光纤通信和图像处理系统中常用作光学隔离器。

加工波片的材料通常有石英、云母、氟化镁和硫化镉等晶体。但是，其中的云母由于材料强度低，使用时通常需要在其两个表面上加上保护玻璃。这不仅会增加应力引起的双折射，还会影响波片的透过率。而氟化镁和硫化镉晶体主要是用来加工中、远红外波段使用的波片，用得并不普遍。从材料的物理、机械、热学、光学和加工性能综合考虑，用光学石英加工波片是较为理想的。

2.  波片的制造工艺

2.1  定光轴

一块石英晶体，它的光轴方向与种子面基本垂直，磨平与光轴垂直的表面，在正交光显微镜下观察黑十字干涉图像，转动工作台，如光轴不准，黑十字图像就不在视场中央，转动工作台时图像就会跳动。此时微微拨动工件把黑十字图像扳到视场中央，确定修正角，反复几次直至修正到黑十字图像在视场中央，即转动工作台时图像不跳动。此时的精度完全能满足图纸上的要求。

2.2  切割

与修定好的通光面成90°垂直切片，薄片厚度约小于3 mm，磨平表面，保证光轴平行于表面。认准基准面，再将石英薄片放余量切成条状。

2.3  第一面磨砂抛光

将零件上盘。认准基准面，用刚玉粉精磨，加氧化铈抛光。由于石英的硬度高，用氧化铈抛光能得到理想的表面。第一面的光圈小于一个圈。

2.4  第二面磨砂抛光

第二面磨砂抛光的好坏是保证零件精度的关键所在。

把切成条状的薄片光胶放在平行平板上，然后精磨。精磨阶段必须测量波片的绝对厚度，而要测量这样精确的厚度，要用到读数值为1μm的测厚仪。

实际加工中，当厚度抛光大于理论值3～5μm时，就不再测量其绝对厚度，而应通过实验装置进行实测。测量用的光源波长要用波片将来使用的工作波长。用比较测角仪检查平行度，要求双像重叠、光圈小于一个圈，这时候就可以下盘。

2.5  侧面抛光

对于晶片还有一个特殊要求，即薄型波片的两个侧面与表面要垂直，并且四条棱线要求锋利，不能有缺口和毛边。

波片加工的最大难点是第二面的抛光，因为抛光第二面时，需要对厚度进行精确测量与控制。测量过程中需要准确判断厚度是“过头”还是“不足”，以便采取相应措施加以修正。

厚度过头是指波片的加工厚度已经稍薄于应有的厚度，但又与下一个厚度周期相差较大。出现这种情况时，就不能仅仅依靠抛光来修正厚度，而是要重新精磨后再抛光至下一个厚度周期。

厚度不足是指波片的实际加工厚度稍大于应有的厚度。出现厚度不足时，一般不必重新研磨，而是直接依靠抛光来减薄。