波片与相位延迟器（Waveplates and Retarders）是用于调控和改变激光偏振态的重要光学元件。
波片通常由双折射晶体制成，例如石英（Quartz）和氟化镁（Magnesium Fluoride）。此外，也存在采用非双折射材料制成的相位延迟器。例如 Fresnel棱镜相位延迟器（Fresnel Rhomb Retarder），通常由BK7、紫外熔融石英或ZnSe制成，通过全内反射来实现相位延迟。Fresnel棱镜产生的延迟几乎完全取决于材料折射率和棱镜几何结构，这一点将在后文进一步说明。
这些晶体材料的各向异性会导致光束入射时分裂为两束光：一束为普通光（Ordinary Ray），其传播受普通折射率控制；另一束为非常光（Extraordinary Ray），其传播受方向相关的非常折射率控制。两束光的偏振方向始终相互垂直。
图1：双折射现象示意图
波片的切割方式通常使其光学表面与光轴平行。在这种情况下，普通光与非常光会经历不同的折射率，从而产生不同的传播速度。
电场振动方向传播速度较快的一轴称为快轴（Fast Axis），传播速度较慢的一轴称为慢轴（Slow Axis）。两者始终相互垂直。
当光束垂直入射波片时，两种偏振分量的相位传播速度不同，从而产生相位差。慢轴方向的分量相对于快轴分量产生相位滞后，这种相位差称为延迟量（Retardation）。
其中：
L 为光在晶体中传播的厚度（即波片厚度），
Nfast 与 Nslow 分别为快轴与慢轴方向的折射率。
相位延迟可以用多种形式表示，例如“半波延迟（Half-wave）”对应 π 弧度或 λ/2。
从公式可以看出，通过设计波片厚度可以获得目标延迟值。但实际中，除了厚度外，还受到多种因素影响，例如入射光波长、工作温度以及入射角等。
这些外界因素会导致延迟变化，是制造商尽量避免的问题。
零级波片（Zero Order Waveplate）通过将两个波片按光轴正交组合，有效抵消误差，使相位延迟更加稳定。
消色差波片（Achromatic Waveplate）或超消色差波片（Super Achromatic Waveplate）则通过组合不同双折射材料来降低色散，实现宽波段应用。
图2：355nm石英零级四分之一波片在不同波长下的延迟变化曲线
最常见的相位延迟类型是半波片与四分之一波片。
更多信息可参考 四分之一波片与半波片。
半波片的特点是在快轴与慢轴之间引入 λ/2 的相位延迟。
在实际应用中，延迟可能为 λ/2 加上多个整数波长，但由于光波的周期性，这些整数倍不会影响最终偏振结果。
（零级半波片提供精确 λ/2 延迟，而多级或低级波片则包含额外整数波长。）
当线偏振光以角度 α 入射时，输出光的偏振方向会旋转 2α。
这一特性使半波片在偏振调控中应用广泛。
快速确定光轴的方法：使用偏振片逐步调节至光消光，然后插入波片并旋转至再次消光，即可确定轴方向。
1. 偏振旋转：
半波片可将水平偏振光旋转为垂直偏振光（当入射角为45°时）。
也可通过调整角度实现任意偏振方向旋转（旋转角为2α关系）。
图3：半波片实现偏振旋转
2. 光学衰减器：
通过“偏振片 + 半波片 + 偏振片”结构实现可调光衰减。
图4：半波片作为光学衰减器
3. 可变分束器：
结合半波片与偏振分束器（PBS），可实现光强比例调节。
图5：可变比例分束器
4. 偏振态发生器：
结合半波片与四分之一波片，可生成线偏振、圆偏振及椭圆偏振光。
图6：偏振态生成器
四分之一波片在快轴与慢轴之间产生 λ/4 相位延迟。
当入射线偏振光与光轴成45°时，输出光为圆偏振光。
这是由于两分量产生90°相位差，使电矢量旋转形成螺旋结构。
反向过程则可将圆偏振光转换为线偏振光。
光轴寻找方法与半波片相同。
光学隔离器：偏振片 + 四分之一波片 + 反射镜组合结构。
入射光被转为圆偏振，反射后再转回线偏振但旋转90°，从而被偏振片阻断。
了解不同类型波片对选型至关重要。
由于加工限制，波片通常会包含额外整数波长延迟。
例如 λ/2 + 3λ 仍然表现为半波片功能。
“Order”表示附加整数波长数量。
低级波片成本较低，适合单波长应用，但对温度与波长变化较敏感。
Shalom EO提供石英与MgF2材料版本。
由两个低级/多级波片光轴正交组合而成，相位差相互抵消。
因此具有更稳定的延迟特性。
但对入射角仍较敏感。
类型包括：
空气隙零级波片 / 光学接触零级波片 / NOA61胶合零级波片
单晶结构波片，厚度极薄（微米级），具有极高稳定性。
适用于高精度应用，但较脆弱。
由石英与MgF2组合，减少色散影响，实现宽波段稳定延迟。
适用于超快激光与宽谱系统。
由6片晶体组合构成（3片石英 + 3片MgF2），进一步提升宽谱稳定性。
通过全内反射产生相位差，不依赖双折射。
在宽波段范围内表现极佳，可覆盖2000–15000nm。
可同时针对两个波长提供不同延迟，适用于倍频/三倍频系统。
不同波片类型对比见下图，有助于选型参考。
若实际延迟与设计值存在偏差，可通过旋转波片调整偏振方向。
朝快轴方向旋转可降低延迟，朝慢轴方向旋转可增加延迟。
建议配合偏振片反复测试优化。
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