Neben Helligkeit und Farbe besitzt Licht eine weitere faszinierende Eigenschaft: die Polarisation. Polarisiertes Licht spielt eine entscheidende Rolle in modernen optischen Technologien, und Wellenplatten dienen als magische Stäbe, die den Polarisationszustand des Lichts manipulieren. Dieser Artikel untersucht die Funktionsprinzipien, Arten und vielfältigen Anwendungen von Wellenplatten und eröffnet neue Horizonte in der optischen Steuerung.
Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie ähnelt einem komplizierten physikalischen Tanz. Während die Wellenlänge des Lichts den Rhythmus vorgibt, verleiht die Materialdispersion dieser Performance einen einzigartigen Charakter. Wenn Licht durch Materialien wandert, schwingt es mit Atomen oder Molekülen mit – die Stärke dieser Resonanz hängt von der Wellenlänge des Lichts ab. Doppelbrechung entsteht als fesselnde Variation in diesem Tanz und tritt auf, wenn Materialien unterschiedliche Brechungsindizes für unterschiedliche Polarisationsrichtungen aufweisen.
In bestimmten Kristallen mit geordneten Atomanordnungen stoßen unterschiedliche elektrische Vektorrichtungen auf unterschiedliche Resonanzfrequenzen. Dies erzeugt unterschiedliche Brechungsindizes für unterschiedliche Polarisationsrichtungen. Im Gegensatz zur Dispersion kann die Doppelbrechung durch die Verwendung nichtkristalliner Materialien oder Kristalle mit einfacher Symmetrie vermieden werden. Wir können die Doppelbrechung jedoch auch nutzen, um den Polarisationszustand des Lichts gezielt zu verändern, und zwar durch doppelbrechende Wellenplatten, auch Retarder genannt.
Das Wesen von Wellenplatten liegt in ihrer einzigartigen Kristallstruktur. Durch präzises Schneiden von Kristallen können wir den Brechungsindex für bestimmte Polarisationsrichtungen minimieren – bekannt als die schnelle Achse, wo Lichtwellen die maximale Phasengeschwindigkeit erreichen.
Bei einer Drehung der linearen Polarisation um 90° trifft das Licht auf den maximalen Brechungsindex und die minimale Phasengeschwindigkeit – die langsame Achse. Um dies zu veranschaulichen, stellen Sie sich vor, Sie vergleichen Wellenlängen entlang dieser Achsen: Wenn die schnelle Achse 2⅔ Wellenlängen zeigt, während die langsame Achse 4 zeigt, wäre das Brechungsindexverhältnis 2:3 (zur Verdeutlichung übertrieben).
Die Ausbreitungsphasenkonstante (k) ist gleich 2πfn/c Radiant/Meter, wobei f die Frequenz, n der Brechungsindex und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Somit erfährt Licht, das durch einen Kristall der Länge L geht, eine Phasenverschiebung φ = 2πfnL/c. Der Unterschied zwischen den Phasenverschiebungen entlang der schnellen und langsamen Achsen definiert die Verzögerung (Γ = 2πf(n langsam - n schnell )L/c), typischerweise in Wellenlängeneinheiten anstelle von Radiant gemessen.
Unter den Wellenplatten sind Halbwellenplatten (Γ = π) und Viertelwellenplatten (Γ = π/2) am gebräuchlichsten. Halbwellenplatten drehen die Richtung der linearen Polarisation – wenn Licht in einem Winkel θ zur schnellen Achse eintritt, dreht sich seine Polarisation um 2θ. Dies erweist sich als unschätzbar wertvoll für die Anpassung der Laserpolarisation, insbesondere bei großen, unbeweglichen Lasern.
Um eine Halbwellenplatte auszurichten, verwenden Sie zuerst einen Polarisator, um Auslöschung (horizontale Polarisation) zu finden, setzen Sie dann die Platte ein und drehen Sie sie, bis die Auslöschung erhalten bleibt – dies markiert eine Achse. Eine Drehung um 45° von dieser Position ergibt eine 90°-Polarisationsrotation. Für andere Winkel drehen Sie die Platte um die Hälfte des gewünschten Drehwinkels.
Viertelwellenplatten wandeln zwischen linearer und zirkularer Polarisation um, wenn das einfallende Licht einen Winkel von 45° mit einer der beiden Achsen bildet. Hier werden die Komponenten der schnellen und langsamen Achse gleich, wodurch ein spiralförmiges elektrisches Vektormuster entsteht – rechts- oder linkszirkulare Polarisation, abhängig von der Ausrichtung.
Die Ausrichtung spiegelt den Prozess der Halbwellenplatte wider: Verwenden Sie einen Polarisator, um Auslöschung zu finden, setzen Sie die Viertelwellenplatte ein, drehen Sie sie, um die Auslöschung beizubehalten, und drehen Sie sie dann um 45°. Eine perfekte zirkulare Polarisation zeigt konstante Intensität durch einen rotierenden Polarisator; eine variierende Intensität deutet auf elliptische Polarisation hin, was auf eine Fehlanpassung der Wellenlänge hindeutet.
Andere Retardationswerte erzeugen im Allgemeinen elliptische Polarisation, außer λ/2, die die lineare Polarisation bei 2θ beibehält. Viertelwellenplatten erzeugen nur bei genau 45° Einfall perfekte zirkulare Polarisation.
Wellenplatten dienen hauptsächlich zwei Funktionen: Drehen von Polarisationsebenen (Halbwellen) und Erzeugen von zirkularer Polarisation (Viertelwellen). Viertelwellenplatten wandeln auch zirkulare Polarisation durch Umkehren der Lichtrichtung wieder in lineare Polarisation um.
In optischen Isolationssystemen eliminieren Viertelwellenplatten in Kombination mit Polarisatoren unerwünschte Reflexionen. Sie reinigen auch die Polarisation in Systemen mit mehrfachen Spiegelreflexionen, die eine elliptische Polarisation induzieren könnten. Vollwellenplatten können geringfügige Elliptizität durch sorgfältiges Kippen korrigieren.
Während viele natürliche Kristalle Doppelbrechung aufweisen, werden für praktische Wellenplatten oft Materialien wie Calcit oder kristalliner Quarz verwendet. Ihre großen Brechungsindexunterschiede würden jedoch unpraktisch dünne echte Halbwellenplatten erfordern. Alternativen sind spannungsinduzierte Doppelbrechung in Polymeren oder Multi-Order-Wellenplatten – dickere Komponenten, die nur bei bestimmten Wellenlängen als Halbwellenplatten fungieren.
Echte Null-Ordnungs-Wellenplatten kombinieren zwei Retarder mit einem Halbwellenunterschied (schnell an der langsamen Achse ausgerichtet), wodurch die Empfindlichkeit gegenüber Wellenlänge und Temperatur minimiert wird. Für Breitbandanwendungen bieten achromatische Wellenplatten mit Quarz-MgF 2 -Laminaten zwischen AR-beschichteten Fenstern eine überlegene Leistung.
Berek-Kompensatoren, die 1913 entwickelt wurden, dienen als abstimmbare Wellenplatten, die von 200 bis 2800 nm durch Drehen von Calcit- oder Magnesiumfluoridplatten einstellbar sind. Diese variablen Retarder reduzieren die Anzahl der für die quantitative polarisationsoptische Mikroskopie benötigten Kompensationsplatten erheblich.