Überblick
Polarisationsoptiken werden verwendet, um den Polarisationszustand einfallender Strahlung zu ändern. Zu unseren Polarisationsoptiken gehören Polarisatoren, Wellenplatten/Verzögerer, Depolarisatoren, Faraday-Rotatoren und optische Isolatoren für den UV-, sichtbaren oder IR-Spektralbereich.
Wellenplatten, auch Retarder genannt, übertragen Licht und ändern seinen Polarisationszustand, ohne den Strahl zu schwächen, abzulenken oder zu verschieben. Sie tun dies, indem sie eine Polarisationskomponente gegenüber ihrer orthogonalen Komponente verzögern (oder verzögern). Eine Wellenplatte ist ein optisches Element mit zwei Hauptachsen, einer langsamen und einer schnellen, die einen einfallenden polarisierten Strahl in zwei zueinander senkrecht polarisierte Strahlen auflösen. Der austretende Strahl vereinigt sich wieder zu einem bestimmten einzelnen polarisierten Strahl. Wellenplatten erzeugen Voll-, Halb- und Viertelverzögerungswellen. Sie werden auch als Retarder oder Verzögerungsplatte bezeichnet. Bei unpolarisiertem Licht entsprechen Wellenplatten Fenstern – beides sind flache optische Komponenten, durch die Licht hindurchtritt.
⊙Viertelwellenplatte: Wenn linear polarisiertes Licht im Winkel von 45 Grad zur Achse einer Viertelwellenplatte eingegeben wird, ist der Ausgang zirkular polarisiert und umgekehrt.
⊙Halbwellenplatte: Eine Halbwellenplatte dreht linear polarisiertes Licht in jede gewünschte Ausrichtung. Der Rotationswinkel beträgt das Doppelte des Winkels zwischen dem einfallenden polarisierten Licht und der optischen Achse.
Laser-Viertelwellenplatte mit Luftabstand nullter Ordnung
Laser-Halbwellenplatte mit Luftabstand nullter Ordnung
Wellenplatten eignen sich ideal zur Steuerung und Analyse des Polarisationszustands von Licht. Sie werden in drei Haupttypen angeboten – nullter Ordnung, mehrfacher Ordnung und achromatisch – und bieten je nach Anwendung jeweils einzigartige Vorteile. Ein umfassendes Verständnis der wichtigsten Terminologien und Spezifikationen hilft bei der Auswahl der richtigen Wellenplatte, unabhängig davon, wie einfach oder komplex das optische System ist.
Terminologie und Spezifikationen
⊙Doppelbrechung: Wellenplatten bestehen aus doppelbrechenden Materialien, am häufigsten Kristallquarz. Doppelbrechende Materialien haben leicht unterschiedliche Brechungsindizes für Licht, das in unterschiedlichen Ausrichtungen polarisiert ist. Dadurch zerlegen sie einfallendes unpolarisiertes Licht in seine parallelen und orthogonalen Komponenten, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
Doppelbrechender Calcitkristall, der unpolarisiertes Licht trennt
⊙Schnelle Achse und langsame Achse: Licht, das entlang der schnellen Achse polarisiert ist, weist einen niedrigeren Brechungsindex auf und bewegt sich schneller durch Wellenplatten als Licht, das entlang der langsamen Achse polarisiert ist. Die schnelle Achse wird durch einen kleinen flachen Punkt oder Punkt auf dem Durchmesser der schnellen Achse einer nicht montierten Wellenplatte oder durch eine Markierung auf der Zellhalterung einer montierten Wellenplatte angezeigt.
⊙Verzögerung: Die Verzögerung beschreibt die Phasenverschiebung zwischen der entlang der schnellen Achse projizierten Polarisationskomponente und der entlang der langsamen Achse projizierten Komponente. Die Verzögerung wird in den Einheiten Grad, Wellen oder Nanometer angegeben. Eine volle Verzögerungswelle entspricht 360° oder der Anzahl von Nanometern bei der interessierenden Wellenlänge. Die Verzögerungstoleranz wird typischerweise in Grad, natürlichen oder dezimalen Bruchteilen einer Vollwelle oder Nanometern angegeben. Beispiele für typische Verzögerungsspezifikationen und Toleranzen sind: λ/4 ± λ/300, λ/2 ± 0,003λ, λ/2 ± 1°, 430 nm ± 2 nm.
Die beliebtesten Verzögerungswerte sind λ/4, λ/2 und 1λ, bei bestimmten Anwendungen können jedoch auch andere Werte nützlich sein. Beispielsweise führt die interne Reflexion eines Prismas zu einer Phasenverschiebung zwischen Komponenten, die störend sein kann. Eine kompensierende Wellenplatte kann die gewünschte Polarisation wiederherstellen.
⊙Mehrfache Ordnung: Bei Wellenplatten mehrerer Ordnung ist die Gesamtverzögerung die gewünschte Verzögerung plus einer ganzen Zahl. Der überschüssige ganzzahlige Anteil hat keinen Einfluss auf die Leistung, genauso wie eine Uhr, die heute Mittag anzeigt, genauso aussieht wie eine, die eine Woche später Mittag anzeigt – obwohl die Zeit hinzugefügt wurde, sieht sie immer noch gleich aus. Obwohl Wellenplatten mehrfacher Ordnung nur aus einem einzigen doppelbrechenden Material konstruiert sind, können sie relativ dick sein, was die Handhabung und Systemintegration erleichtert. Die hohe Dicke macht Wellenplatten mehrerer Ordnung jedoch anfälliger für Verzögerungsverschiebungen, die durch Wellenlängenverschiebungen oder Änderungen der Umgebungstemperatur verursacht werden.
⊙Nullte Ordnung: Die Wellenplatte nullter Ordnung ist so konzipiert, dass sie eine Verzögerung von null Vollwellen ohne Überschuss plus dem gewünschten Bruchteil ergibt. Beispielsweise bestehen Quarzwellenplatten nullter Ordnung aus zwei Quarzwellenplatten mehrerer Ordnung, deren Achsen gekreuzt sind, sodass die effektive Verzögerung der Differenz zwischen ihnen entspricht. Die standardmäßige Wellenplatte nullter Ordnung, auch zusammengesetzte Wellenplatte nullter Ordnung genannt, besteht aus mehreren Wellenplatten desselben doppelbrechenden Materials, die so positioniert wurden, dass sie senkrecht zur optischen Achse stehen. Durch die Schichtung mehrerer Wellenplatten werden die in den einzelnen Wellenplatten auftretenden Verzögerungsverschiebungen ausgeglichen, wodurch die Verzögerungsstabilität gegenüber Wellenlängenverschiebungen und Änderungen der Umgebungstemperatur verbessert wird. Standardmäßige Wellenplatten nullter Ordnung verbessern nicht die Verzögerungsverschiebung, die durch einen anderen Einfallswinkel verursacht wird. Eine echte Wellenplatte nullter Ordnung besteht aus einem einzigen doppelbrechenden Material, das zu einer ultradünnen Platte mit einer Dicke von nur wenigen Mikrometern verarbeitet wurde, um ein bestimmtes Maß an Verzögerung bei nullter Ordnung zu erreichen. Während die dünne Platte die Handhabung oder Montage der Wellenplatte erschweren kann, bieten echte Wellenplatten nullter Ordnung eine überlegene Verzögerungsstabilität gegenüber Wellenlängenverschiebungen, Änderungen der Umgebungstemperatur und einen anderen Einfallswinkel als andere Wellenplatten. Wellenplatten nullter Ordnung zeigen eine bessere Leistung als Wellenplatten mehrerer Ordnung. Sie weisen eine größere Bandbreite und eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Temperatur- und Wellenlängenänderungen auf und sollten für kritischere Anwendungen in Betracht gezogen werden.
⊙Achromatisch: Achromatische Wellenplatten bestehen aus zwei verschiedenen Materialien, die die chromatische Dispersion praktisch eliminieren. Standardmäßige achromatische Linsen bestehen aus zwei Glasarten, die aufeinander abgestimmt sind, um eine gewünschte Brennweite zu erreichen und gleichzeitig chromatische Aberration zu minimieren oder zu beseitigen. Achromatische Wellenplatten funktionieren nach dem gleichen Grundprinzip. Achromatische Wellenplatten werden beispielsweise aus Kristallquarz und Magnesiumfluorid hergestellt, um eine nahezu konstante Verzögerung über ein breites Spektralband zu erreichen.
⊙Superachromatisch: Superachromatische Wellenplatten sind eine spezielle Art von achromatischen Wellenplatten, die zur Eliminierung der chromatischen Dispersion für ein viel breiteres Wellenband verwendet werden. Viele superachromatische Wellenplatten können sowohl für das sichtbare Spektrum als auch für den NIR-Bereich mit nahezu derselben, wenn nicht sogar besserer Gleichmäßigkeit als typische achromatische Wellenplatten verwendet werden. Während typische achromatische Wellenplatten aus Quarz und Magnesiumfluorid bestimmter Dicke bestehen, verwenden superachromatische Wellenplatten zusätzlich zu Quarz und Magnesiumfluorid ein zusätzliches Saphirsubstrat. Die Dicke aller drei Substrate wird strategisch bestimmt, um die chromatische Dispersion für einen längeren Wellenlängenbereich zu eliminieren.
Auswahlhilfe für Polarisatoren
⊙Wellenplatten mehrerer Ordnung
Die Wellenplatte niedriger (mehrfacher) Ordnung ist so ausgelegt, dass sie eine Verzögerung von mehreren Vollwellen plus dem gewünschten Bruchteil ergibt. Dies führt zu einer einzigen, physikalisch robusten Komponente mit der gewünschten Leistung. Es besteht aus einer einzelnen Platte aus Kristallquarz (nominal 0,5 mm dick). Selbst kleine Änderungen der Wellenlänge oder Temperatur führen zu erheblichen Änderungen der gewünschten Teilverzögerung. Wellenplatten mehrerer Ordnung sind kostengünstiger und finden in vielen Anwendungen Verwendung, bei denen die erhöhte Empfindlichkeit keine Rolle spielt. Sie sind eine gute Wahl für den Einsatz mit monochromatischem Licht in einer klimatisierten Umgebung, typischerweise werden sie in einem Labor mit einem Laser gekoppelt. Im Gegensatz dazu nutzen Anwendungen wie die Mineralogie die chromatische Verschiebung (Verzögerung gegenüber Wellenlängenänderung) aus, die Wellenplatten mehrerer Ordnung innewohnt.
Halbwellenplatte mit mehreren Ordnungen
Viertelwellenplatte mit mehreren Ordnungen
Eine Alternative zu herkömmlichen kristallinen Quarzwellenplatten ist Polymer Retarder Film. Dieser Film ist in verschiedenen Größen und Verzögerungen und zu einem Bruchteil des Preises kristalliner Wellenplatten erhältlich. Filmverzögerer sind Kristallquarz anwendungstechnisch hinsichtlich der Flexibilität überlegen. Ihr dünnes Polymerdesign ermöglicht ein einfaches Zuschneiden der Folie auf die erforderliche Form und Größe. Diese Folien sind ideal für den Einsatz in Anwendungen, die LCDs und Glasfasern verwenden. Polymer-Verzögererfolien sind auch in achromatischen Versionen erhältlich. Dieser Film hat jedoch eine niedrige Zerstörschwelle und sollte nicht mit Hochleistungslichtquellen wie Lasern verwendet werden. Darüber hinaus ist seine Verwendung auf das sichtbare Spektrum beschränkt, sodass für UV-, NIR- oder IR-Anwendungen eine Alternative erforderlich ist.
Wellenplatten mehrerer Ordnung bedeuten, dass die Verzögerung eines Lichtpfads zusätzlich zur fraktionierten Designverzögerung eine bestimmte Anzahl von Verschiebungen der gesamten Wellenlänge erfährt. Die Dicke einer Wellenplatte mit mehreren Ordnungen beträgt immer etwa 0,5 mm. Im Vergleich zu Wellenplatten nullter Ordnung reagieren Wellenplatten mehrerer Ordnung empfindlicher auf Wellenlängen- und Temperaturänderungen. Sie sind jedoch kostengünstiger und werden häufig in vielen Anwendungen eingesetzt, bei denen die erhöhte Empfindlichkeit nicht kritisch ist.
⊙Wellenplatten nullter Ordnung
Da ihre Gesamtverzögerung einen kleinen Prozentsatz des Typs mehrfacher Ordnung ausmacht, ist die Verzögerung für Wellenplatten nullter Ordnung weitaus konstanter in Bezug auf Temperatur- und Wellenlängenschwankungen. In Situationen, die eine höhere Stabilität oder größere Temperaturschwankungen erfordern, sind Wellenplatten nullter Ordnung die ideale Wahl. Zu den Anwendungsbeispielen gehören die Beobachtung einer verbreiterten Spektralwellenlänge oder die Durchführung von Messungen mit einem vor Ort verwendeten Instrument.
Halbwellenplatte nullter Ordnung
Viertelwellenplatte nullter Ordnung
- Eine zementierte Wellenplatte nullter Ordnung besteht aus zwei Quarzplatten, deren schnelle Achse gekreuzt ist. Die beiden Platten sind mit UV-Epoxidharz zementiert. Der Dickenunterschied zwischen den beiden Platten bestimmt die Verzögerung. Wellenplatten nullter Ordnung weisen eine wesentlich geringere Abhängigkeit von Temperatur- und Wellenlängenänderungen auf als Wellenplatten mehrerer Ordnung.
- Eine optisch kontaktierte Wellenplatte nullter Ordnung besteht aus zwei Quarzplatten, deren schnelle Achse gekreuzt ist. Die beiden Platten werden durch ein optisch kontaktiertes Verfahren hergestellt, der optische Pfad ist frei von Epoxidharz.
- Eine Wellenplatte mit Luftabstand nullter Ordnung besteht aus zwei Quarzplatten, die in einer Halterung installiert sind und einen Luftspalt zwischen den beiden Quarzplatten bilden.
- Eine echte Quarzplatte nullter Ordnung besteht aus einer einzelnen Quarzplatte, die sehr dünn ist. Sie können entweder einzeln als einzelne Platte für Anwendungen mit hoher Zerstörschwelle (mehr als 1 GW/cm2) oder als zementierte dünne Quarzplatte auf einem BK7-Substrat angeboten werden, um für Festigkeit zu sorgen und das Problem einer leichten Beschädigung zu lösen.
- Eine Wellenplatte mit zwei Wellenlängen nullter Ordnung kann gleichzeitig eine spezifische Verzögerung bei zwei Wellenlängen (der Grundwellenlänge und der zweiten harmonischen Wellenlänge) bereitstellen. Wellenplatten mit zwei Wellenlängen sind besonders nützlich, wenn sie in Verbindung mit anderen polarisationsempfindlichen Komponenten verwendet werden, um koaxiale Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge zu trennen. In Femtosekundenlasern wird häufig eine Wellenplatte nullter Ordnung mit zwei Wellenlängen verwendet.
- Eine Telekommunikationswellenplatte besteht nur aus einer Quarzplatte, verglichen mit einer zementierten echten Wellenplatte nullter Ordnung. Es wird hauptsächlich in der Glasfaserkommunikation eingesetzt. Telekommunikationswellenplatten sind dünne und kompakte Wellenplatten, die speziell für die anspruchsvollen Anforderungen von Glasfaserkommunikationskomponenten entwickelt wurden. Die Halbwellenplatte kann zum Drehen des Polarisationszustands verwendet werden, während die Viertelwellenplatte zur Umwandlung von linear polarisiertem Licht in einen zirkularen Polarisationszustand und umgekehrt verwendet werden kann. Die Halbwellenplatte ist etwa 91 µm dick, die Viertelwellenplatte ist immer nicht 1/4-Welle, sondern 3/4-Welle, etwa 137 µm dick. Diese ultradünnen Wellenplatten gewährleisten die beste Temperaturbandbreite, Winkelbandbreite und Wellenlängenbandbreite. Die geringe Größe dieser Wellenplatten macht sie auch ideal zur Reduzierung der Gesamtpaketgröße Ihres Designs. Wir können individuelle Größen nach Ihren Wünschen bereitstellen.
- Eine Wellenplatte nullter Ordnung im mittleren Infrarotbereich besteht aus zwei Magnesiumfluorid (MgF2)-Platten, deren schnelle Achse gekreuzt ist. Die beiden Platten werden durch ein optisches Kontaktverfahren hergestellt, der optische Pfad ist epoxidfrei. Der Dickenunterschied zwischen den beiden Platten bestimmt die Verzögerung. Wellenplatten nullter Ordnung im mittleren Infrarot werden häufig in Infrarotanwendungen verwendet, idealerweise für den Bereich von 2,5 bis 6,0 Mikrometer.
⊙Achromatische Wellenplatten
Achromatische Wellenplatten ähneln Wellenplatten nullter Ordnung, mit der Ausnahme, dass die beiden Platten aus unterschiedlichen doppelbrechenden Kristallen bestehen. Aufgrund der Kompensation zweier Materialien sind achromatische Wellenplatten weitaus konstanter als selbst Wellenplatten nullter Ordnung. Eine achromatische Wellenplatte ähnelt einer Wellenplatte nullter Ordnung, mit der Ausnahme, dass die beiden Platten aus unterschiedlichen doppelbrechenden Kristallen bestehen. Da die Streuung der Doppelbrechung zweier Materialien unterschiedlich ist, ist es möglich, die Verzögerungswerte in einem breiten Wellenlängenbereich anzugeben. Die Verzögerung reagiert also weniger empfindlich auf Wellenlängenänderungen. Wenn die Situation mehrere spektrale Wellenlängen oder ein ganzes Band (z. B. von Violett bis Rot) umfasst, sind achromatische Wellenplatten die ideale Wahl.
Achromatische NIR-Wellenplatte
SWIR Achromatische Wellenplatte
VIS Achromatische Wellenplatte
⊙Superachromatische Wellenplatten
Superachromatische Wellenplatten ähneln achromatischen Wellenplatten und bieten eher eine flache Verzögerung über einen superbreitbandigen Wellenlängenbereich. Eine normale achromatische Wellenplatte besteht aus einer Quarzplatte und einer MgF2-Platte, die nur einen Wellenlängenbereich von wenigen hundert Nanometern aufweist. Unsere superachromatischen Wellenplatten bestehen aus drei Materialien: Quarz, MgF2 und Saphir, die eine flache Verzögerung über einen breiteren Wellenlängenbereich bieten können.
⊙Fresnel-Rhomben-Retarder
Fresnel-Rhomben-Verzögerer nutzen interne Reflexion in bestimmten Winkeln innerhalb der Prismenstruktur, um einfallendem polarisiertem Licht eine Verzögerung zu verleihen. Wie achromatische Wellenplatten können sie eine gleichmäßige Verzögerung über einen weiten Wellenlängenbereich bieten. Da die Verzögerung von Fresnel-Rhombus-Verzögerern nur vom Brechungsindex und der Geometrie des Materials abhängt, ist der Wellenlängenbereich breiter als bei achromatischen Wellenplatten aus doppelbrechendem Kristall. Ein einzelner Fresnel-Rhombus-Verzögerer erzeugt eine Phasenverzögerung von λ/4, das Ausgangslicht ist parallel zum Eingangslicht, aber seitlich versetzt; Ein Double Fresnel Rhomb Retarder erzeugt eine Phasenverzögerung von λ/2 und besteht aus zwei Single Fresnel Rhomb Retardern. Wir bieten Standard-BK7-Fresnel-Rhombenverzögerer an, andere Materialien wie ZnSe und CaF2 sind auf Anfrage erhältlich. Diese Verzögerer sind für den Einsatz mit Dioden- und Faseranwendungen optimiert. Da Fresnel Rhomb Retarder auf Totalreflexion basieren, können sie breitbandig oder achromatisch eingesetzt werden.
Fresnel-Rhomben-Retarder
⊙Polarisationsrotatoren aus kristallinem Quarz
Polarisationsrotatoren aus kristallinem Quarz sind Einkristalle aus Quarz, die die Polarisation des einfallenden Lichts unabhängig von der Ausrichtung zwischen dem Rotator und der Polarisation des Lichts drehen. Aufgrund der Rotationsaktivität natürlicher Quarzkristalle können sie auch als Polarisationsrotatoren verwendet werden, sodass die Ebene des linear polarisierten Eingangsstrahls in einem speziellen Winkel gedreht wird, der durch die Dicke des Quarzkristalls bestimmt wird. Ab sofort können bei uns Links- und Rechtsrotatoren angeboten werden. Da sie die Polarisationsebene um einen bestimmten Winkel drehen, sind Polarisationsrotatoren aus kristallinem Quarz eine großartige Alternative zu Wellenplatten und können verwendet werden, um die gesamte Polarisation des Lichts entlang der optischen Achse zu drehen, nicht nur eine einzelne Komponente des Lichts. Die Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts muss senkrecht zum Rotator sein.
Paralight Optics bietet achromatische Wellenplatten, superachromatische Wellenplatten, zementierte Wellenplatten nullter Ordnung, optisch kontaktierte Wellenplatten nullter Ordnung, luftbeabstandete Wellenplatten nullter Ordnung, echte Wellenplatten nullter Ordnung, Einzelplatten-Hochleistungswellenplatten und Wellenplatten mehrerer Ordnung , Wellenplatten mit zwei Wellenlängen, Wellenplatten mit zwei Wellenlängen nullter Ordnung, Wellenplatten für die Telekommunikation, Wellenplatten mit mittlerer IR-Wellenlänge nullter Ordnung, Fresnel-Rhombus-Verzögerer, Ringhalter für Wellenplatten und Quarz-Polarisationsrotatoren.
Wellenplatten
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