设计和制造一种全息四分之一波片，该波片在632.8纳米波长下具有高衍射效率和精确的相位延迟特性

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设计和制造一种全息四分之一波片，该波片在632.8纳米波长下具有高衍射效率和精确的相位延迟特性

时间：2026年2月18日

来源：Optics & Laser Technology

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全息四分之一波片基于耦合波理论和相位延迟原理设计，采用光敏聚合物实现紧凑轻量化结构，适用于632.8nm红光光谱，通过精确控制曝光角度生成零级衍射光栅，实验获得90%衍射效率和87°相位延迟，解决了传统波片材料限制并提升光稳定性。

Fan-Hsi Hsu|Hung-Yu Chen|Nian-Yu Lo

国立联合大学光电工程系，台湾苗栗县苗栗市连达2号，360302

摘要

四分之一波片（QWP）是一种基本的光学元件，用于操控偏振状态和控制相位延迟，在激光加工、干涉测量、光通信和增强现实（AR）等领域有广泛的应用。传统的晶体波片虽然性能稳定，但受到尺寸限制且缺乏设计灵活性。因此，本研究基于耦合波理论和相位延迟原理，提出了一种全息四分之一波片（HQWP）的设计与制造方法，这种波片体积小、重量轻，具有较高的系统集成度，适用于各种实际应用。此外，通过在记录过程中精确控制曝光角度，可以生成具有特定衍射角和相位延迟特性的全息光栅结构，这对于实现所需的光学性能至关重要。利用耦合波理论、相位延迟原理和K矢量图，计算出理论衍射角θ_d为42.32°，衍射效率为94.5%。实验结果表明，所制造的全息四分之一波片的衍射效率达到90%，相位延迟为87°，证明了其在光测量和制造领域的有效性。总之，所提出的全息四分之一波片在紧凑性、集成便捷性以及适用于下一代光学应用方面具有优势。

引言

四分之一波片（有时也称为相位延迟器）是一种可以用来调整和控制光偏振状态的光学元件[1]，[2]，[3]，因此广泛应用于激光加工、干涉测量、光通信和增强现实（AR）[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]，[12]，[13]等领域。在现代光学系统中，通过四分之一波片精确操控偏振状态至关重要。例如，在高精度光栅干涉测量中，四分之一波片用于改变干涉光束的偏振状态，有效消除随机角度误差，提高测量精度[14]。同样，在新兴的近眼显示技术中，四分之一波片用于调节折叠光学架构内光束的传播方向，从而实现高效且紧凑的显示解决方案[15]。然而，目前用于制造波片的材料主要是双折射晶体、聚合物和液晶[16]，[17]。由于这些材料的光学各向异性，双折射晶体可以在寻常光（o光）和非常光（e光）之间产生相位延迟，从而实现对偏振状态的精确控制[18]，[19]。石英（Quartz）、YVO4和BBO等双折射晶体具有稳定性高、光损耗低以及适用光谱带宽广等优点[20]，[21]。但由于晶体的折射率（ne，no）是固定值，波片的相位延迟无法动态调节；此外，这些材料的设计需要丰富的经验，并涉及复杂的多步骤制造过程，因此成本也相对较高。另一种替代材料是聚合物薄膜（如PET或液晶聚合物）；大多数聚合物在制造过程中受到应力作用后会表现出双折射性，具有薄而轻、柔韧、成本低以及适合大面积制造等优点，因此被广泛应用于消费类光学设备中，如显示器[22]，[23]。然而，商用聚合物波片主要依赖于机械拉伸产生的应力诱导双折射。这种制造方法会导致多阶延迟特性，且容易因应力松弛和材料热膨胀而产生不稳定。相比之下，所提出的全息四分之一波片通过全内反射机制产生相位延迟，实际上起到了零阶波片的作用。这种几何相位特性使得该设备在应对厚度变化和温度波动时比传统的基于应力的聚合物延迟器更加稳定。液晶材料可以通过施加电压改变液晶分子的排列方向，从而动态调节波片的相位延迟[24]。这使得它们在偏振调制、光学切换和可调光学元件方面具有很高的灵活性，但液晶波片对温度和电场敏感，响应速度较慢，且无法承受高功率光束[25]。与上述三种材料相比，全息光学元件可以在光敏材料中记录干涉条纹，形成具有折射率调制的光栅结构，从而实现高度选择性的偏振状态控制和相位延迟调制[4]，[5]，[26]，[27]。

鉴于此，基于耦合波理论和波片的相位延迟原理[28]，[29]，并根据基底模式体积全息图的结构特点来补偿记录材料的收缩，本文提出了一种适用于红色光谱带的全息四分之一波片的设计。该设计可以有效校正曝光过程引起的厚度和倾斜偏差，显著提高红色光谱带内全息四分之一波片的光学匹配度和相位延迟精度。此外，这种设计具有薄而轻的特点，适合大面积制造，并提供较高的设计自由度，适用于下一代光学组件。