Was sind Verzögerungsplatten?

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Verzögerungsplatten, auch Wellenplatten genannt, transmittieren Licht und ändern dessen Polarisationszustand, ohne den Strahl abzuschwächen, abzulenken oder zu versetzen, indem eine Polarisationskomponente in Bezug auf die dazu orthogonale Polarisationsrichtung verzögert wird. Bei unpolarisiertem Licht sind Verzögerungsplatten mit Fenstern identisch – beide sind flache optische Komponenten, die das Licht durchläuft. Das Verhalten von Verzögerungsplatten bei polarisiertem Licht ist etwas komplexer. Um das Verständnis zu erleichtern, werden hier wesentliche Begriffe und Spezifikationen, Fertigung, gebräuchliche Typen und Anwendungsbeispiele behandelt.

VERZÖGERUNGSPLATTEN – TERMINOLOGIE UND SPEZIFIKATIONEN

Doppelbrechung: Verzögerungsplatten bestehen aus doppelbrechenden Materialien, meistens Kristallquarz. Doppelbrechende Materialien weisen geringfügig voneinander abweichende Brechungsindizes für Licht auf, das räumlich unterschiedlich polarisiert ist. Sie trennen einfallendes unpolarisiertes Licht in parallele und orthogonale Anteile (Abbildung 1).

Abbildung 1: Trennung von unpolarisiertem Licht mit doppelbrechendem Kalzitkristall

Schnelle Achse und langsame Achse: Licht, das in Richtung der schnellen Achse polarisiert ist, trifft auf einen kleineren Brechungsindex und läuft schneller durch Verzögerungsplatten als Licht, das in Richtung der langsamen Achse polarisiert ist. Die schnelle Achse wird durch einen kleinen flachen Fleck oder Punkt am Durchmesser der schnellen Achse einer ungefassten Verzögerungsplatte oder durch eine Markierung an der Zellenfassung einer gefassten Verzögerungsplatte gekennzeichnet.

Abbildung 2: Eine Edmund Optics®-Präzisionsverzögerungsplatte nullter Ordnung mit einer weißen Kennzeichnungslinie an der Zellenfassung

Verzögerung: Die Verzögerung beschreibt die Phasenverschiebung zwischen den Polarisationsanteilen entlang der schnellen bzw. langsamen Kristallachse. Die Verzögerung wird in Grad, Wellenlängen oder Nanometer angegeben. Eine verzögerte Vollwelle entspricht 360° bzw. der jeweiligen Wellenlänge in Nanometer. Die Toleranz der Verzögerung wird normalerweise in Grad, als natürliche Zahl bzw. Dezimalbruch einer Vollwelle oder in Nanometer angegeben. Beispiele für typische Verzögerungsspezifikationen und -toleranzen sind:

λ/4 ± λ/300
λ/2 ± 0.003 λ
λ/2 ± 1°
430 nm ± 2 nm

Die gebräuchlichsten Verzögerungswerte sind λ/4, λ/2 und 1λ, in bestimmten Anwendungen können aber andere Werte nützlich sein. Die interne Reflexion eines Prismas bewirkt z. B. eine möglicherweise störende Phasenverschiebung zwischen Komponenten, sodass die gewünschte Polarisation mit einer Verzögerungsplatte kompensiert werden muss.

Abbildung 3 veranschaulicht 4 Verzögerungswerte relativ zu einer ursprünglichen Sinuswelle. Die orange Welle wird um eine viertel Welle verzögert, die gelbe um eine halbe Welle, die grüne um eine dreiviertel Welle und schließlich die blaue um eine volle Welle. Die Verzögerung um eine viertel Welle ändert die Sinuswelle in eine Kosinuswelle und die Vollwellenverzögerung bewirkt, dass eine volle Welle vergeht. Die gebräuchlichsten Verzögerungsplatten sind λ/4- und λ/2-Verzögerungsplatten, da sie gestapelt werden können, um weitere Verzögerungswerte zu erreichen. 

Abbildung 3: Retardations of an electric field wave

Höhere Ordnung: Bei Verzögerungsplatten höherer Ordnung ist die Gesamtverzögerung die gewünschte Verzögerung plus einem ganzzahligen Vielfachen. Der zusätzliche ganzzahlige Teil hat keine Auswirkung auf die Leistung, genauso wie bei einer Uhr (zwölf Uhr mittags heute sieht genauso aus wie zwölf Uhr mittags eine Woche später – obwohl der Zeitpunkt später liegt, ist die Anzeige identisch).

Obwohl Verzögerungsplatten höherer Ordnung aus nur einem einzigen doppelbrechenden Material aufgebaut sind, können sie relativ dick sein, sodass Handhabung und Systemintegration vereinfacht werden. Die große Dicke macht Verzögerungsplatten höherer Ordnung jedoch anfälliger für Verzögerungsverschiebungen, die durch Wellenlängenverschiebungen oder Umgebungstemperaturänderungen verursacht werden.

Nullte Ordnung: Bei Verzögerungsplatten nullter Ordnung entspricht die Gesamtverzögerung exakt dem gewünschten Wert ohne Überschuss. So bestehen Quarz-Verzögerungsplatten nullter Ordnung beispielsweise aus zwei Quarz-Verzögerungsplatten höherer Ordnung, deren Achsen so ausgerichtet sind, dass die effektive Verzögerung die Differenz zwischen beiden Platten ist.

Die normale Verzögerungsplatte nullter Ordnung, auch zusammengesetzte Verzögerungsplatte genannt, besteht aus mehreren Verzögerungsplatten aus dem gleichen doppelbrechenden Material, die senkrecht zur optischen Achse angeordnet sind. Durch die Schichtung mehrerer Verzögerungsplatten werden die in den einzelnen Verzögerungsplatten auftretenden Verzögerungsverschiebungen ausgeglichen, was eine bessere Verzögerungsstabilität hinsichtlich Wellenlängenverschiebungen und Umgebungstemperaturänderungen bewirkt. Normale Verzögerungsplatten nullter Ordnung führen zu keiner Verbesserung der Verzögerungsverschiebung durch unterschiedliche Einfallswinkel.

„Echte“ Verzögerungsplatten nullter Ordnung, z. B. Polymer-Verzögerungsplatten, bestehen aus einem einzigen doppelbrechenden Material, das zu einer ultradünnen Platte mit einer Dicke von wenigen Mikrometern verarbeitet wurde, um eine bestimmte Verzögerung bei nullter Ordnung zu erreichen. Obwohl die Handhabung oder Befestigung durch die Dünnheit der Platte erschwert wird, bieten echte Verzögerungsplatten nullter Ordnung eine deutlich bessere Verzögerungsstabilität hinsichtlich Wellenlängenverschiebungen, Umgebungstemperaturänderungen und unterschiedlichen Einfallswinkeln als andere Verzögerungsplatten.

Achromatisch: Achromatische Verzögerungsplatten bestehen aus zwei verschiedenen Materialien, die die chromatische Dispersion weitgehend beseitigen. Normale achromatische Linsen bestehen aus zwei verschiedenartigen Gläsern, die so angepasst sind, dass die gewünschte Brennweite erreicht und gleichzeitig die chromatische Aberration minimiert oder beseitigt wird. Achromatische Verzögerungsplatten arbeiten nach dem gleichen Grundprinzip. Achromatische Verzögerungsplatten werden beispielsweise aus Kristallquarz und Magnesiumfluorid hergestellt, um eine annähernd konstante Verzögerung über einen breiten Spektralbereich zu erreichen.

Superachromatisch: Bei superachromatischen Verzögerungsplatten handelt es sich um einen speziellen Typ achromatischer Verzögerungsplatten, bei denen die chromatische Dispersion für einen wesentlich breiteren Wellenlängenbereich eliminiert wird. Viele superachromatische Verzögerungsplatten können für das sichtbare Spektrum sowie den NIR-Bereich mit annähernd gleicher oder sogar besserer Gleichmäßigkeit als typische achromatische Verzögerungsplatten verwendet werden. Während typische achromatische Verzögerungsplatten aus Quarz und Magnesiumfluorid mit bestimmten Stärken aufgebaut sind, verwenden superachromatische Wellenplatten ein spezielles Saphirsubstrat zusammen mit Quarz und Magnesiumfluorid. Die Dicke aller drei Substrate wird so festgelegt, dass die chromatische Dispersion für einen größeren Wellenlängenbereich eliminiert wird.

FERTIGUNG UND KONSTRUKTION

Fertigung

Verzögerungsplatten sind optische Komponenten, deren Fertigung besonders schwierig ist. Sie bestehen aus kristallinen Materialien, deren Achsen beim Schneiden innerhalb weniger Bogenminuten ausgerichtet sein müssen. Anschließend müssen sie so poliert werden, dass die Oberflächengüte für Laseranwendungen geeignet ist, die Parallelität im Bogensekundenbereich liegt und Wellenfrontfehler kleiner als λ/10 sind. Es gibt keine Möglichkeit für Korrekturen, da die Dickentoleranz lediglich einen geringen Bruchteil eines Mikrometers beträgt. Zur Kontrolle der Verzögerungstoleranzen verwenden speziell ausgebildete Optiktechniker eigens dafür entwickelte Prüfeinrichtungen. Nach der Entspiegelung werden Verzögerungsplatten nullter Ordnung und achromatische Verzögerungsplatten paarweise abgestimmt und in den Zellenfassungen präzise ausgerichtet.

Quarz-Verzögerungsplatten eignen sich ideal für Anwendungen, bei denen hohe Zerstörschwellen und Verzögerungsstabilität bei Temperaturänderungen erforderlich sind, z. B. für den Einsatz mit Lasern oder Infrarotlichtquellen.

Polymer-Verzögerungsplatten bestehen aus einem Laminat dünner Polymerfolien zwischen zwei Glasplatten. Sie weisen viele Vorteile gegenüber Bauformen nullter Ordnung auf, z. B. größere Blickwinkel und geringere Empfindlichkeit in Bezug auf Einfallswinkel als vergleichbare Quarz-Verzögerungsplatten. Während die Glasplatten die Haltbarkeit erhöhen und die Handhabung vereinfachen, enthalten viele Polymer-Verzögerungsplatten Klebschichten, sodass sie für Hochleistungslaser- oder Hochtemperaturanwendungen nicht zu empfehlen sind.

Konstruktion

Verzögerungsplatten höherer Ordnung bestehen aus einer einzelnen Platte, entweder ungefasst oder kantengefasst an einer Aluminiumzelle. Für Präzisionsverzögerungsplatten nullter Ordnung und achromatische Verzögerungsplatten sind zwei Bauweisen gebräuchlich. Bei der ersten wird ein Luftspalt verwendet, wobei die beiden allseitig beschichteten Platten auf den gegenüberliegenden Seiten eines Zwischenstücks befestigt und dann in einer Zelle untergebracht werden. Die typische Strahlablenkung ist kleiner als 0,5 Bogensekunden. Hier muss darauf hingewiesen werden, dass beim Aufbau von Verzögerungsplatten mit Luftspalten unbedingt eine Leistungssteuerung vorgesehen werden sollte, insbesondere bei gepulsten Lasern. Bei der zweiten werden achromatische Linsen über den ganzen Durchmesser mit einer transparenten Schicht eines optischen Bindemittels miteinander verklebt. Anschließend wird nur auf die äußeren Oberflächen eine Antireflexionsbeschichtung aufgebracht. Die Verzerrung der transmittierten Wellenfront ist kleiner als λ/4 bei 633 nm, die Strahlablenkung ist kleiner als 1 Bogenminute.

AUSWAHL DER RICHTIGEN VERZÖGERUNGSPLATTE

Verzögerungsplatten höherer Ordnung

CVerzögerungsplatten höherer Ordnung bestehen aus einer einzelnen Kristallquarzplatte (mit einer Nenndicke von 0,5 mm) und sind von den drei Plattentypen am kostengünstigsten. Ihre Verzögerung ändert sich abhängig von der Temperatur (Abbildung 4)und erheblich abhängig von der Wellenlänge (Abbildung 5). Sie sind eine gute Wahl für Anwendungen mit monochromatischem Licht in einer temperaturbeständigen Umgebung. Sie werden in der Regel mit einem Laser in einem Labor gekoppelt. Im Gegensatz dazu wird in Anwendungen wie Mineralogie die chromatische Verschiebung (Verzögerung abhängig von der Wellenlängenänderung) genutzt, die bei Verzögerungsplatten höherer Ordnung auftritt.

Abbildung 4: Verzögerung über der Temperatur für eine 7,25-λ-Verzögerungsplatte höherer Ordnung bei 632,8 nm

Abbildung 5: Verzögerung über der Wellenlänge für eine 7,25-λ-Verzögerungsplatte höherer Ordnung bei 632,8 nm

Eine Alternative für herkömmliche kristalline Quarz-Verzögerungsplatten ist Polymerverzögerungsfolie. Diese Folie ist in verschiedenen Größen und Verzögerungen verfügbar und kostet einen Bruchteil des Preises für kristalline Verzögerungsplatten. Verzögerungsfolien ermöglichen im Vergleich zu Kristallquarz eine wesentlich flexiblere Anwendung. Ihr dünner polymerer Aufbau erleichtert das Schneiden der Folie auf die erforderliche Form und Größe. Diese Folien eignen sich ideal für den Einsatz in Anwendungen mit LCDs und Lichtleitern. Polymerverzögerungsfolien sind auch in achromatischen Versionen verfügbar. Die Folien weisen jedoch eine geringe Zerstörschwelle auf und dürfen nicht mit Hochleistungslichtquellen wie Laser verwendet werden. Außerdem ist die Verwendung auf das sichtbare Spektrum beschränkt, sodass für UV-, NIR- oder IR-Anwendungen eine Alternative erforderlich ist.

Verzögerungsplatten nullter Ordnung

ADa die Gesamtverzögerung ein geringer Prozentsatz der Verzögerung von Verzögerungsplatten höherer Ordnung ist, ist die Verzögerung von Verzögerungsplatten nullter Ordnung wesentlich konstanter in Bezug auf Temperatur- (Abbildung 6) und Wellenlängenschwankungen (Abbildung 7). In Situationen, in denen eine größere Stabilität oder ein größerer Temperaturbereich erforderlich ist, sind Verzögerungsplatten nullter Ordnung die ideale Wahl. Anwendungsbeispiele sind u. a. die Beobachtung eines breiteren Wellenlängenspektrums oder die Durchführung von Feldmessungen mit einem Instrument.

Abbildung 6: Verzögerung über der Temperatur für eine λ/4-Verzögerungsplatte nullter Ordnung bei 632,8 nm

Abbildung 7: Verzögerung über der Wellenlänge für eine λ/4-Verzögerungsplatte nullter Ordnung bei 632,8 nm

Achromatische Verzögerungsplatten

Aufgrund der Kompensation durch zwei Materialien sind achromatische Verzögerungsplatten noch wesentlich konstanter als Verzögerungsplatten nullter Ordnung (Abbildung 8). Wenn mehrere Wellenlängen oder ein ganzes Band (z. B. von violett nach rot) abgedeckt werden müssen, sind achromatische Verzögerungsplatten die ideale Wahl.

Abbildung 8: Verzögerung über der Wellenlänge für eine achromatische Verzögerungsplatte von 610 – 850 nm

Fresnelsche Rhomboidverzögerer

Fresnelsche Rhomboidverzögerer nutzen die interne Reflexion bei bestimmten Winkeln in der Prismastruktur, um einfallendes polarisiertes Licht zu verzögern. Jede Lichtreflexion schiebt typischerweise die p-polarisierte Lichtkomponente um λ/8 vor. Da das austretende Licht im Prisma an zwei Flächen reflektiert wurde, beträgt die Gesamtverzögerung durch einen einzelnen Rhomboidverzögerer λ/4. Darüber hinaus können zwei Rhomboidverzögerer auch für eine Version mit λ/2-Verzögerung miteinander verbunden werden. Die Schwankungsbreite der Verzögerung liegt innerhalb von 2% im Wellenlängenbereich. Diese Verzögerer sind für den Einsatz in Dioden- und Glasfaseranwendungen optimiert. Da fresnelsche Rhomboidverzögerer auf der internen Gesamtreflexion basieren, können sie für breitbandige oder achromatische Anwendungen genutzt werden.

Abbildung 9: Fresnelscher Rhomboidverzögerer mit λ/4-Verzögerung (links) und fresnelscher Rhomboidverzögerer mit λ/2-Verzögerung (rechts)

Quarzkristall-Polarisationsdreher

Bei Quarzkristall-Polarisationsdrehern handelt es sich um einzelne Quarzkristalle, die die Polarisation des einfallenden Lichts unabhängig von der Ausrichtung des Polarisationsdrehers zur Polarisation des Lichts drehen. Dies ist auf die optische Aktivität des Quarzes durch die jeweilige Kristallstruktur zurückzuführen. Quarz verfügt über zwei Enantiomorphe, d. h., dass das Kristallgitter von SiO₄ zwei verschiedene Strukturen bilden kann, die Spiegelbilder voneinander sind. Die jeweilige Struktur des Kristalls bestimmt, ob die Lichtpolarisation im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn verschoben wird. Da die Polarisationsebene um einen bestimmten Winkel gedreht wird, sind Quarzkristall-Polarisationsdreher eine hervorragende Alternative zu Verzögerungsplatten und können verwendet werden, um die ganze Polarisation des Lichts entlang der optischen Achse zu drehen, nicht nur die Polarisation einer einzelnen Komponente des Lichts. Die Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts muss senkrecht zum Polarisationsdreher verlaufen.

Abbildung 10: Ein Quarzkristall-Polarisationsdreher, der die eingehende Polarisation um 90° dreht

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Verzögerungsplatten

ANWENDUNGSBEISPIELE

Drehen der linearen Polarisation

Bisweilen muss die bestehende Polarisation eines optischen Systems geändert werden. Laser sind z. B. normalerweise horizontal polarisiert. Wenn Laserlicht im System an einer metallischen Fläche reflektiert werden muss, kann dies problematisch sein, da Spiegel am besten bei vertikal polarisiertem Licht arbeiten. Wie kann dieses Problem gelöst werden? Eine λ/2-Verzögerungsplatte deren Achsen bei 45° ausgerichtet sind, drehen die Polarisation in vertikale Richtung.

Abbildung 11: Drehen der linearen Polarisation von vertikal nach horizontal mit einer λ/2-Verzögerungsplatte

Ein anderes Beispiel ist die Situation, dass die Polarisationsachse in eine andere Richtung gedreht werden muss. Durch Drehung der Verzögerungsplattenachse um den Winkel θ zur Polarisation des einfallenden Lichts wird die austretende Polarisation um 2 θ gedreht. Da Verzögerungsplatten extrem parallel sind, kann ein ganzer optischer Aufbau durch Einfügen oder Drehen einer λ/2-Verzögerungsplatte ohne Neujustierung umkonfiguriert werden.

Transformation zwischen linearer und zirkularer Polarisation

Linear polarisiertes Licht kann durch eine bestimmte Anordnung eines linearen Polarisators und einer λ/4-Verzögerungsplatte in zirkular polarisiertes Licht transformiert werden und umgekehrt. Eine λ/4-Verzögerungsplatte, deren Achse 45° gegenüber einer linearen Polarisation ausgerichtet ist, erzeugt beispielsweise eine zirkulare Polarisation. Eine zirkulare Polarisation mit einer unbestimmten Ausrichtung, die eine λ/4-Verzögerungsplatte durchläuft, erzeugt z. B. eine lineare Polarisation, die 45° zur Achse der Verzögerungsplatte versetzt ist. Wenn linear polarisiertes Licht eine λ/4-Verzögerungsplatte bei einem beliebigen Winkel (außer 45°) durchläuft, wird das Licht elliptisch polarisiert.

Abbildung 12: Transformation einer linearen Polarisation mit einer λ/4-Verzögerungsplatte in eine zirkulare Polarisation

Optische Isolation mit einem linearen Polarisator

Ein linearer Polarisator zusammen mit einer λ/4-Verzögerungsplatte erzeugt ein optisches Isolationssystem, in dem das vom linearen Polarisator polarisierte Licht die λ/4-Verzögerungsplatte ohne Abschwächung durchläuft, aber in zirkular polarisiertes Licht transformiert wird. Nach Reflektion durch einen Spiegel trifft das zirkular polarisierte Licht wieder auf die Verzögerungsplatte und wird wieder linear polarisiert, aber um 90° gedreht (Abbildung 13). Hinweis: Zwei λ/4-Durchläufe entsprechen einem λ/2-Durchlauf. Das Licht mit der neuen Ausrichtung wird vom linearen Polarisator nicht durchgelassen. Dieses System verwendet ein Zweifachdurchlaufverfahren, um eine Rückführung zu verhindern.

Abbildung 13: Drehen einer linearen Polarisation mit einer λ/2-Verzögerungsplatte

Optische Isolation mit einem Strahlteiler: Effiziente Signalführung

Der lineare Polarisator im Anwendungsbeispiel zur optischen Isolation Abbildung 13 kann durch einen polarisierenden Strahlteiler ersetzt werden. Dadurch wird das zurückkehrende Licht ohne Abschwächung in eine andere Richtung umgelenkt (Abbildung 14). Im Gegensatz dazu gibt ein Zweifachdurchlauf durch einen nicht polarisierenden Strahlteiler lediglich ein theoretisches Maximum von 25% im gewünschten Lichtweg und 25% im anderen Weg zurück.

Abbildung 14: Optisches Isolationssystem mit polarisierendem Strahlteiler und λ/4-Verzögerungsplatte

Verzögerungsplatten sind ein ideales Mittel, um den Polarisationszustand von Licht zu steuern und zu analysieren. Es gibt drei verschiedenartige Verzögerungsplatten – Verzögerungsplatten nullter Ordnung, Verzögerungsplatten höherer Ordnung und achromatische Verzögerungsplatten – mit jeweils spezifischen Vorteilen für die beabsichtigte Anwendung. Ein gutes Verständnis der wesentlichen Terminologie und Fertigungsverfahren erleichtert die Auswahl der richtigen Verzögerungsplatte, unabhängig davon, wie einfach oder komplex das optische System ist.