Naast helderheid en kleur bezit licht nog een fascinerende eigenschap: polarisatie. Gepolariseerd licht speelt een cruciale rol in moderne optische technologieën, en golfplaten dienen als toverstokjes die de polarisatietoestand van licht manipuleren. Dit artikel onderzoekt de werkingsprincipes, typen en diverse toepassingen van golfplaten, waardoor nieuwe horizonten worden geopend op het gebied van optische controle.
De interactie tussen licht en materie lijkt op een ingewikkelde fysieke dans. Terwijl de golflengte van het licht het ritme bepaalt, voegt de materiaalverspreiding een uniek karakter toe aan deze voorstelling. Terwijl licht door materialen reist, resoneert het met atomen of moleculen; de sterkte van deze resonantie hangt af van de golflengte van het licht. Dubbele breking komt naar voren als een boeiende variatie in deze dans, die optreedt wanneer materialen verschillende brekingsindices vertonen voor verschillende polarisatierichtingen.
In bepaalde kristallen met een ordelijke atomaire rangschikking komen verschillende elektrische vectorrichtingen verschillende resonantiefrequenties tegen. Dit creëert variërende brekingsindices voor verschillende polarisatierichtingen. In tegenstelling tot dispersie kan dubbele breking worden vermeden door niet-kristallijne materialen of kristallen met eenvoudige symmetrie te gebruiken. We kunnen echter ook dubbele breking gebruiken om opzettelijk de polarisatietoestand van het licht te veranderen via dubbelbrekende golfplaten, ook wel retarders genoemd.
De essentie van golfplaten ligt in hun unieke kristalstructuur. Door kristallen nauwkeurig te snijden, kunnen we de brekingsindex voor specifieke polarisatierichtingen minimaliseren, ook wel de snelle as genoemd, waarbij lichtgolven een maximale fasesnelheid bereiken.
Wanneer de lineaire polarisatie 90° wordt gedraaid, stuit het licht op de maximale brekingsindex en de minimale fasesnelheid: de langzame as. Stel je ter illustratie voor dat je golflengten langs deze assen vergelijkt: als de snelle as 2⅔ golflengten toont terwijl de langzame as 4 toont, zou de brekingsindexverhouding 2:3 zijn (overdreven voor de duidelijkheid).
De voortplantingsfaseconstante (k) is gelijk aan 2πfn/c radialen/meter, waarbij f de frequentie is, n de brekingsindex en c de lichtsnelheid is. Licht dat door een kristal met lengte L gaat, ervaart dus faseverschuiving φ = 2πfnL/c. Het verschil tussen faseverschuivingen langs snelle en langzame assen definieert de vertraging (Γ = 2πf(nlangzaam- Nsnel)L/c), doorgaans gemeten in golflengte-eenheden in plaats van radialen.
Onder de golfplaten komen de halvegolfplaten (Γ = π) en de kwartgolfplaten (Γ = π/2) het meest voor. Halfgolfplaten roteren de lineaire polarisatierichting: wanneer licht binnenkomt onder een hoek θ ten opzichte van de snelle as, roteert de polarisatie met 2θ. Dit blijkt van onschatbare waarde voor het aanpassen van de laserpolarisatie, vooral bij grote onbeweeglijke lasers.
Om een halve-golfplaat uit te lijnen, gebruikt u eerst een polarisator om uitdoving (horizontale polarisatie) te vinden, plaatst u vervolgens de plaat en draait u totdat uitdoving overblijft, waarbij u een as markeert. 45° roteren vanuit deze positie levert een polarisatierotatie van 90° op. Voor andere hoeken draait u de plaat met de helft van de gewenste rotatiehoek.
Kwartgolfplaten converteren tussen lineaire en circulaire polarisatie wanneer invallend licht een hoek van 45 ° maakt met beide assen. Hier worden de componenten van de snelle en langzame as gelijk, waardoor een spiraalvormig elektrisch vectorpatroon ontstaat: rechtse of linkse circulaire polarisatie, afhankelijk van de oriëntatie.
De uitlijning weerspiegelt het proces van de halve golfplaat: gebruik een polarisator om uitsterving te vinden, plaats de kwartgolfplaat, draai om de uitdoving te behouden en draai vervolgens 45 °. Perfecte circulaire polarisatie vertoont een constante intensiteit door een roterende polarisator; variërende intensiteit duidt op elliptische polarisatie, wat erop wijst dat de golflengte niet overeenkomt.
Andere vertragingswaarden produceren doorgaans elliptische polarisatie, behalve λ/2, die de lineaire polarisatie op 2θ handhaaft. Kwartgolfplaten creëren alleen perfecte circulaire polarisatie bij een exacte invalshoek van 45°.
Golfplaten hebben voornamelijk twee functies: het roteren van polarisatievlakken (halve golf) en het creëren van circulaire polarisatie (kwartgolf). Kwartgolfplaten zetten ook cirkelvormige polarisatie terug in lineaire polarisatie door de lichtrichting om te keren.
In optische isolatiesystemen elimineren kwartgolfplaten in combinatie met polarisatoren ongewenste reflecties. Ze zuiveren ook de polarisatie in systemen met meerdere spiegelreflecties die elliptische polarisatie kunnen veroorzaken. Dubbelgolfplaten kunnen kleine ellipticiteit corrigeren door zorgvuldig te kantelen.
Hoewel veel natuurlijke kristallen dubbele breking vertonen, gebruiken praktische golfplaten vaak materialen zoals calciet of kristallijn kwarts. Hun grote verschillen in brekingsindex zouden echter onpraktisch dunne echte halvegolfplaten vereisen. Alternatieven zijn onder meer door spanning geïnduceerde dubbele breking in polymeren of golfplaten van meerdere ordes: dikkere componenten die alleen bij specifieke golflengten als halve golfplaten functioneren.
Echte golfplaten van de nulde orde combineren twee vertragers met een halve golfverschil (snel uitgelijnd op de langzame as), waardoor de golflengte en temperatuurgevoeligheid worden geminimaliseerd. Voor breedbandtoepassingen worden achromatische golfplaten gebruikt die kwarts-MgF gebruiken2laminaten tussen AR-gecoate ramen bieden superieure prestaties.
Berek-compensatoren, ontwikkeld in 1913, dienen als afstembare golfplaten die instelbaar zijn van 200-2800 nm door roterende calciet- of magnesiumfluorideplaten. Deze variabele vertragers verminderen aanzienlijk het aantal compensatieplaten dat nodig is voor kwantitatieve gepolariseerd lichtmicroscopie.