Polarisatoren

Dieser Polarisatortyp verwendet eine eingebettete ausgerichtete Struktur innerhalb einer geeigneten Matrix.

Für die Verwendung im sichtbaren Wellenlängenbereich besteht die ausgerichtete Struktur normalerweise aus langen Polymermolekülen, die gleichzeitig als Matrix dienen.

Im Infrarotbereich dienen längliche Mikrokristalle als ausgerichtete Struktur und sind in eine geeignete Glasmatrix eingebettet.

Das Funktionsprinzip ist wie folgt: Das elektrische Feld des auf die Moleküle oder Mikrokristalle auftreffenden Lichtstrahls regt eine Schwingung der Elektronen innerhalb der ausgerichteten Struktur an.

Dadurch wird die Energie der Lichtwelle erschöpft, wodurch die Leistung des Lichtstrahls gedämpft wird.

Die Dämpfung ist am stärksten für den elektrischen Feldvektor parallel zur ausgerichteten Struktur.

Daher überträgt diese Optik die Polarisationskomponente senkrecht zur Ausrichtungsrichtung der Strukturen.

Diese Art von Polarisator ist daher ein Polarisationsfilter, da nur eine Komponente durchgelassen und die andere absorbiert wird.

Da diese Optik durch Absorption funktioniert, ist sie nur für kleine Leistungen, typischerweise im mW-Bereich, nützlich.

Typische Polarisationsextinktionsverhältnisse (PER oder Kontrast) liegen im Bereich von 1.000 bis 10.000 im sichtbaren und 1.000 bis 100.000 im IR-Bereich.

Der Akzeptanzwinkel kann sehr hoch sein, was bedeutet, dass der Einfallswinkel des Lichtstrahls auf die Oberfläche des Polarisators sehr groß sein kann – fast bis zu 90°.

Dies ist besonders wichtig für Nicht-Laser-Anwendungen. Außerdem können diese Polarisatoren recht groß sein.

Polymer-Folienpolarisatoren können in Flächen von vielen m² hergestellt werden. In einigen Fällen ist die Flexibilität von Polymerfolien nicht erwünscht.

In diesen Fällen kann die Folie zwischen zwei Fenster geklebt werden, wodurch eine starre Optik mit viel geringerer Wellenfrontverzerrung entsteht.

Dieser Polarisatortyp macht sich die Tatsache zunutze, dass das Verhältnis von Transmission zu Reflexion eines unter einem Winkel auf eine Grenzfläche einfallenden Lichtstrahls von der Orientierung der linearen Komponente der Polarisation abhängt.

Betrachten Sie die geometrische Ebene, die durch die einfallenden und reflektierten Strahlen definiert wird, wenn ein Lichtstrahl unter einem nicht normalen Winkel auf eine Oberfläche auftrifft.

Man definiert die lineare Polarisationskomponente, deren Polarisationsrichtung parallel zu dieser Ebene verläuft, als p-Polarisation.

Die Komponente, deren Polarisation senkrecht zu dieser Ebene verläuft, ist die s-Polarisation.

Die p-Polarisation wird vorzugsweise durchgelassen und die s-Polarisation wird vorzugsweise für alle nicht-normalen Einfallswinkel reflektiert.

Bei einem speziellen Einfallswinkel, dem sogenannten Brewster-Winkel, ist die Transmission der p-Polarisation perfekt, was zu einer reinen s-Polarisation im reflektierten Strahl führt.

Diese Technik wird in dielektrischen Plattenpolarisatoren verwendet, die eine hohe Belastbarkeit erfordern.

Eine typische Anwendung ist die Güteschaltung von Festkörperlasern.

Bei anderen Einfallswinkeln ist die Reinheit der Polarisation nicht perfekt.

Durch die Kaskadierung mehrerer Grenzflächen in unmittelbarer Nähe wird der Effekt jedoch vervielfacht. 

Eine relativ hohe Polarisationsreinheit kann bei einem nutzbaren Einfallswinkel von 45° und über einen relativ großen Winkelbereich von etwa 45° erreicht werden, was die Verwendung mit typischen Laserstrahlen ermöglicht.

Dieser „Plattenstapel“ kann durch Beschichtung der Hypotenuse eines rechtwinkligen Prismas mit mehreren Schichten Dielektrikum mit wechselndem Brechungsindex hergestellt werden.

Dieser dielektrische Stapel wird dann in einen Würfel eingeschlossen, indem ein zweites rechtwinkliges Prisma auf diese Oberfläche geklebt wird.

Dadurch entsteht ein Würfelstrahlteiler, in dem der transmittierte Strahl p-polarisiert ist und nicht abgelenkt wird.

Der reflektierte Strahl ist s-polarisiert und verlässt den Würfel im 90°-Winkel zum transmittierten Strahl.

Dieser Polarisatortyp trennt die beiden linearen Polarisationskomponenten, und beide können verwendet werden.

Die Reinheit der Polarisation ist jedoch nicht gleich.

Gute polarisierende Strahlteilerwürfel (PBSC) haben ein Polarisationsextinktionsverhältnis von 1000-2000 in Transmission und 100-200 in Reflexion.

Wenn der Würfel zementiert wird, ist er kostengünstiger, kann aber keine hohen optischen Leistungen verarbeiten.

Für hohe optische Leistungen muss die Qualität der Optik und der Beschichtungen höher sein, und die beiden Prismen müssen optisch kontaktiert werden (ohne Kitt).

Solche Strahlteiler können mehrere Joule/cm² optischer Energiedichte in Pulsen von 10ns verarbeiten (typische Pulsdauern für gütegeschaltete Laser).

Aufgrund der technischen Schwierigkeiten, die mit der optischen Kontaktierung verbunden sind, ist die Größe von Hochleistungswürfeln auf maximal etwa 25 mm begrenzt.

Verkittete Würfel können viel größer hergestellt werden, aber der Preis steigt aufgrund der geringeren Ausbeute in der Beschichtungskammer schnell an.

Eine klare Schwierigkeit bei diesem Polarisatortyp ist der Akzeptanzwinkel. Dies ist der Bereich von Winkeln um den Designeinfallswinkel, über den der Polarisator gemäß Spezifikation arbeitet.

Typischerweise liegt dieser Wert bei etwa +/-2°.

Artifex Engineering bietet diese Optiken mit einer besonders hohen Spezifikation von +/-5° an, was uns einen eindeutigen technischen Vorteil gegenüber anderen Anbietern verschafft.

Eine weitere Überlegung ist die Dicke der Optik.

Während dichroitische Polarisatoren dünne Bleche sein können, ist der polarisierende Strahlteilerwürfel konstruktionsbedingt nur so dick wie die Eingangsbreite in Richtung der Einfalls-/Reflektionsebene.

Beachten Sie, dass der „Würfel“ eigentlich nicht kubisch sein muss: die Höhe (senkrecht zur Einfalls-/Reflexionsebene) kann jeden beliebigen Wert annehmen.