Polarisationstechniken
Diese Anwendungsnotiz gibt einen Überblick über polarisiertes Licht, Verzögerung und die wichtigsten Werkzeuge zur Manipulation des Polarisationszustands. Die Beschreibung von Polarisationstechniken umfasst die Funktionsweise und Anwendung gängiger Lichtmanipulationsgeräte wie optische Isolatoren, Lichtabschwächer, Polarisationsrotatoren und variable Strahlteiler.
Lichtpolarisation
In der klassischen Physik wird Licht einer einzelnen Farbe durch ein elektromagnetisches Feld beschrieben, in dem elektrische und magnetische Felder mit einer Frequenz (ν) schwingen, die mit der Wellenlänge (λ) zusammenhängt. Dies wird durch die Formel C=λνC = λνC=λν ausgedrückt, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Sichtbares Licht hat Wellenlängen zwischen 400 und 750 nm.
Diese Formel zeigt, wie Polarisationstechniken gezielt angewandt werden können, um die Eigenschaften von Licht in optischen Systemen zu beeinflussen. Ein wesentliches Konzept dabei ist der Polarisationszustand, der durch die Ausrichtung des elektrischen Feldes festgelegt wird und je nach Anwendung verändert oder verstärkt werden kann. Diese gezielte Kontrolle ist ein zentraler Aspekt der Polarisationstechniken.
Zirkular polarisiertes Licht entsteht, wenn eine lineare Komponente des elektrischen Feldes um λ/4 phasenverschoben ist. Elliptisch polarisiertes Licht tritt auf, wenn die Phasenverschiebung zwischen den Feldkomponenten beliebig ist.
Wir erzeugen linear polarisiertes Licht, indem wir unpolarisiertes Licht durch ein polarisierendes Medium leiten. Ein Polarisator blockiert Komponenten, die nicht mit seiner Achse übereinstimmen. Vertikal polarisiertes Licht, dass durch einen Polarisator bei 45° gesendet wird, reduziert seine Amplitude auf den Faktor 1/√2 und halbiert die Intensität. Ein horizontal ausgerichteter Polarisator lässt kein vertikal polarisiertes Licht durch.
Verzögerung
Ein Phasenverzögerer kann die optische Weglänge für eine Polarisation verlängern. Dies verändert den Polarisationszustand und ermöglicht gezielte Anwendungen.
Lambda/4 Platte:
Eine Lambda/4 Platte erzeugt eine Phasenverschiebung und wandelt elliptisch polarisiertes Licht in linear polarisiertes Licht um. Mit doppelbrechenden Materialien entsteht diese Verzögerung durch die schnelle und langsame Achse der Platte. Zur Ausrichtung wird ein linearer Polarisator und ein Spiegel verwendet.
Lamda/2 Platte
Die Lambda/2 Platte (Halbwellenplatte) ist ein weiteres wichtiges Element in Polarisationstechniken. Sie erzeugt eine Phasenverschiebung von 180 Grad (λ/2) zwischen den orthogonalen Komponenten des elektrischen Feldes. Diese spezielle Verzögerung bewirkt eine Drehung der Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht. Platziert man die schnelle Achse der Lambda/2 Platte in einem bestimmten Winkel zur Polarisationsebene des einfallenden Lichts, dreht sich die Polarisation um den doppelten Winkel der Ausrichtung der Platte.
Bei zirkular polarisiertem Licht bewirkt die Lambda/2 Platte zudem eine Umkehr der Polarisation – sie ändert die sogenannte „Händigkeit“ des Lichts von rechts- auf linkszirkular oder umgekehrt. Diese Eigenschaft ist besonders wertvoll in der optischen Signalverarbeitung, wo eine genaue Steuerung des Polarisationszustands erforderlich ist.
Unterschied zwischen Optischen Isolatoren und Abschwächer
Optische Isolatoren
Optische Isolatoren sind wichtige Bauelemente in der Lasertechnik und Telekommunikation. Sie verhindern das Zurückreflektieren von Licht in eine Lichtquelle, um deren Stabilität zu erhalten und Schäden an empfindlichen Komponenten zu vermeiden. Ein optischer Isolator kombiniert einen linearen Polarisator und eine Lambda/4 Platte (Viertelwellenplatte). Zunächst polarisiert der lineare Polarisator das einfallende Licht in einer festen Ebene. Die Lambda/4 Platte wandelt das linear polarisierte Licht anschließend in zirkular polarisiertes Licht um. Wenn dieses Licht reflektiert und durch den Isolator zurückläuft, kehrt sich die Zirkularität des polarisierten Lichts um. Erneutes Durchlaufen der Lambda/4 Platte dreht das Licht in eine Polarisationsebene, die senkrecht zur ursprünglichen Richtung steht. Der Polarisator blockiert dann dieses zurückkehrende Licht und verhindert eine Rückkopplung.
Optische Abschwächer
Optische Abschwächer arbeiten ähnlich, aber mit einem anderen Ziel. Man fügt eine Halbwellenplatte (Lambda/2 Platte) zwischen zwei gekreuzte Polarisatoren ein, sodass ohne Verzögerer kein Licht durch das System tritt. Die Halbwellenplatte kann jedoch das einfallende Licht um einen kontrollierten Winkel drehen, sodass eine bestimmte Lichtmenge durchgelassen wird. Je nach Ausrichtung der schnellen Achse der Halbwellenplatte zur Polarisation des Lichts kann die Transmission zwischen den Polarisatoren stufenlos geregelt werden. Optische Abschwächer werden in optischen Messsystemen und in der Lasertechnik verwendet, um die Lichtintensität präzise zu steuern, ohne die Lichtquelle selbst zu beeinflussen.
Polarisationsrotator
Ein Polarisationsrotator nutzt die Eigenschaften einer Lambda/2 Platte, um die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht zu drehen. Dabei wird das Licht durch die Lambda/2 Platte geführt, wobei die Polarisation um den doppelten Winkel der Ausrichtung der Platte zur Polarisationsebene gedreht wird. Beispielsweise führt eine 22,5°-Ausrichtung der schnellen Achse der Lambda/2 Platte zur Polarisationsebene zu einer Drehung der Polarisation um 45°. Diese Fähigkeit, die Polarisationsebene exakt zu drehen, ist in optischen Systemen und in Experimenten nützlich, bei denen eine präzise Steuerung der Lichtpolarisation entscheidend ist.
Variabler Strahlteiler
Ein variabler Strahlteiler verwendet eine Kombination aus einer Lambda/2 Platte und einem polarisierenden Strahlteiler, um die Menge des durchgelassenen und reflektierten Lichts zu kontrollieren. Die Lambda/2 Platte dreht die Polarisation des einfallenden Lichts, sodass es bei einer bestimmten Polarisationsebene entweder mehr Licht durch den Strahlteiler lässt oder reflektiert. Richtet man die schnelle Achse der Lambda/2 Platte parallel zur Eingangspolarisation aus, reflektiert sie das gesamte Licht; dreht man sie um 45°, lässt sie das meiste Licht durch. In modernen Systemen ersetzt ein variabler Verzögerer die Halbwellenplatte und ermöglicht so eine kontinuierliche Lichtsteuerung ohne mechanische Bewegung. Diese Konfiguration ermöglicht eine exakte Steuerung der Lichtverteilung und wird in optischen Netzwerken, Bildgebungssystemen und präzisen Messinstrumenten eingesetzt.
Fazit
In diesem Anwendungshinweis haben wir eine grundlegende Beschreibung der Lichtpolarisation und einige der Werkzeuge zur Steuerung des Polarisationszustands von Licht gegeben. Verzögerer und Polarisatoren wurden in einfachen Geräten verwendet, die einige der üblichen Manipulationen ermöglichen, die überall dort erforderlich sind, wo Licht gemessen wird.
Sehen Sie hier alle unserer Polariatoren:
