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Polarisationstechniken

Diese Anwendungsnotiz beschreibt kurz polarisiertes Licht, Verzögerung und einige der Werkzeuge, die zum Manipulieren des Polarisationszustands von Licht verwendet werden. Ebenfalls enthalten sind Beschreibungen von Kombinationen aus Komponenten, die gängige Lichtmanipulationswerkzeuge wie optische Isolatoren, Lichtabschwächer, Polarisationsrotatoren und variable Strahlteiler darstellen.

Lichtpolarisation

 

In der klassischen Physik wird Licht einer einzelnen Farbe durch ein elektromagnetisches Feld beschrieben, in dem elektrische und magnetische Felder mit einer Frequenz (ν) schwingen, die mit der Wellenlänge (λ) zusammenhängt, wie in der Gleichung gezeigt

C= λν

Wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Sichtbares Licht hat beispielsweise Wellenlängen von 400 bis 750 nm.

 

Eine wichtige Eigenschaft optischer Wellen ist ihr Polarisationszustand. Eine vertikal polarisierte Welle ist eine Welle, bei der das elektrische Feld nur entlang der z-Achse liegt, wenn sich die Welle entlang der y-Achse ausbreitet (Abbildung 1A). In ähnlicher Weise ist eine horizontal polarisierte Welle eine Welle, bei der das elektrische Feld nur entlang der x-Achse liegt. Jeder Polarisationszustand, der sich entlang der y-Achse ausbreitet, kann vertikal und horizontal polarisierten Wellen mit einer bestimmten relativen Phase überlagert werden. Die Amplitude der beiden Komponenten wird durch Projektionen der Polarisationsrichtung entlang der vertikalen oder horizontalen Achse bestimmt. Beispielsweise ist bei 45 ° zur xz-Ebene polarisiertes Licht in Amplitude und Phase sowohl für vertikal als auch horizontal polarisiertes Licht gleich (1B).

Abbildung A - Lineares Licht in vertikaler Richtung

Abbildung B - Linear polarisiertes Licht bei 45 Grad

 

 

Abbildung C - Zirkular polarisiertes Licht

 

 

Abbildung D - Elliptisch polarisiertes Licht

 

Zirkular polarisiertes Licht wird erzeugt, wenn eine lineare elektrische Feldkomponente gegenüber der orthogonalen Komponente um λ/4 phasenverschoben ist, wie in Fig. 1C gezeigt.

Elliptisch polarisiertes Licht repräsentiert eine willkürliche Phasenverschiebung zwischen den beiden elektrischen Feldkomponenten, wie in 1D gezeigt.

Wir erzeugen linear polarisiertes Licht, wenn wir unpolarisiertes Licht durch ein polarisierendes Medium senden, dessen Achse mit der gewünschten linearen Polarisation übereinstimmt. Wenn dieses polarisierte Licht durch einen zweiten Polarisator geleitet wird, können nur die Komponenten, die parallel zur Polarisationsachse sind, austreten, während die orthogonale Komponente absorbiert wird. Wenn vertikal polarisiertes Licht durch einen auf 45 ° ausgerichteten Polarisator gesendet wird, verringert sich die Amplitude des austretenden Lichts um den Faktor 1/Lambda/2 und die Intensität um 50% der ursprünglichen Intensität. Wenn vertikal polarisiertes Licht durch einen horizontal ausgerichteten Polarisator gesendet wird, ist keine Komponente des ursprünglichen Lichts parallel zur Polarisationsrichtung und es tritt kein Licht aus.

 

Verzögerung

Ein weiteres nützliches Werkzeug zur Manipulation von polarisiertem Licht ist der Phasenverzögerer. Die Phasenverzögerung wird erreicht, indem die optische Weglänge für eine der orthogonalen Polarisationen von der anderen verschieden gemacht wird.

 

Lamda/4 Platte

Wenn die orthogonalen elektrischen Feldkomponenten äquivalent sind, führt eine Phasenverschiebung in einer Komponente zu zirkular polarisiertem Licht, wie in Teil C von 1 gezeigt. Verzögerer, die diese Verschiebung verursachen, werden als „Lamda/4 Platte „ bezeichnet. Sie haben die einzigartige Eigenschaft, elliptisch polarisiertes Licht in linear polarisiertes Licht umzuwandeln oder linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht umzuwandeln, wenn die schnelle Achse der Viertelwellenplatte 45 ° zur einfallenden Polarisationsebene liegt. Dies erfolgt unter Verwendung doppelbrechender, einachsiger Materialien mit zwei unterschiedlichen Brechungsindizes. Licht, das entlang der Richtung mit dem kleineren Index polarisiert ist, bewegt sich schneller und daher wird diese Achse als schnelle Achse bezeichnet. Die andere Achse ist die langsame Achse.

Die Ausrichtung von Lamda/4 Platten wird unter Verwendung eines linearen Polarisators und eines Spiegels erreicht, wie in 2 gezeigt. Unter Verwendung eines Polarisationsstrahlteilers wird vertikal polarisiertes Licht durch eine Lmada/4 Platte auf einen Spiegel geleitet. Wenn der Winkel zwischen der schnellen Achse der Viertelwellenplatte und der Polarisationsebene 45 ° beträgt, hat das reflektierte Licht eine Polarisation, die 90 ° zur Polarisation der ursprünglichen Quelle beträgt. Dies maximiert das Licht bei B und minimiert das Licht am Referenzpunkt A, wie in Abbildung 2 gezeigt.

 

 

Abbildung 2: Eine Viertelwellenausrichtungstechnik

 

Lamda/2 Platte

 
Ein Verzögerer, der eine λ / 2-Phasenverschiebung erzeugt, ist als „Lamda/2 Platte“ bekannt. Lambda/2 Platten  können die Polarisation von linear polarisiertem Licht auf den doppelten Winkel zwischen der schnellen Achse des Verzögerers und der Polarisationsebene drehen. Wenn die schnelle Achse einer Lambda/2 Platte um 45 ° zur Polarisationsebene platziert wird, ergibt sich eine Polarisationsdrehung von 90 °.
Wenn zirkular polarisiertes Licht durch eine Halbwellenplatte geleitet wird, ändert sich die "Händigkeit" der Polarisation. Dies entspricht der Verschiebung der horizontalen Polarisation in Abbildung C um ein λ.
 

Optische Isolatoren

 
Verzögerer, die in Verbindung mit Polarisatoren verwendet werden, bieten viele nützliche Vorrichtungen. Zum Beispiel kann eine optische Isolation erreicht werden, indem ein linearer Polarisator mit einem Lamda/4 Platte kombiniert wird. Durch korrektes Ausrichten diese Platte mit dem linearen Polarisator wird linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt. Da zirkular polarisiertes Licht bei Spiegelreflexion eine Verschiebung der „Händigkeit“ zeigt, wird das reflektierte Licht nun linear polarisiert und um 90 ° gegenüber dem den Isolator verlassenden Licht gedreht. Horizontal polarisiertes Licht, das auf einen vertikal ausgerichteten Polarisator fällt, wird zurückgewiesen.

Abbildung 3: Demonstration der optischen Isolation

 

 

Optische Abschwächer

 
Ein optischer Abschwächer wird durch Kombination von zwei linearen Polarisatoren und einer Halbwellenplatte aufgebaut. Die Eingangs- und Ausgangspolarisatoren sind gekreuzt, so dass kein Licht durch sie hindurchgeht. Durch Einsetzen der Halbwellenplatte kann jedoch Licht durch das Gerät hindurchtreten. Die Lichtmenge wird durch den Winkel zwischen der optischen Achse des einfallenden Polarisators und der Halbwellenplatte bestimmt. Durch Platzieren der optischen Achse der Halbwellenplatte in einem Winkel von 45 ° zum ankommenden Polarisator wird eine maximale Transmission erzielt. Ausrichten der optischen Achse der Halbwellenplatte mit einer der beiden
Die optischen Achsen des Eingangs- oder Ausgangspolarisators bieten die minimale Transmission. Wie nahe das Minimum an der Nullübertragung liegt, hängt von der Qualität der Polarisatoren und der Halbwelle ab
Platte im Gerät verwendet.
 
Durch Ersetzen der Halbwellenplatte durch ein Gerät, das die Polarisation variiert, wie z. B. einen variablen Verzögerer, wird ein variables Dämpfungsglied erzeugt. Diese Konfiguration ist in Abbildung 4 dargestellt. Wenn wir die schnelle Achse des variablen Verzögerers um 45 ° zum Eingangspolarisator ausrichten und die Verzögerung zwischen Halbwelle und Vollwelle modulieren, variiert die Transmission zwischen Maximum und Minimum, wodurch ein optischer Verschluss-Chopper entsteht.

Abbildung 4: Die Konfiguration des variablen Abschwächers

 

 

Polarisationsrotator

 
Ein einfacher Polarisationsrotator besteht aus einer Halbwellenplatte in linear polarisiertem Licht. Durch Drehen der Halbwellenplatte wird die Polarisation um den doppelten Winkel der schnellen Achse der Halbwellenplatte mit der Polarisationsebene gedreht, wie in 5A gezeigt. Wir erreichen eine Rotation mit variabler Polarisation, indem wir die schnelle Achse eines variablen Retarders bei 45 ° zur ankommenden Polarisation ausrichten und dieser Komponente mit einem Lambda/4 Platte folgen, dessen langsame Achse mit der ankommenden Polarisation ausgerichtet ist, wie in 5B gezeigt. Das Ausmaß der erreichten Rotation hängt von dem Ausmaß der Verzögerung ab, das der erste Verzögerer aufweist. Die Polarisationsachse wird um einen Winkel gedreht, der die Hälfte der vom variablen Verzögerer bereitgestellten Phasenverschiebung beträgt.

Abbildung A - Lineares Licht in vertikaler Richtung

 

 

Abbildung B - Variable Polarisationsrotation mit einem variablen Retarder

 

 

Variabler Strahlteiler

 
Wir können einen variablen Strahlteiler erzeugen, indem wir linear polarisiertes Licht in Kombination mit einem polarisierenden Strahlteiler durch eine Halbwellenplatte leiten. Die Polarisation des Lichts durch den Strahlteiler bestimmt die Lichtmenge, die der Strahlteiler durchlässt und reflektiert. Durch Ausrichten der Verzögererachse mit der vertikalen Eingangspolarisation wird eine Totalreflexion durch den Strahlwürfel erreicht.
 
Umgekehrt sorgt das Drehen der schnellen Achse der Halbwellenplatte um einen Winkel von 45 ° mit der Eingangspolarisationsebene für eine vollständige Übertragung durch den Strahlteiler. Wenn Sie die Halbwellenplatte durch einen variablen Verzögerer ersetzen, dessen schnelle Achse 45 ° zur ankommenden Polarisation liegt, erhalten Sie die gleichen Ergebnisse der Strahlaufteilung wie zuvor ohne mechanische Bewegung. Durch Variieren der Verzögerung zwischen den 0- und Halbwellenwerten wird ein optischer Schalter erzeugt.

 

Fazit

In diesem Anwendungshinweis haben wir eine grundlegende Beschreibung der Lichtpolarisation und einige der Werkzeuge zur Steuerung des Polarisationszustands von Licht gegeben. Verzögerer und Polarisatoren wurden in einfachen Geräten verwendet, die einige der üblichen Manipulationen ermöglichen, die überall dort erforderlich sind, wo Licht gemessen wird.