Polarisationsoptiken

Was ist Polarisation?

Mit polarisiertem Licht meinen wir optische Strahlung, deren elektrisches
Feld in spezifisch regelmäßiger Weise oszilliert. Jedes gewöhnlich
polarisierte elektrische Feld kann in zwei orthogonal polarisierte
Komponenten zerlegt werden. Ist das Licht linear polarisiert, oszilliert das
elektrische Feld in einer einzigen Ebene – der Ebene der Polarisation, und
die zwei Komponenten sind in Phase zueinander. Ist das Licht elliptisch
polarisiert, so haben die Komponenten eine konstante Phasendifferenz,
und die Spitze des Elektrischen-Feld-Vektors folgt einer dreidimensionalen
Ellipse, während sich der Strahl ausbreitet.

Zirkular polarisiertes Licht ist eine spezielle Variante elliptisch polarisierten
Lichts, bei der die zwei Komponenten eine Phasendifferenz von 90°
zueinander haben und der Vektor des elektrischen Feldes eine Sprirale mit
kreisförmigem Querschnitt beschreibt.

Betrachtet man einen rechts zirkular polarisierten Strahl in Richtung der
Strahlquelle, so hat dieser einen Kreisvektor in Uhrzeigerrichtung,
während ein links zirkular polarisierter Strahl einen Kreis entgegen dem
Uhrzeigersinn beschreibt.

Lineare Doppelbrechung

Linear doppelbrechende uniaxiale kristalline Materialien lassen sich
dadurch charakterisieren, dass sie eine einzige Symmetrieachse haben,
genannt optische Achse, die die Ausbreitung des Lichtstrahls innerhalb des
Kristalls vorgibt.

Dies ist auf zweierlei Arten möglich: entweder als ein ordentlicher Strahl,
der in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse polarisiert ist oder als
ein außerordentlicher Strahl, dessen Polarisationsebene die optische Achse
enthält. Jeder dieser beiden Strahlen hat einen unterschiedlichen
Brechungsindex, sodass sich sowohl die Phasengeschwindigkeiten
(Wellennormalen) als auch die Brechungswinkel beider Strahlen
voneinander unterscheiden. Es ist diese letztere Eigenschaft, die es
ermöglicht, Prismen aus doppelbrechendem Material so entsprechend
zuzuschneiden und zueinander auszurichten, dass sie als Polarisatoren
oder polarisierende Strahlteiler geeignet sind.

Zirkulare Doppelbrechung

Breitet sich ein linear polarisierter Strahl entlang der optischen Achse
eines Materials unter Aufweisung von zirkularer Doppelbrechung aus, so
wird er in zwei kollineare zirkular polarisierte Strahlen aufgetrennt, deren
Ausbreitungsgeschwindigkeiten leicht voneinander unterscheiden. Beim
Austritt dieser beiden Komponenten aus dem Material vereinen sie sich
wieder zu einem linear polarisierten Strahl, dessen Polarisationsebene zu
derjenigen des eintretenden Strahl rotiert ist.

Dieser Effekt der Erzeugung einer fortschreitenden Rotation der
Polarisationsebene mit Phasenweglänge wird optische Aktivität genannt
und zur Herstellung optischer Rotatoren genutzt.

Doppelbrechende Materialien

Zur Produktion unserer Komponenten benutzen wir unterschiedliche
Materialien aus einer recht weiten Spannbreite doppelbrechender
Kristalle – Calcit (Kalkspat), Quarz, Magnesiumfluorid (MgF2), YVO4 und -
BBO.

Calcit (CaCo3, Kalkspat)

Calcit ist häufig das bevorzugte Material aufgrund seiner sehr hohen
Doppelbrechung, breiten spektralen Transmission und der Verfügbarkeit
von Kristallen in geeigneter Größe. Leider läßt sich Calcit nicht künstlich
herstellen. Es existieren ausschließlich natürliche Kristalle, was die
maximale Größe von Kristallen mit guter optischer Qualität beschränkt. Es
hat den Vorteil, nicht hygroskopisch zu sein, so dass Schutz vor der
Atmosphäre nicht erforderlich ist, obwohl es ein recht weicher Kristall ist
und leicht zerkratzt wird.

Durch Perfektionierung einiger proprietärer Prozesse für das Schneiden,
Schleifen und Polieren erreichen wir Calcitprismen mit perfekten optischen
Oberflächen, die üblicherweise eine Planität bis hinunter zu λ/8 über
mehrere cm mit 10/5 scratch dig. Dieses Können zeigt sich in der hohen
Qualität der fertiggestellten Komponenten und erlauben die Verwendung
unserer Polarisatoren mit Lasern mit hoher Spitzenleistung.

Quarz (SiO2)

Quarz ist ein extrem nutzbares doppelbrechendes Material und ist sowohl
in Form natürlicher Kristalle als auch als synthetische Einkristallkörper
erhältlich. Natürliche Kristalle treten als raue Klumpen auf, die eine
Orientierung erfordern, um die optische Achse vor dem
Bearbeitungsprozess zu bestimmen, während synthetische Kristalle
Referenz-Oberflächen haben, die zur kristallografischen Achse
ausgerichtet sind. Bei der Entscheidung, welche Art Quarz für eine
Komponente benutzt werden sollte, sollten zwei Parameter beachtet
werden, bei denen sich beide Arten signifikant voneinander unterscheiden:
Größe und spektrale Transmission.

Generell sind Komponenten aus synthetischem Quarz limitiert auf eine
maximale Größe in Richtung der optischen Achse von etwa 70mm,
während natürliche Quarz-Einkristalle groß genug erhältlich sind, um
einen nutzbaren Durchmesser von 100mm zu erreichen. Das andere
signifikante Unterscheidungsmerkmal zwischen natürlichem und
synthetischem Quarz ist der Cut-Off bei geringer Wellenlänge. Natürliche
Quarz hat eine nutzbare Transmission (etwa 80%) ab 220 nm, während
synthetisches Quarz auf ähnliche Weise ab 190nm transmittiert. Beide
transmittieren bis hin zu 2,6um.

Quarz ist sehr hart (Mohs-Skala 7) und sehr stabil. Es eignet sich daher
zur Herstellung von sehr dünnen Low-Order Verzögerungsplatten. Im
Gegensatz zu Calcit oder Magnesiumfluorid zeigt Quarz zirkulare
Doppelbrechung und es existiert keine gleichförmige Richtung (optische
Achse), an der entlang sich ordentliche und außerordentliche Strahlen mit
dem gleichen Brechungsindex und der gleichen Geschwindigkeit
ausbreiten. Stattdessen ist die optische Achse diejenige Richtung, bei der
die beiden Brechungsindices am nächsten sind: ein Strahl breitet sich an
dieser Achse entlang aus als zwei polarisierte Strahlen mit
entgegengesetzter Händigkeit (Chiralität). Dies produziert eine
fortschreitende optische Rotation des planar polarisierten Eintrittsstrahls.
Dieser Effekt ist bei der Herstellung von Rotatoren von hohem Nutzen.

Magnesiumfluorid (MgF2)

Einkristallines Magnesiumfluorid ist ein weiteres sehr nützliches Material
zur Herstellung von Polarisatoren aufgrund seiner sehr breiten spektralen
Transmission, das sich von 120nm im Vakuum-UV bis jenseits von 7,0µm
im IR-Bereich erstreckt. Weil geeignete brechungsindex-anpassende Kitte
unterhalb von 220nm nicht transmittieren, werden Polarisatoren aus
Magnesiumfluorid durch optische Kontaktierung der zwei Prismen
hergestellt.

Aus diesem Material können auch dünne Platten zur Verwendung in
achromatischen Verzögerungsplatten gefertigt werden. In diesen
Komponenten wird die spektrale Dispersion des Magnesiumfluorids
genutzt, um die des Quarzes zu kompensieren, so dass eine nahezu
gleichbleibende Verzögerung über einen definierten spektralen Bereich
erreicht wird.

Yttrium-Orthovanadat

(YVO4)
Yttrium-Orthovanadat ist aufgrund seines ausgedehnten
Wellenlängenbereichs sehr nützlich. Wir haben Polarisatoren im Angebot,
die bis zu einer Wellenlänge von 4000nm (4µm) funktionsfähig sind.
Magnesiumfluorid ist auch ein sehr guter Kandidat, aber der
Separationswinkel bei der Verwendung von YVO4 für Wollaston- und
Rochonpolarisatoren ist sehr viel größer.

α-Barium Borate (α-BBO)

Die Form von BBO (α-BaB2O4) bei hohen Temperaturen ist ein negativer,
einachsiger Kristall. Es hat eine hohe Doppelbrechung über den breiten
Transparenzbereich von 190nm bis 3500nm. Aufgrund seiner besonderen
Transparenz im UV, seiner guten mechanischen Eigenschaften und hohen
Zerstörschwelle ist α-BBO ein excellenter Kristall, um Calcit, TiO2,
LiNbO3 etc. in Glan-Taylor und Glan-Thompsonpolarisatoren ebenso zu
ersetzen wie in Beam-Displacer-Prismen, insbesondere für hohe Leistung
und UV-Polarisatoren. Da der Kristall zentrosymmetrisch ist, kann er nicht
für nicht-lineare optische Anwendungen verwendet werden.

Wir hoffen, dass Ihnen dieses kurze Tutorial von Nutzen war. Kontaktieren
Sie uns bitte, sollten Sie weitere Informationen zu den erhältlichen
doppelbrechenden Materialien oder möglichen Komponenten benötigen.