Verzögerungsplatten. Anwendungshinweis.

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1 Verzögerungsplatten Anwendungshinweis

2 DieAuswahlderambestengeeignetenVerzögerungsplatte In vielen optischen Systemen ist es erforderlich, den Polarisationszustand des ichts zu kontrollieren bzw. einzustellen.eskannbeispielsweiseerforderlichsein,die Polarisationsrichtung eines ichtbündels zu verändern oder auch aus linear polarisiertem icht zirkular polarisiertes zu machen oder umgekehrt, oder auch irgendeinenspeziellenpolarisationszustandherzustellen. Für derartige Aufgaben werden abgesehen von inearpolarisatoren Verzögerungsplatten verwendet. Mittels einer Verzögerungsplatte wird eine Phasenverschiebung zwischen den beiden orthogonalen omponenten des elektromagnetischen Feldes erzeugt. Wenn die Verzögerungsplatte eine Phasenverschiebung von90 oderπ/erzeugt,nenntmansieeineamdbaviertel-platte bzw. λ /4-Platte, bei einer Phasenverschiebungvon180 oderπeineamdba-halbe-platte bzw. λ /-Platte. Eine normale Verzögerungsplatte erzeugt eine vorgegebene Verzögerung nur bei einer spezifischen Wellenlänge, der Design-Wellenlänge, und füreinespezifischeorientierungderplatteinbezugauf diestrahlrichtung,wofürfastimmerdersenkrechteeinfall gewähltwird;auchdietemperaturbeeinflusstdieverzögerung. VerzögerungsplattenwerdenausverschiedenenMaterialienhergestelltundesgibtdreifunktionaleGrundtypen: 1. Verzögerungsplattenhöherer: SieerzeugeneinesehrgroßePhasendifferenz,nämlichein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge plus einen bestimmten Bruchteil der Wellenlänge, aber nur der Bruchteilistoptischwirksam. 3. spektralschmalbandigist, 4. sichineinertemperaturstabilenumgebungausbreitet, 5. niedrigeintensitäthat,räumlichwieauchzeitlich, dann spielt der Funktionstyp keine große Rolle, und die Auswahl kann überwiegend nach dem Preis und den üblichen optischen Selektionskriterien erfolgen (und natürlich nach ieferzeit, Zuverlässigkeit etc. wie alle Einkaufsentscheidungen). WennaberirgendeinederobengenanntenBedingungen nicht erfüllt ist, muss der Funktionstyp sorgfältig ausgewählt werden. In der nachfolgenden Analyse wird der Einfluss dieser Bedingungen auf die eistung der drei Funktionstypen untersucht. Dazu wird die Präzision der tatsächlichenverzögerungbeinichtidealenbedingungen für drei exemplarische (kommerziell gut erhältliche) Verzögerungsplattendargestellt: 1. Verzögerungsplatte höherer : einzelne Quarzplattemitca.1mmDicke,. Verzögerungsplatte quasi nullter : zusammengesetzte Quarzplatte (verkittet, optisch kontaktiert odermituftabstand)mitca. mmgesamtermaterialdicke(ohnedenuftabstand), 3. Verzögerungsplatte nullter : Glimmer oder Polymer,unverkittetoderzwischenGlasplattenverkittet, DickeentsprechendderNullte--Bedingung. Die Wellenlänge wird im grünen Bereich (um 500 nm) angenommen, und alle Verzögerungsplatten seien gut entspiegelt.. Verzögerungsplattenquasinullter: Sie bestehen aus einem Paar fast identischer Verzögerungsplatten höherer mit orthogonal orientiertenristallachsen,sodassnurdiedifferenzderverzögerungenoptischwirksamist. ZunächstwirdderEinflussderAusbreitungsrichtungdes ichts auf die Phasenverzögerung betrachtet. Wenn die Platte um eine Achse gedreht wird, die parallel zur ristallachseliegt,steigtdiephasenverzögerungungefähr mitdemquadratdesdrehwinkels,beidrehungumeine dazusenkrechteachsesinktsie. 3. Verzögerungsplatten nullter (auch: echt nullter): SiesindextremdünnunderzeugeneinePhasendifferenz, dietatsächlichnureinbruchteileinerwellenlängeist. Bevor man das Material betrachtet, ist zunächst der richtigetypauszuwählen.wenndasichtbündel Der Absolutbetrag von Anstieg und Abfall ist auch für gleichewinkelnichtexaktidentisch,aberinderpraxisfast ununterscheidbar.(dabeiistzubeachten,dass Anstieg und Abfall keineabsolutebedeutunghaben,sondernihr VorzeichenmitderPhasenverzögerungändern;istdiese negativ,bedeutet Anstieg,dasssienochnegativerwird.) 1. einefesteausbreitungsrichtunghat,. gutkollimiertist,

3 Für Verzögerungsplatten, die nicht echt nullter sind, hängt die Verzögerung extrem empfindlich vomeinfallswinkelab. FürVerzögerungsplattenquasinullteristdie Abweichung sogar doppelt so groß wie für Platten höherer.tatsächlichwirdeineλ/4-plattequasi nullterbei10 Einfallswinkelfastzueiner λ/platteundumgekehrt. FürVerzögerungsplattenechtnullteristdie Abhängigkeit vom Einfallswinkel für praktisch alle Anwendungen. 50% 0,0 40% 0,15 30% 0,10 0% 0,05 10% 0% 0, Abweichungin%derDesign-Verzögerung Verzögerungsplattehöherer(Quarz) 0,5 10 Einfallswinkel(Grad) Verzögerungsplattequasinullter(Quarz) 0,5 50% 0,0 40% 0,15 30% 0,10 0% 0,05 10% 0% 0, Abweichungin%derDesign-Verzögerung AusdiesenDiagrammenergibtsichfolgendes: AbweichungvonDesign-Verzögerung(ambda) DasErgebnisistunabhängigvomkonkretenDesign,esist also egal ob es sich um eine λ/4- oder eine λ/-platte handelt oder irgendeine andere Variante: Die absolute Abweichung vom Design-Wert ist immer dieselbe. Achtung: Die Absolutskala für die Verzögerungsplatte nullterist100malsoempfindlichwiefürdie anderen beiden Typen, um die Abweichung für diese Platteüberhaupterstsichtbarzumachen. AbweichungvonDesign-Verzögerung(ambda) Die folgenden drei Diagramme zeigen die Abweichung vonderdesign-verzögerungfürdiedreifunktionstypen alsabsolutenwert(linkeskala,rot)sowiealsprozentsatz der Design-Verzögerung (rechte Skala, blau) in AbhängigkeitvomEinfallswinkel. 10 Dabei geht es aber nicht nur um mechanische Instabilitäten oder ähnliches, sondern ebenso um die Strahldivergenz. Wenn das ichtbündel nicht perfekt kollimiertist,enthälteseinevielzahlvonstrahlrichtungen innerhalb des Divergenzkegels, die jeweils unter unterschiedlichen Einfallswinkeln auf die Platte treffen und unterschiedliche Phasenverzögerungen erfahren. Folglichwirdeinanfangsperfektpolarisiertesdivergentes ichtbündel beim Durchgang durch eine Verzögerungsplattepartielldepolarisiert.OffensichtlichistdieDepolarisierung nicht homogen über das gesamte Gesichtsfeld, sondernistvomeinfallswinkeljedesteilstrahlsabhängig. Wie oben erwähnt, sinkt die Phasenverzögerung für StrahlenmiteinemEinfallswinkel 90 inbezugaufdie ristallachse, während sie für Strahlen steigt, die in der orthogonalenebenegeneigtsind mitdeminteressanten Nebeneffekt, dass die Verzögerung sich nicht ändert, wennderstrahlinbeidenrichtungengleichgeneigtist. DarausergibtsichdasrechtsgezeigteIntensitätsmuster, wenn ein divergentes, anfänglich linear polarisiertes ichtbündel durch eine λ/-platte höherer oder quasi nullter und anschließend durch einen inearpolarisatortritt(wobeidiedichtederhellenunddunklen StreifenvonderDoppelbrechung,derDickederPlatteund derstrahldivergenzabhängt). Verzögerungsplatteechtnullter(Glimmer) 50% 0,00 40% 30% 0% 0,001 10% 0% 0, Einfallswinkel(Grad) Abweichungin%derDesign-Verzögerung Daraus folgt, dass man immer dann Verzögerungsplattenechtnulltereinsetzensollte,wenndie RichtungzwischenichtausbreitungundVerzögerungsplattevariierenkann. AbweichungvonDesign-Verzögerung(ambda) Einfallswinkel(Grad)

4 0,6 0% 0,4-0% 0, -60% Abweichungin%derDesign-Verzögerung AbsoluteVerzögerung(ambda) 60% -100% 510 Wellenlänge(nm) Verzögerungsplattequasinullter(Quarz),5% 0,8 1,5% 0,6 0,5% 0,4-0,5% 0, -1,5% 0, Abweichungin%derDesign-Verzögerung 0,30 -,5% 510 Wellenlänge(nm) Verzögerungsplatteechtnullter(Glimmer) 0,30,5% 0,8 1,5% 0,6 0,5% 0,4-0,5% 0, -1,5% 0, Abweichungin%derDesign-Verzögerung Im Allgemeinen ist der zweite Effekt gegenüber dem ersten. Unter dieser Voraussetzung erhält man die nebenstehend dargestellten Diagramme fürdiedreifunktionstypen. Eshandeltsichdabeium λ/4-plattenfür550nm,siehe linke Skala Absolute Verzögerung und rote inien. Die tatsächliche Verzögerung von Platten höherer variiertdrastischmitderwellenlänge,einedirektefolge derhöheren.imgegensatzdazuzeigenplatten nullter(echtewieunechte)nureinesehrgeringe AbhängigkeitvonderWellenlänge(etwa1/80verglichen mitderplattehöherer).dieblaueninienzeigen dieabweichungvonderdesign-verzögerunginprozent. DieProzent-SkalafürdiePlattennullterist40 mal empfindlicher als für die Platte höherer, anderenfalls wären bei ersteren die inien von einer Horizontalen nicht unterscheidbar. Man sieht, dass bei Platten höherer die Abweichung von der Design-VerzögerunginnerhalbwenigerNanometer100% und mehr erreicht, oder in anderen Worten: VerzögerungsplattenhöhererverändernihrVerhalten drastisch innerhalb kleiner Wellenlängenbereiche, aus einerλ/4-plattewirdsogareineλ/-platte. 0,8 0,0 490 AbsoluteVerzögerung(ambda) 1. Die Plattendicke in Millimetern bleibt zwar konstant, sie ändert sich aber in Einheiten der Wellenlänge, und genaudiesegrößebestimmtdieverzögerung.. Wie alle Brechungsindizes hängt auch die Differenz von no und ne (Hauptbrechungsindizes des Plattenmaterials, die die Doppelbrechung bestimmen) von der Wellenlängeab,unddamitändertsichdieVerzögerung, selbstwenndiemechanischedickemitderwellenlänge skaliert. 100% Nun wird das spektrale Verhalten der verschiedenen Verzögerungsplatten betrachtet. Wenn sich die Wellenlängedesichtsändert,ändertsichdieVerzögerungaus zweigründen: Verzögerungsplattehöherer(Quarz) 0,30 AbsoluteVerzögerung(ambda) NumerischesBeispiel:Einlinearpolarisiertesichtbündel mit einer Divergenz von 10 wird durch eine λ/-platte quasi nullter transmittiert, die so orientiert ist, dasssiebeisenkrechtemeinfalldiepolarisationsrichtung um 90 dreht. Durch einen gekreuzten Polarisator tritt dann7%deseinfallendenichtsanstellevon0%,undbei einer Verzögerungsplatte höherer, die nicht ganzsoempfindlichaufdiestrahlrichtungreagiert,sindes immerhinnoch9%.mitanderenworten:derstrahlwird starkdepolarisiert(derwert50%bedeutet vollständig depolarisiert ). Dies ist speziell in abbildenden Anwendungenextremstörend,denndannwerdendieStreifen im Bild sichtbar. Im Gegensatz dazu verschwindet die Depolarisationfastvollständig,wennmaneinePlatteecht nullter verwendet (rechnerisch ergibt sich 0,0015%;dasistnurmitwenigenPolarisatorenüberhaupt nachweisbar). -,5% 510 Wellenlänge(nm) Weiterobenwurdefestgestellt,dassdieRichtungsempfindlichkeit unmittelbar zur Depolarisation divergenter Strahlenbündelführt.IngleicherWeiseresultiertausder Wellenlängenabhängigkeit eine Depolarisation nichtmonochromatischer Strahlen. Und wiederum sind VerzögerungsplattennullterdiebessereWahl, imfallderwellenlängenabhängigkeitgibtesaberkeinen Unterschied zwischen echter und unechter nullter.

5 DieVerzögerungjedwederVerzögerungsplattehängtaus zweigründenauchvondertemperaturab: DiePlattendickevariiertmitderTemperatur. DieBrechungsindizes,unddamitdieDoppelbrechung, hängenvondertemperaturab. Diese Effekte sind materialspezifisch, bei Quarz und GlimmeristdieTemperaturabhängigkeitaberähnlich.Für allematerialienstimmtfolgendeaussage:dietemperaturabhängigkeitvonplattennullteristerheblich geringer als die von Platten höherer aus demselben Material. Ein Beispiel für λ/4-platten aus Quarz: Eine Platte höherer ist etwa 80 mal so temperaturempfindlichwieeineplattenullter. AusalldiesenÜberlegungenistfolgendesoffensichtlich geworden: Eine Verzögerungsplatte höherer ist keine gute Wahl, wenn die Wellenlänge variieren kann oder wenndiespektralebandbreitenichtsehrkleinist. Verzögerungsplatten höherer wie auch Platten quasi nullter sind keine gute Wahl, wenn die Strahlrichtung variieren kann oder das Strahlenbündeldivergentist. Eine Verzögerungsplatte echter nullter ist immereinegutewahl,selbstunterdenbedingungen,bei denenandereplattenversagen.. Material Höhere Funktionstyp Verzögerungsplatten wurden schon frühzeitig aus Glimmer hergestellt, denn Glimmer ist als natürliches Mineral gut verfügbar und war (im 19. ahrhundert) leichterzuverarbeitenalsandereoptischeristalle.indem man Glimmerplatten einfach längs einer natürlichen Spaltebene spaltet, erhält man Verzögerungsplatten guter Qualität ohne jede Nacharbeit. Im aufe der Fortentwicklung der optischen Fertigungstechnologie wurdeesmöglich,verzögerungsplattenauchausanderen ristallenzuvernünftigenostenherzustellen.zusätzlich wurden in der zweiten Hälfte des 0. ahrhunderts als Verzögerungselemente geeignete Polymere entwickelt. Parallel dazu geriet Glimmer mehr und mehr ins Hintertreffen. Allerdings haben einige Optik-Unternehmen, wie beispielsweise die S & R Optic GmbH in Heuchelheim bei Gießen, ihre Glimmer-Technologie kontinuierlich weiterentwickelt, wodurch Glimmer auch heute wieder das Material der Wahl in vielen Anwendungenist. Die nachfolgende Tabelle zeigt die unter praktischen Gesichtspunkten wichtigen Parameter der unterschiedlichen Verzögerungsplatten-Typen und -Materialien soweit sie sich wesentlich unterscheiden. Unverkittete Polymerplattensindnichtenthalten,weilsiewegenihrer geringen Dicke extrem empfindlich und damit für die MasseallerAnwendungenungeeignetsind: Glimmer Glimmer Polymer Quasinullte Quasinullte Quasinullte Echtenullte Echtenullte Echtenullte Einzelplatte unverkittet Verkittet Optisch kontaktiert Mituft abstand Verkittet Einzelplatte unverkittet Verkittet Wellenlängen-Einsatzbereich (nm) mm 50mm 50mm 50mm 00mm 00mm 00mm vernach lässigbar minimal vernach lässigbar vernach lässigbar wenige Prozent wenige Prozent <1% Aufbau Max.Durchmesser(prakt.) 10-0ns -NIR 0.5/cm 10/cm 10/cm 10/cm 0.5/cm 10/cm 4/cm Verzögerungshomogenität überdieapertur(typ.5mm) λ/500 Verzögerungsgenauigkeit Temperaturabhängigkeitder Verzögerungje C Preis@kleineStückzahl Preis@mittlereStückzahl Preis@hoheStückzahl 10MW/cm 1.5kW/cm 0.3% λ/00 1MW/cm λ/500 1MW/cm λ/ kW/cm 0.5kW/cm 0.5kW/cm λ/100 λ/00 λ/00 λ/ %

6 DieTabellezeigtdieVorteilewieauchdieNachteileder jeweiligentypenundmaterialiensehrdeutlich.einklarer VorteilvonQuarzistdieVerwendbarkeitimUVundauch die sehr hohe Zerstörschwelle, insbesondere für kontinuierliche Strahlung, die das Resultat der extrem niedrigenabsorptionvonquarzist.inandererhinsichtist Quarz aber nicht das optimale Material, insbesondere wegendesrelativhohenpreises fallsdieanwendung nichtdochdieverwendungeinerplattehöherer erlaubt. DieAbsorptionunddiedamitverbundenerelativniedrige Zerstörschwelle für kontinuierliche Strahlung sind im Wesentlichen die einzigen Nachteile von Glimmer und Polymer gegenüber Quarz. Daher empfiehlt sich immer die Verwendung von Glimmer oder Polymer, falls die konkrete Anwendung nicht eine der positiven Eigenschaften von Quarz erfordert. Und wenn die niedrigere Absorption in Polymer nicht den höheren Preis rechtfertigt, sind Verzögerungsplatten echter nullter aus Glimmer regelmäßig die beste Wahl, besonders auch unter Preisgesichtspunkten. Und für Glimmertrifft niedrigerpreis imallgemeinenauchauf guteverfügbarkeit :EtablierteHerstellervonGlimmerVerzögerungsplatten wie z.b. S & R Optic GmbH haben üblicherweiseeinengroßenvorratangespaltenenplatten innanometer-abstufung,sodassfürdieherstellungeiner PlattefürfastjedeWellenlängeaufvorgefertigtesMaterial zurückgegriffenwerdenkann. Zusammenfassung: Verzögerungsplattenechternulltersinddie bestewahluntertechnischengesichtspunkten. Verzögerungsplattenquasinullterhabenein ebenso günstiges Verhalten bei Wellenlängen- und Temperaturänderungen,zeigenabereinnochschlechteres Verhalten gegenüber Strahlrichtungsänderungen alsplattenhöherer. Verzögerungsplatten höherer sind nur anwendbar,wenneinevielzahlvonparameternkonstant ist. Verkittete Polymer-Verzögerungsplatten sind technischgeseheneinegutewahl,sindabertypischerweise sehrkostenintensiv. Verzögerungsplatten aus Glimmer sind normalerweise die beste Wahl aus technischer Sicht, und im Allgemeinensindsieauchbesondersgutverfügbarund preisgünstig. Dr.WolfgangSchneider udwig-rinn-str.14 D-3545Heuchelheim Tel.: Fax: Web: info@sr-optic.com