Überblick
Polarisationsoptiken werden verwendet, um den Polarisationszustand einfallender Strahlung zu ändern. Zu unseren Polarisationsoptiken gehören Polarisatoren, Wellenplatten/Verzögerer, Depolarisatoren, Faraday-Rotatoren und optische Isolatoren im UV-, sichtbaren oder IR-Spektralbereich.
1064 nm Faraday-Rotator
Freiraumisolator
Hochleistungs-Nd-YAG-Polarisator
Optisches Design konzentriert sich häufig auf die Wellenlänge und Intensität des Lichts und vernachlässigt dabei seine Polarisation. Polarisation ist jedoch eine wichtige Eigenschaft des Lichts als Welle. Licht ist eine elektromagnetische Welle und das elektrische Feld dieser Welle schwingt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Der Polarisationszustand beschreibt die Ausrichtung der Wellenschwingung im Verhältnis zur Ausbreitungsrichtung. Licht wird als unpolarisiert bezeichnet, wenn die Richtung dieses elektrischen Feldes zeitlich zufällig schwankt. Wenn die Richtung des elektrischen Feldes des Lichts genau definiert ist, spricht man von polarisiertem Licht. Die häufigste Quelle für polarisiertes Licht ist ein Laser. Je nachdem, wie das elektrische Feld ausgerichtet ist, unterteilen wir polarisiertes Licht in drei Arten von Polarisationen:
★Lineare Polarisation: Schwingung und Ausbreitung erfolgen in einer Ebene.Theelektrisches Feld linear polarisierten Lichts cbesteht aus zwei senkrechten, in der Amplitude gleichen, linearen Komponenten, die keine Phasendifferenz haben.Das resultierende elektrische Lichtfeld ist auf eine einzige Ebene entlang der Ausbreitungsrichtung beschränkt.
★Zirkularpolarisation: Die Ausrichtung des Lichts ändert sich im Laufe der Zeit spiralförmig. Das elektrische Feld des Lichts besteht aus zwei linearen Komponenten, die senkrecht zueinander stehen und die gleiche Amplitude haben, aber einen Phasenunterschied von π/2 aufweisen. Das resultierende elektrische Lichtfeld dreht sich kreisförmig um die Ausbreitungsrichtung.
★Elliptische Polarisation: Das elektrische Feld von elliptisch polarisiertem Licht beschreibt eine Ellipse, verglichen mit einem Kreis bei zirkularer Polarisation. Dieses elektrische Feld kann als Kombination zweier linearer Komponenten mit unterschiedlichen Amplituden und/oder einer Phasendifferenz betrachtet werden, die nicht π/2 beträgt. Dies ist die allgemeinste Beschreibung von polarisiertem Licht, und zirkular und linear polarisiertes Licht können als Sonderfälle von elliptisch polarisiertem Licht angesehen werden.
Die beiden orthogonalen linearen Polarisationszustände werden oft als „S“ und „P“ bezeichnet.Siewerden durch ihre relative Ausrichtung zur Einfallsebene definiert.P-polarisiertes Lichtdas parallel zu dieser Ebene schwingt, ist „P“, während s-polarisiertes Licht, dessen elektrisches Feld senkrecht zu dieser Ebene polarisiert ist, „S“ ist.Polarisatorensind wichtige optische Elemente zur Steuerung Ihrer Polarisation, indem sie einen gewünschten Polarisationszustand übertragen und den Rest reflektieren, absorbieren oder ablenken. Es gibt eine große Vielfalt an Polarisatortypen, jeder mit seinen eigenen Vor- und Nachteilen. Um Ihnen bei der Auswahl des besten Polarisators für Ihre Anwendung zu helfen, besprechen wir die Spezifikationen des Polarisators sowie einen Leitfaden zur Auswahl des Polarisators.
P und S pol. werden durch ihre relative Ausrichtung zur Einfallsebene definiert
Spezifikationen des Polarisators
Polarisatoren werden durch einige Schlüsselparameter definiert, von denen einige spezifisch für Polarisationsoptiken sind. Die wichtigsten Parameter sind:
⊙Transmission: Dieser Wert bezieht sich entweder auf die Transmission von linear polarisiertem Licht in Richtung der Polarisationsachse oder auf die Transmission von unpolarisiertem Licht durch den Polarisator. Bei der Parallelübertragung handelt es sich um die Übertragung von unpolarisiertem Licht durch zwei Polarisatoren, deren Polarisationsachsen parallel ausgerichtet sind. Bei der Kreuzübertragung handelt es sich um die Übertragung von unpolarisiertem Licht durch zwei Polarisatoren, deren Polarisationsachsen gekreuzt sind. Bei idealen Polarisatoren beträgt die Transmission von linear polarisiertem Licht parallel zur Polarisationsachse 100 %, die Paralleltransmission 50 % und die Kreuztransmission 0 %. Unpolarisiertes Licht kann als schnell variierende Zufallskombination aus p- und s-polarisiertem Licht betrachtet werden. Ein idealer linearer Polarisator lässt nur eine der beiden linearen Polarisationen durch, wodurch die anfängliche unpolarisierte Intensität I verringert wird0um die Hälfte, alsoIch=ich0/2,Die parallele Transmission (für unpolarisiertes Licht) beträgt also 50 %. Für linear polarisiertes Licht mit Intensität I0, die durch einen idealen Polarisator übertragene Intensität, I, kann durch das Malus-Gesetz beschrieben werden, d. h.Ich=ich0cos2Øwobei θ der Winkel zwischen der einfallenden linearen Polarisation und der Polarisationsachse ist. Wir sehen, dass für parallele Achsen eine Transmission von 100 % erreicht wird, während für 90°-Achsen, auch bekannt als gekreuzte Polarisatoren, eine Transmission von 0 % vorliegt, sodass die gekreuzte Transmission 0 % beträgt. In realen Anwendungen kann die Transmission jedoch nie genau 0 % betragen. Daher sind Polarisatoren durch ein Extinktionsverhältnis wie unten beschrieben gekennzeichnet, das zur Bestimmung der tatsächlichen Transmission durch zwei gekreuzte Polarisatoren verwendet werden kann.
⊙Extinktionsverhältnis und Polarisationsgrad: Die Polarisationseigenschaften eines linearen Polarisators werden typischerweise durch den Polarisationsgrad oder die Polarisationseffizienz definiert, d. h. P=(T1-T2)/(T1+T2) und sein Extinktionsverhältnis, also ρp=T2/T1wobei die Hauptdurchlässigkeiten des linear polarisierten Lichts durch einen Polarisator T1 und T2 sind. T1 ist die maximale Transmission durch den Polarisator und tritt auf, wenn die Transmissionsachse des Polarisators parallel zur Polarisation des einfallenden linear polarisierten Strahls verläuft; T2 ist die minimale Transmission durch den Polarisator und tritt auf, wenn die Transmissionsachse des Polarisators senkrecht zur Polarisation des einfallenden linear polarisierten Strahls steht.
Die Extinktionsleistung eines linearen Polarisators wird oft als 1 / ρp : 1 ausgedrückt. Dieser Parameter reicht von weniger als 100:1 (was bedeutet, dass Sie 100-mal mehr Transmission für P-polarisiertes Licht als für S-polarisiertes Licht haben) für wirtschaftliche Blattpolarisatoren bis zu 106:1 für hochwertige doppelbrechende kristalline Polarisatoren. Das Extinktionsverhältnis variiert typischerweise mit der Wellenlänge und dem Einfallswinkel und muss zusammen mit anderen Faktoren wie Kosten, Größe und polarisierter Transmission für eine bestimmte Anwendung bewertet werden. Zusätzlich zum Extinktionsverhältnis können wir die Leistung eines Polarisators messen, indem wir die Effizienz charakterisieren. Der Grad der Polarisationseffizienz wird als „Kontrast“ bezeichnet. Dieses Verhältnis wird häufig verwendet, wenn Anwendungen bei schlechten Lichtverhältnissen berücksichtigt werden, bei denen Intensitätsverluste kritisch sind.
⊙Akzeptanzwinkel: Der Akzeptanzwinkel ist die größte Abweichung vom geplanten Einfallswinkel, bei der der Polarisator noch innerhalb der Spezifikationen arbeitet. Die meisten Polarisatoren sind für den Betrieb bei einem Einfallswinkel von 0° oder 45° oder im Brewster-Winkel ausgelegt. Der Akzeptanzwinkel ist wichtig für die Ausrichtung, besonders wichtig ist er jedoch bei der Arbeit mit nicht kollimierten Strahlen. Drahtgitter- und dichroitische Polarisatoren haben die größten Akzeptanzwinkel, bis hin zu einem vollen Akzeptanzwinkel von fast 90°.
⊙Aufbau: Polarisatoren gibt es in vielen Formen und Ausführungen. Dünnschichtpolarisatoren sind dünne Filme, die optischen Filtern ähneln. Polarisationsplatten-Strahlteiler sind dünne, flache Platten, die in einem Winkel zum Strahl angeordnet sind. Polarisierende Würfelstrahlteiler bestehen aus zwei rechtwinkligen Prismen, die an der Hypotenuse zusammengefügt sind.
Doppelbrechende Polarisatoren bestehen aus zwei aneinander montierten kristallinen Prismen, wobei der Winkel der Prismen durch das spezifische Polarisatordesign bestimmt wird.
⊙Freie Apertur: Die freie Apertur ist normalerweise für doppelbrechende Polarisatoren am restriktivsten, da die Verfügbarkeit optisch reiner Kristalle die Größe dieser Polarisatoren begrenzt. Dichroitische Polarisatoren haben die größten verfügbaren freien Aperturen, da sich ihre Herstellung für größere Größen eignet.
⊙Optische Weglänge: Die Länge, die das Licht durch den Polarisator zurücklegen muss. Die optischen Weglängen sind wichtig für Dispersion, Zerstörschwellen und Platzbeschränkungen und können bei doppelbrechenden Polarisatoren erheblich sein, sind bei dichroitischen Polarisatoren jedoch normalerweise kurz.
⊙Zerstörschwelle: Die Zerstörschwelle des Lasers wird durch das verwendete Material sowie das Design des Polarisators bestimmt, wobei doppelbrechende Polarisatoren typischerweise die höchste Zerstörschwelle aufweisen. Zement ist häufig das anfälligste Element für Laserschäden, weshalb optisch kontaktierte Strahlteiler oder doppelbrechende Polarisatoren mit Luftabstand höhere Schadensschwellen aufweisen.
Auswahlhilfe für Polarisatoren
Es gibt verschiedene Arten von Polarisatoren, darunter dichroitische, Würfel-, Drahtgitter- und kristalline Polarisatoren. Kein Polarisatortyp ist für jede Anwendung ideal, jeder hat seine eigenen Stärken und Schwächen.
Dichroitische Polarisatoren übertragen einen bestimmten Polarisationszustand und blockieren alle anderen. Eine typische Konstruktion besteht aus einem einzelnen beschichteten Substrat oder einem dichroitischen Polymerfilm, zwischen dem zwei Glasplatten angeordnet sind. Wenn ein natürlicher Strahl das dichroitische Material durchdringt, wird eine der orthogonalen Polarisationskomponenten des Strahls stark absorbiert und die andere geht mit schwacher Absorption aus. So kann ein dichroitischer Plattenpolarisator verwendet werden, um einen zufällig polarisierten Strahl in einen linear polarisierten Strahl umzuwandeln. Im Vergleich zu Polarisationsprismen bietet der dichroitische Schichtpolarisator eine viel größere Größe und einen akzeptablen Winkel. Während Sie ein hohes Extinktions-Kosten-Verhältnis feststellen, schränkt die Konstruktion den Einsatz für Hochleistungslaser oder hohe Temperaturen ein. Dichroitische Polarisatoren sind in einer Vielzahl von Formen erhältlich, von kostengünstigen laminierten Folien bis hin zu Präzisionspolarisatoren mit hohem Kontrast.
Dichroitische Polarisatoren absorbieren den unerwünschten Polarisationszustand
Polarisierende Würfelstrahlteiler werden durch die Verbindung zweier rechtwinkliger Prismen mit einer beschichteten Hypotenuse hergestellt. Die polarisierende Beschichtung besteht typischerweise aus abwechselnden Schichten von Materialien mit hohem und niedrigem Index, die S-polarisiertes Licht reflektieren und P durchlassen. Das Ergebnis sind zwei orthogonale Strahlen in einer Form, die einfach zu montieren und auszurichten ist. Die polarisierenden Beschichtungen halten normalerweise einer hohen Leistungsdichte stand, die zum Kleben der Würfel verwendeten Klebstoffe können jedoch versagen. Dieser Fehlermodus kann durch optische Kontaktierung beseitigt werden. Während der durchgelassene Strahl normalerweise einen hohen Kontrast aufweist, ist der reflektierte Kontrast normalerweise geringer.
Drahtgitterpolarisatoren verfügen über eine Anordnung mikroskopischer Drähte auf einem Glassubstrat, das P-polarisiertes Licht selektiv durchlässt und S-polarisiertes Licht reflektiert. Aufgrund der mechanischen Beschaffenheit verfügen Drahtgitterpolarisatoren über ein Wellenlängenband, das nur durch die Transmission des Substrats begrenzt ist, was sie ideal für Breitbandanwendungen macht, die eine kontrastreiche Polarisation erfordern.
Die Polarisation senkrecht zu den Metalldrähten wird übertragen
Kristalline Polarisatoren übertragen eine gewünschte Polarisation und lenken den Rest ab, indem sie die doppelbrechenden Eigenschaften ihrer kristallinen Materialien nutzen
Kristalline Polarisatoren nutzen die doppelbrechenden Eigenschaften des Substrats, um den Polarisationszustand des einfallenden Lichts zu verändern. Doppelbrechende Materialien haben leicht unterschiedliche Brechungsindizes für Licht, das in unterschiedlichen Ausrichtungen polarisiert ist, was dazu führt, dass sich die unterschiedlichen Polarisationszustände mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch das Material bewegen.
Wollaston-Polarisatoren sind kristalline Polarisatoren, die aus zwei doppelbrechenden rechtwinkligen Prismen bestehen, die so miteinander verkittet sind, dass ihre optischen Achsen senkrecht stehen. Darüber hinaus sind kristalline Polarisatoren aufgrund ihrer hohen Zerstörschwelle ideal für Laseranwendungen.
Wollaston-Polarisator
Das umfangreiche Angebot an Polarisatoren von Paralight Optics umfasst polarisierende Würfelstrahlteiler, Hochleistungs-Zweikanal-PBS, leistungsstarke polarisierende Würfelstrahlteiler, 56°-Polarisationsplatten-Strahlteiler, 45°-Polarisationsplatten-Strahlteiler, dichroitische Schichtpolarisatoren, Nanopartikel-Linearpolarisatoren, doppelbrechende oder kristalline Polarisatoren (Glan Taylor-Polarisatoren, Glan-Laser-Polarisatoren, Glan-Thompson-Polarisatoren, Wollaston-Polarisatoren, Rochon-Polarisatoren), variable Zirkularpolarisatoren und polarisierende Strahlverdränger/-kombinierer.
Laserlinienpolarisatoren
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