Введение в волновые пластины и замедлители
Что такое пластинки задержки и ретардеры?
Пластинки задержки и ретардеры — это важные оптические компоненты, используемые для управления и изменения состояния поляризации лазерного света.Пластинки задержки традиционно изготавливаются из двулучепреломляющих кристаллов, таких как кварц и фторид магния. (Существуют также ретардеры, выполненные из недвулучепреломляющих материалов. Ретардер Френеля-Ромба — отличный пример, который обычно изготавливается из BK7, УФ-спеченного кварца или ZnSe, реализуя задержку фазы за счет полного внутреннего отражения. Задержка, создаваемая ретардером Френеля-Ромба, практически полностью зависит от показателя преломления и геометрии призмы. Об этом мы расскажем в следующих разделах.)
Анизотропия этих кристаллических материалов приводит к разделению одного светового луча на два, когда он проходит через границу раздела. Эти два расщепленных луча испытывают разные показатели преломления: один называется Обычным лучом, для которого действует обычный показатель преломления, а другой — Необычным лучом, для которого показатель преломления зависит от направления. Поляризационные направления двух лучей всегда перпендикулярны друг другу.
Рисунок 1. Явление двулучепреломления
Пластинки задержки специально разрезаются так, чтобы их оптическая поверхность была параллельна оптической оси, в этом случае обычный луч и необычный луч будут испытывать разные показатели преломления и, следовательно, распространяться с разной фазовой скоростью. Ось, вдоль которой поляризованный электрический вектор движется с большей скоростью (Vfast = c / Nfast), называется быстрой осью, а ось, вдоль которой электрический вектор движется с меньшей скоростью (Vslow = c / Nslow), — медленной осью. Обе оси всегда ортогональны.
Когда световой пучок падает перпендикулярно поверхности пластинки задержки, различные фазовые скорости двух компонентов естественным образом вводят фазовую задержку между быстрым и медленным компонентами, при этом медленные компоненты будут отставать на несколько фаз (или долю фазы) по сравнению с быстрыми компонентами. Величина этой фазовой задержки называется ретардацией. Ретардация пластинки задержки может быть выражена следующей формулой:
Ретардация = 2πL(Nslow - Nfast) / λ
Где L — длина пути, пройденного падающим светом (толщина пластинки задержки), Nfast и Nslow — показатели преломления вдоль быстрой и медленной оси соответственно.
Значение ретардации может быть записано в различных формах, например, «полуволновая» ретардация эквивалентна значению π радиан или λ/2.
Из приведённого уравнения можно легко вывести, что, целенаправленно задавая толщину пластинки задержки, можно получить нужную ретардацию. Однако, помимо толщины пластинки, на величину ретардации влияют и другие внешние факторы, такие как длина волны падающего света, температура окружающей среды, угол падения и др. Изменения ретардации, вызванные внешними факторами, часто являются нежелательными и вредными, и производители стараются их минимизировать. Пластинка с нулевым порядком эффективно снижает нестабильность ретардации, совмещая две пластинки с пересечёнными осями, а ахроматическая или суперахроматическая пластинка использует различные двулучепреломляющие свойства двух материалов, что помогает устранить хроматическую дисперсию и обеспечивает широкополосное применение.
Рисунок 2. График выше иллюстрирует изменение ретардации в зависимости от спектральной длины волны для 355 нм, нулевого порядка кварцевых четвертьволновых пластинок.
Как использовать полуволновую или четвертьволновую пластинку?
Наиболее часто применяемые значения ретардации — это полуволновая и четвертьволновая ретардация. Что делают полуволновые и четвертьволновые пластинки?
Полуволновая пластинка
Отличительной особенностью полуволновой пластинки является то, что она создаёт задержку фазы в полволны (ретардация λ/2) между быстрым и медленным компонентами. Однако в реальных приложениях ретардация может быть либо точно равна λ/2, либо λ/2 плюс несколько полных длин волн, поскольку световая волна повторяется каждые 2π радиан, и теоретически эти дополнительные длины волн не влияют на конечный результат. (Если быть точнее, только полуволновые пластинки нулевого порядка дают именно задержку в полфазы, тогда как у пластинок множественного или низкого порядка фазовая задержка будет равна полфазы плюс несколько полных длин волн.)
Когда линейно поляризованный свет падает перпендикулярно к плоскости разреза пластинки, а плоскость поляризации образует угол α с быстрой (или медленной) осью полуволновой пластинки, плоскость поляризации падающего света при выходе повернётся на угол 2α. Эта ключевая особенность полуволновых пластинок делает их универсальными для различных оптических применений.
Быстрая (или медленная) оси имеют решающее значение. Однако может случиться так, что оси не обозначены или обозначения стерты — существует простой способ их определить. Сначала поместите поляризатор перед лазерным устройством, наклоняйте поляризатор до тех пор, пока свет не исчезнет, затем вставьте пластинку задержки между лазером и поляризатором, вращайте пластинку так, чтобы выходящий свет оставался погашенным — и вуаля! Вы успешно нашли ось!
Вращение плоскости поляризации:
Большинство лазеров имеют горизонтальную поляризацию, но если в системе требуется, чтобы лазерный свет отражался от металлической поверхности, поскольку зеркала лучше работают с вертикально поляризованным светом, это может стать проблемой. Решение — просто поместить полуволновую пластинку так, чтобы её быстрая (или медленная) ось образовывала угол 45 градусов с горизонтально поляризованным светом, и исходящий лазерный свет будет вертикально поляризован, как требуется, при этом интенсивность исходного света не ослабляется.
Если хотите повернуть плоскость поляризации на угол, отличный от 90 градусов, просто ориентируйте ось полуволновой пластинки под углом, равным половине желаемого поворота относительно исходной плоскости поляризации.
Рисунок 3. Использование полуволновой пластинки для вращения плоскости поляризации
Оптический аттенюатор
Оптический аттенюатор — это устройство, используемое для уменьшения оптической мощности светового пучка. Оптический аттенюатор можно получить, сочетая поляризатор и полуволновую пластинку.
Полуволновая пластинка посередине вращает направление поляризации, и после прохождения через второй поляризатор происходит ослабление оптического сигнала. Фактическое отношение ослабления зависит от угла между направлением поляризации, повернутым полуволновой пластинкой, и направлением поляризации поляризатора. Однако такой тип оптического аттенюатора более применим к системам с линейной поляризацией и сложнее реализуем в системах без определённого состояния поляризации.
Рисунок 4. Использование полуволновой пластинки в качестве оптического аттенюатора
Переменный делитель луча
Переменные делители луча — это устройства для управления интенсивностью света. Переменный делитель луча можно получить, сочетая полуволновую пластинку и поляризационный делитель луча.
Сначала падающий световой пучок с линейной поляризацией проходит через полуволновую пластинку, и направление поляризации изменяется. Затем выходящий свет проходит через делитель луча, где он разделяется на два ортогональных пучка. Путём вращения полуволновой пластинки можно осуществить модуляцию интенсивности.
Рисунок 5. Использование полуволновой пластинки в качестве переменного делителя луча
Генератор состояния поляризации
Генератор состояния поляризации можно получить, сочетая полуволновую пластинку и четвертьволновую пластинку. Принцип работы этого набора пластинок таков: если линейно поляризованный свет направить на поверхность полуволновой пластинки, и если быстрые оси обеих пластинок полностью совпадают по направлению, выходящий световой пучок останется линейно поляризованным. В этом случае полуволновая пластинка может использоваться для изменения направления поляризации светового пучка. Если направления быстрых осей четвертьволновой и полуволновой пластинок не совпадают, то выходящий свет будет круговой или эллиптической поляризации, при этом эллиптичность и направление вращения (по часовой стрелке или против) можно регулировать с помощью четвертьволновой пластинки.
Рисунок 6. Использование полуволновой пластинки в качестве генератора состояния поляризации
Четвертьволновая пластинка
В отличие от полуволновых, четвертьволновые пластинки создают фазовую задержку в четверть длины волны между быстрыми и медленными компонентами. Если четвертьволновая пластинка ориентирована под углом 45° к линейно поляризованному световому пучку, то выходящий свет будет круговой поляризации и наоборот. Это происходит потому, что после прохождения света через пластинку разница фаз λ/4 между быстрыми и медленными компонентами вызывает вращение спиральной формы полного электрического вектора за один период длины волны, что и определяет круговую поляризацию.
Как использовать четвертьволновую пластинку для преобразования линейной поляризации в круговую? Сначала найдите быстрые (или медленные) оси пластинки. Если оси не указаны, метод их поиска такой же, как и для полуволновой пластинки: установите поляризатор так, чтобы плоскость его поляризации была ортогональна поляризации падающего света для полного гашения, затем вставьте четвертьволновую пластинку и поворачивайте её, сохраняя гашение. После нахождения осей отрегулируйте положение пластинки так, чтобы угол между направлением поляризации падающего света и быстрой (или медленной) осью был 45°, в этот момент должен быть получен свет с круговой поляризацией.
Процедура обратного преобразования круговой поляризации в линейную с помощью четвертьволновой пластинки аналогична описанной выше.
Оптический изолятор
Оптический изолятор можно получить, сочетая поляризатор, четвертьволновую пластинку и зеркало, при этом четвертьволновая пластинка размещается между двумя другими элементами. Схема работы: сначала входящий свет линейно поляризуется поляризатором, затем проходит через четвертьволновую пластинку и становится круговой поляризации. После отражения от зеркала свет снова проходит через четвертьволновую пластинку и преобразуется обратно в линейную поляризацию, но плоскость поляризации поворачивается на 90°. Такой повернутый свет будет полностью блокирован поляризатором.
Типы пластинок и ретардеров
Понимание различных типов пластинок и ретардеров не менее важно, чем их принцип работы, особенно для покупателей. Не волнуйтесь, Shalom EO подготовил для вас краткое руководство, после прочтения которого вы получите более ясное и глубокое понимание этих компонентов.
Пластинки низкого порядка и много порядка
Из-за трудностей в производстве сложно выпускать большие партии очень тонких пластинок, создающих именно нужную дробную задержку фазы. Пластинки низкого порядка или много порядка относительно толстые и создают необходимую задержку фазы с добавлением нескольких полных длин волн. Поскольку световые волны повторяются периодически, низко порядковая полуволновая пластинка с задержкой λ/2 плюс 3 дополнительные λ может функционировать как полуволновая. Термин «порядок» здесь означает количество дополнительных длин волн задержки. В данном тексте пластинки низкого порядка предпочтительнее много порядковых, так как они создают меньшую дополнительную фазовую задержку и более точны по задержке. Однако из-за избыточной задержки они более чувствительны к изменениям длины волны, температуры или угла падения света, чем пластинки нулевого порядка.
В общем, если вам нужны недорогие пластинки для однолетних приложений, пластинки низкого порядка — хороший выбор. Shalom EO предлагает пластинки низкого порядка из кварца (для видимого и ближнего ИК спектра) или MgF2 (для длин волн до 7000 нм).
Волновые пластины нулевого порядка
Волновые пластины нулевого порядка по сути состоят из двух многопорядковых или низкопорядковых волновых пластин с ортогонально ориентированными осями (быстрая ось одной пластины совмещена с медленной осью другой), в результате чего результирующая задержка является разницей между двумя индивидуальными задержками, создаваемыми двумя составными волновыми пластинами. Объединяя две одиночные волновые пластины вместе, волновые пластины нулевого порядка эффективно компенсируют влияние внешних факторов (изменение длины волны, температура окружающей среды) на задержку, что означает, что задержка будет значительно более постоянной по сравнению с низкопорядковыми волновыми пластинами, делая их пригодными для приложений с расширенным диапазоном длин волн. Тем не менее, они всё ещё могут быть достаточно чувствительны к изменениям угла падения света.
Shalom EO предлагает три типа волновых пластин нулевого порядка: Волновые пластины нулевого порядка с воздушным зазором, Оптически контактные волновые пластины нулевого порядка и Цементированные волновые пластины нулевого порядка NOA61. Хотя цементированные волновые пластины нулевого порядка являются распространённым вариантом, для высокоэнергетических операций рассмотрите волновые пластины нулевого порядка с воздушным зазором и оптически контактные волновые пластины нулевого порядка, поскольку эти два типа обладают относительно более высоким порогом повреждения по сравнению с цементированными версиями.
Рисунок 7. Этот график показывает изменения задержки фазы 1064 нм полуволновой пластины нулевого порядка из кварца в зависимости от длины волны
Истинные пластины нулевого порядка
Истинные пластины нулевого порядка — это пластины с однопластинной структурой, которые обеспечивают именно требуемую задержку фазы, поэтому их толщина обычно составляет всего несколько микрометров. Несмотря на необходимость относительно строгой обработки, уменьшенная толщина обеспечивает более высокую стабильность задержки фазы при изменениях длины волны или климатических условий по сравнению с обычными пластинами нулевого порядка. Shalom EO предлагает истинные пластины нулевого порядка из кварца (для диапазона 532–3000 нм) или MgF2 (для длинноволновых применений в диапазоне 3000–7000 нм). Версии из одной пластины относительно хрупки, но имеют высокий порог повреждения, тогда как версии, склеенные с подложками из BK7, гораздо удобнее в обращении, но имеют более низкий порог повреждения.
Ахроматические пластины
Ахроматические пластины состоят из одной пластины MgF2 и одной кварцевой пластины, оси которых ортогонально выровнены. Их двулучепреломляющие свойства дополняют друг друга, достигая необходимой фокусной длины и минимизируя хроматическую дисперсию. Таким образом, внутреннее влияние сдвигов длины волны на задержку фазы значительно снижено, что делает ахроматические пластины еще более стабильными по задержке фазы, чем пластины нулевого порядка. Они особенно подходят для различных широкополосных применений, охватывающих широкий спектральный диапазон (например, от 900 до 2000 нм). Два примера применения — настраиваемые лазерные источники и фемтосекундные лазерные системы и др.
Рисунок 8. Этот график показывает изменения задержки фазы ахроматической четвертьволновой пластины с диапазоном 690–1200 нм в зависимости от длины волны
Суперахроматические пластины
Суперахроматические пластины — это практически усовершенствованная версия ахроматических пластин. Принцип работы суперахроматических пластин такой же, как и у ахроматических пластин. Суперахроматические пластины также состоят из двух кристаллических материалов (например, кварца и фторида магния), но вместо двух пластин, как в случае ахроматических, они состоят из шести отдельных пластин (три из кварца и три из MgF2). В результате получается исключительно ровная задержка фазы на еще более широком диапазоне длин волн.
Рисунок 9. Кривая задержки фазы суперахроматической четвертьволновой пластины с диапазоном 600–2700 нм. Из графика видно, что суперахроматическая пластина обеспечивает практически постоянную задержку фазы по всему спектру.
Ретардеры типа френелев ромб
Ретардеры типа френелев ромб работают на совершенно ином принципе, нежели двулучепреломление. Френелев ромб вводит разность фаз между компонентами света с помощью полного внутреннего отражения. Когда свет падает на границу раздела, вектор электрического поля световой волны распадается на две перпендикулярные компоненты — s и p. Ромбы обработаны в форме правильного параллелепипеда так, что при тщательно подобранном угле падения компонент p смещается на λ/8 относительно компонента s при каждом полном внутреннем отражении. После двух полных внутренних отражений компонент p оказывается смещённым на λ/4 относительно компонента s, что реализует ту же функцию, что и четвертьволновая пластина. Для изготовления полуволнового ретардера френелевых ромбов две пластины склеиваются друг с другом, чтобы избежать отражений на интерфейсе.
Френелевы ромбы обычно изготавливаются из стекла, не обладающего двулучепреломлением, обычно BK7, УФ-сплавного кварца или ZnSe. Поскольку задержка фазы, вводимая ромбом, связана с показателем преломления, который меняется лишь незначительно в широком диапазоне длин волн, ретардеры типа френелев ромб обладают ещё более широким диапазоном работы по длинам волн, чем другие широкополосные пластины, такие как ахроматические пластины.
Рисунок 10. График выше иллюстрирует исключительно широкий диапазон длин волн (2000–15000 нм) полуволнового ретардера френелевого ромба из ZnSe.
Двухдлинноволновые пластины
Двухдлинноволновые пластины обеспечивают две разные величины задержки фазы для двух длин волн за счет подгонки показателя преломления при разных длинах волн. Двухдлинноволновые пластины особенно полезны в сочетании с другими компонентами, чувствительными к поляризации, для разделения соосных лазерных лучей с разными длинами волн или для повышения эффективности преобразования в твердофазных лазерах второго гармонического генератора (SHG). Кроме того, двухдлинноволновые пластины могут применяться в системах третьей гармоники (THG). Трёхдлинноволновые пластины также могут быть изготовлены по заказу Shalom EO.
Сравнительная таблица типов пластин
Особенности различных типов пластин и ретардеров суммированы в приведенной выше таблице. Внимательное изучение этой сравнительной таблицы поможет покупателям выбрать интересующий тип пластины.
Настройка пластин
Кроме того, может случиться так, что приобретённые пластины не обеспечивают точно рассчитанную задержку фазы. Причин множество: например, пластины не рассчитаны на вашу рабочую длину волны или внешние факторы, такие как температура, влияют на задержку. Небольшие отклонения можно исправить, повернув плоскость поляризации по направлению к быстродействующей или медленной оси пластины. Поворот в сторону быстродействующей оси уменьшает задержку, а в сторону медленной оси — увеличивает. Попробуйте оба направления, проверяя улучшения с помощью поляризаторов.
Related Products
Tags: Введение в волновые пластины и замедлители