光には明るさと色の他に、偏光というもう一つの魅力的な特性があります。偏光は現代の光学技術において重要な役割を果たしており、波長板は光の偏光状態を操作する魔法の杖として機能します。この記事では、波長板の動作原理、種類、および多様な用途を検討し、光学制御の新たな地平を切り開きます。
光と物質の相互作用は、複雑な物理的なダンスに似ています。光の波長がリズムを決める一方で、物質の分散がこのパフォーマンスに独特の個性を加えます。光が物質を通過すると、原子または分子と共鳴します。この共鳴の強さは光の波長によって異なります。複屈折は、材料が異なる偏光方向に対して異なる屈折率を示すときに発生する、このダンスの魅惑的な変化として現れます。
規則正しい原子配置を持つ特定の結晶では、異なる電気ベクトルの方向が異なる共鳴周波数に遭遇します。これにより、偏光方向が異なると屈折率が変化します。分散とは異なり、複屈折は非結晶材料または単純な対称性を持つ結晶を使用することで回避できます。ただし、複屈折を利用して、リターダーとしても知られる複屈折波長板を通して光の偏光状態を意図的に変更することもできます。
波長板の本質はその独特な結晶構造にあります。結晶を正確にカットすることにより、光波が最大位相速度に達する速軸として知られる特定の偏光方向の屈折率を最小限に抑えることができます。
直線偏光を 90 度回転すると、光は最大の屈折率と最小の位相速度、つまり遅軸に遭遇します。たとえば、これらの軸に沿って波長を比較するとします。速軸が 2/3 波長を示し、遅軸が 4 を示す場合、屈折率比は 2:3 になります (わかりやすくするために誇張されています)。
伝播位相定数 (k) は 2πfn/c ラジアン/メートルに等しくなります。ここで、f は周波数、n は屈折率、c は光速度です。したがって、長さ L の結晶を通過する光は、位相シフト φ = 2πfnL/c を経験します。速軸と遅軸に沿った位相シフトの差がリターデーションを定義します (Γ = 2πf(n)遅い-n速い)L/c)、通常はラジアンではなく波長単位で測定されます。
波長板の中では、半波長 (Γ = π) および 1/4 波長 (Γ = π/2) プレートが最も一般的です。半波長板は直線偏光方向を回転します。光が進相軸に対して角度 θ で入射すると、その偏光は 2θ 回転します。これは、特に大型の固定レーザーの場合、レーザーの偏光を調整するのに非常に有益であることがわかります。
1/2 波長板を位置合わせするには、まず偏光子を使用して消光 (水平偏光) を見つけます。次にプレートを挿入し、消光が残るまで回転させて軸をマークします。この位置から 45°回転すると、90°の偏光回転が得られます。他の角度の場合は、希望の回転角度の半分だけプレートを回転させます。
1/4 波長板は、入射光がいずれかの軸と 45 度をなすときに直線偏光と円偏光の間で変換します。ここでは、速軸成分と遅軸成分が等しくなり、らせん状の電気ベクトル パターン (向きに応じて右円偏光または左円偏光) が作成されます。
アライメントは 2 分の 1 波長板プロセスを反映します。偏光子を使用して消光を見つけ、4 分の 1 波長板を挿入し、消光を維持するために回転し、次に 45 度回転します。完全な円偏光は、回転する偏光子を通して一定の強度を示します。強度の変化は楕円偏光を示しており、波長の不一致を示唆しています。
他のリターデーション値は、2θ で直線偏光を維持する λ/2 を除いて、一般に楕円偏光を生成します。 1/4 波長プレートは、正確に 45° の入射でのみ完全な円偏光を生成します。
波長板は主に、偏光面の回転 (半波長) と円偏光の生成 (4 分の 1 波長) という 2 つの機能を果たします。 1/4 波長板は、光の方向を反転することにより、円偏光を直線偏光に戻します。
光学絶縁システムでは、偏光子と組み合わせた 4 分の 1 波長板が不要な反射を排除します。また、楕円偏光を引き起こす可能性のある複数のミラー反射を伴うシステム内の偏光も浄化します。全波長板は、注意して傾けることで小さな楕円率を修正できます。
多くの天然結晶は複屈折を示しますが、実際の波長板には方解石や結晶石英などの材料が使用されることがよくあります。ただし、屈折率の差が大きいため、非現実的に薄い真の 2 分の 1 波長板が必要になります。代替案には、ポリマーの応力誘起複屈折や多次波長板、つまり特定の波長でのみ半波長板として機能する厚いコンポーネントが含まれます。
真のゼロ次波長板は、半波長差のある 2 つのリターダーを組み合わせ (遅軸に高速で位置合わせされます)、波長と温度の感度を最小限に抑えます。広帯域用途には石英-MgFを使用した色消し波長板2AR コーティングされたウィンドウ間のラミネートは、優れたパフォーマンスを提供します。
1913 年に開発された Berek 補償器は、方解石またはフッ化マグネシウムのプレートを回転させることで 200 ～ 2800 nm の範囲で調整可能な波長可変板として機能します。これらの可変リターダーは、定量的偏光顕微鏡法に必要な補償プレートの数を大幅に減らします。