DD262494A1

DD262494A1 - Achromatischer phasenretarder

Info

Publication number: DD262494A1
Application number: DD87303339A
Authority: DD
Inventors: Joachim Bergner; Rainer Danz; Hartmut Heinz
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1987-06-01
Filing date: 1987-06-01
Publication date: 1988-11-30
Also published as: DE3814742A1; US4930878A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen achromatischen Phasenretarder. Er findet Anwendung als Bauelement in optischen Anordnungen, in denen die Anwendung zirkular polarisierter paralleler Lichtbuendel vorteilhafter gegenueber linear polarisierter Lichtbuendel ist. Der achromatisch Phasenretarder besteht aus mindestens einem prismatischen Koerper mit zwei Totalreflexionsflaechen bei dem erfindungsgemaess die Lichteintrittsflaeche unter einem Einfallswinkel a ungleich 90 zur Einfallsrichtung eines Lichtstrahles liegt und eine erste Totalreflexionsflaeche unter einem definierten Winkel r an der Lichteintrittsflaeche anliegt. Fig. 1

Description

sin α i

|arcsin(-5!iiii.) - aresin (-2UIi) | = | O₃ - θ_κ| Hs Πκ

|arcsin(-2iü2.)- aresin(JIÜ2L) | = |a_L-e_s| , Hl Is '

wobei α der Einfallswinkel an der Lichteintrittsfläche (2),

Hl die Brechzahl für langwelliges Licht,

Hs die Brechzahl für Licht mittlerer Wellenlänge,

% die Brechzahl für kurzwelliges Licht

und

Bi der Einfallswinkel von langwelligem Licht,

θ₅ der Einfallswinkel von Licht mittlerer Wellenlänge,

θκ der Einfallswinkel von kurzwelligem Licht an der ersten Totalreflexionsfläche (3) sind, und der Winkel (φ) durch die Beziehung

φ = ds + arc sin

ns

bestimmt ist.

3. Achromatischer Phasenretarder nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß seine Körperlänge (1) so gewählt ist, daß eine gerade Zahl von Totalreflexionen erfolgen.

4. Achromatischer Phasenretarder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß er aus durchsichtigem Material mit einer Brechzahl η_β ^ 1,7, einer beliebigen ABBE-Zahl u_e und einer spannungsoptischen Konstante B S 0,5TPa~¹ besteht.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das erfindungsgemäße Bauelement wird in optische Anordnungen eingesetzt, in denen die Anwendung zirkulär polarisierter paralleler Lichtbündel vorteilhafter gegenüber linear polarisierter Lichtbündel ist.

So verhindert es in Laseranordnungen als optischer Isolator den Einfluß reflektierten und gestreuten Lichts auf Lichtquelle und Empfänger. In der optischen Speichertechnik erlaubt es bei Anordnungen mit Strahlenteilern einen Energietransport zwischen Lichtquelle und Empfänger mit hohem Wirkungsgrad. Das gleiche gilt für die optische Übertragungstechnik bei Anwendung von Lasern und Strahlenteilern. In Laser-Ellipsometern kann ein Viertellambda-Phasenretarder der erfindungsgemäßen Bauart zur Analyse des an der Probe reflektierten elliptisch polarisierten Lichts eingesetzt werden, ebenso in Meßanordnungen zur Bestimmung der optischen Rotationsdispersion und desZirkulardichroismus. In Mikroskop-Spektralphotometern schließlich kann der Einfluß von Streulicht reduziert werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Für achromatische Phasenretarder sind eine Vielzahl von Lösungen bekannt, von denen im nachfolgenden nur die auf prismatischen Glaskörpern aufbauenden betrachtet werden, da andere Lösungen (Folienkombinationen, Kristallkombinationen) an sich eine wesentlich höhere Wellenlängenabhängigkeit des Gangunterschiedes aufweisen.

Bei einer bekannten Lösung, dem FRESNEL-Rhombus (Appl.Opt.9 [1970] 9, S.2123-2129) wird die vorzugsweise gewünschte Phasendifferenz von 90°, sie entspricht einem Gangunterschied von λ/4, zwischen den p- und s-Komponenten einer schräg zur Einfailsebene linear polarisierten Lichtquelle durch eine zweifache Totalreflexion erreicht, der einfallende Lichtstrahl trifft senkrecht auf die Retarder-Eintrittsfläche. Nachteil dieser Lösung ist, daß der Wellenlängenfehler der Phasendifferenz im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1000nm ± 1,3° beträgt.

Bei einer weiteren bekannten Lösung, einem modifizierten DOVE-Prisma (US-PS 4514047) sind drei Totalreflexionsflächen vorgesehen gegenüber dem FRESNEL-Rhombus hat dieser Vorteile, jedoch noch den gleichen Wellenlängenfehler. Zur Reduzierung dieses Wellenlängenfehlers müßte Glas einer Brechzahl und einer Dispersion verwendet werden die praktisch nicht existent sind.

Weiterhin ist eine Lösung bekannt, bei der ein mit Magnesiumfluorid beschichtetes Glasprisma, in dem vier Totalreflexionen stattfinden verwendet wird (FILINSKI und SKETTRUP/Appl.Opt.23 [1984] 16, S. 2747).

Im Spektralbereich von 400 nm bis 700 nm wird der Wellenlängenfehler der Phasendifferenz auf ± 0,61° reduziert. Nachteilig ist das technologisch aufwendige und schwer beherrschbare Auftragen der Magnesiumfluorid-Schicht auf dem Glaskörper.

Bei einer weiteren bekannten Lösung ist die Hypotenuse eines Glasprismas mit einer dielektrischen Mehrfachschicht belegt (US-PS 4595261). Es wird zwar ein Wellenlängenfehler der Phasendifferenz von 0,02° erreicht, jedoch nur im Wellenlängenbereich von 740 nm bis 980 nm. Ein weiterer Nachteil bestehtauch hierin der technologisch aufwendigen Herstellung dieses Prismas.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist ein achromatischer Phasenretarder der mindestens über den sichtbaren Spektralbereich des Lichtes, vorzugsweise auch im nahen Infrarot- und im nahen Ultraviolett-Bereich einsetzbar ist. Er muß mit geringem technologischem Aufwand herstellbar sein, soll eine geringe Baulänge besitzen und soll nicht auf die Anwendung von Spezialgläsern beschränkt sein.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen achromatischen Phasenretarder zu schaffen der mindestens über den sichtbaren Spektralbereich des Lichtes, vorzugsweise auch im nahen Infrarot- und im nahen Ultraviolett-Bereich einsetzbar ist und nur eine Abweichung der Phasendifferenz δ von dem bei einer Schwerpunktwellenlänge A₃ festgelegten Wert δ$ aufweist, die im Interesse einer maximalen Extinktion einen Wert von 0,1 % nicht überschreitet, sowie möglichst wenige Tota.lref lexionsflächen aufweist.

Die Aufgabe löst ein achromatischer Phasenretarder bestehend aus mindestens einem prismatischen Körper und zwei Totalreflexionsflächen erfindungsgemäß dadurch, daß eine Lichteintrittsfläche unter einem Einfallswinkel ungleich 90° zur Einfallsrichtung eines Lichtstrahles liegt und daß an der Lichteintrittsfläche eine erste Totalreflexionsfläche unter einem Winkel anliegt, wobei beide Winkel so gewählt sind, daß für ein an der Lichteintrittsfläche gebrochener Lichtstrahl kurzer Wellenlänge ein Einfallswinkel an der ersten Totalreflexionsfläche entsteht, der größer als ein Einfallswinkel eines gebrochenen Lichtstrahles längerer Wellenlänge, daß eine zweite Totalreflexionsfläche parallel zur ersten Totalreflexionsfläche und eine die gebrochenen reflektierten Lichtstrahlen brechende Lichtaustrittsöffnung parallel zur Lichteintrittsfläche angeordnet sind. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung bestehen darin, daß der Einfallswinkel des Lichtstrahles an der Lichteintrittsfläche so gewählt ist, daß die Differenz der Brechungswinkel von kurzwelligen zu Licht mittlerer Wellenlänge oder die Differenz der Brechungswinkel von Licht mittlerer Wellenlänge zu langwelligen Licht identisch ist mit der Differenz der entsprechenden Einfallswinkel an der ersten Totalreflexionsfläche gemäß der Beziehung

/aresin( ) - aresin( )/ = /θ₈ - θ_η/

/aresin( )-aresin) )/ = /θι_ — θ₃/

πι. n_s

wobei α der Einfallswinkel an der Lichteintrittsfläche,

n_L die Brechzahl für langwelliges Licht,

n_s die Brechzahl für Licht mittlererWellenlänge,

n_K die Brechzahl für kurzwelliges Licht

Öl der Einfallswinkel von langwelligem Licht,

ös der Einfallswinkel von Licht mittlererWellenlänge,

θκ der Einfallswinkel von kurzwelligem Licht an der ersten Totalreflexionsfläche sind, und der Winkel φ durch die Beziehung

, sina , 0 + ()

bestimmt ist,

sowie darin, daß die die Körperlänge des achromatischen Phasenretarders so gewählt ist, daß eine gerade Anzahl von Totalreflexionen erfolgen und darin, daß er aus durchsichtigem Material mit einer Brechzahl n_e s 1,7, einer beliebigen ABBE-Zahl y_e und einer spannungsoptischen Konstante B < 0,5 TPa"¹ besteht.

Zur Erzeugung einer Phasendifferenz von 90° oder von 180° wird die Körperlänge des achromatischen Retarders erfindungsgemäß so gewählt, daß für 90° Phasendifferenz zwei Totalreflexionen und für 180° Phasendifferenz vier Totalreflexionen im achromatischen Retarder erfolgen. Die Wirkung des erfindungsgemäß gestalteten achromatischen Phasenretarder besteht in einem neuen Prinzip der Autokompensation des Phasenfehlers durch die Dispersion des achromatischen Phasenretarders. Durch die parallele Anordnung der Lichtaustrittsfläche zur Lichteintrittsfläche verlassen Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen den achromatischen Phasenretarder untereinander parallel. Die an der Grenzfläche Retarder— Luft reflektierte Strahlung wird vollständig aus dem Strahlengang eliminiert, so daß keine reflexmindernden Schichten auf dem achromatischen Phasenretarder erforderlich sind, die ihrerseits den Polarisationszustand negativ beeinflussen wurden.

Mit dem erfindungsgemäßen achromatischen Phasenretarder wird durch Verbesserung der Achromasie und der Verminderung von Falschlicht gegenüber den bekannten Lösungen eine erhebliche Kontraststeigerung erreicht. Gegenüber dem bisher besten achromatischen Phasenretarder wird eine Verringerung des Phasenfehlers um eine Zehnerpotenz in dessen Arbeitsbereich (678 nm bis 868 nm) erreicht. Der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen achromatischen Phasenretarders ist insgesamt wesentlich größer, von 350 nm bis 1014nm beträgt der Phasenfehler < 0,05°, bei einer Ausführung für den Wellenlängenbereich von 546nm bis 1813 nm beträgt der Phasenfehler < 0,02°. Der technologische Aufwand zu seiner Herstellung ist gering.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird nachstehend anhand von schematischen Zeichnungen erläutert.

Es zeigen

Fig. 1: schematisch die Anordnung derWirkungsfiächen und den Strahlenverlauf im achromatischen Phasenretarder, Fig. 2: die Gestaltung des achromatischen Phasenretarders für die Erzeugung einer Phasendifferenz von 180° und Fig.3: die Kennlinie des erfindungsgemäßen achromatischen Phasenretarders.

Der achromatische Phasenretarder besteht aus mindestens einem prismatischen Körper durchsichtigen Materials mit zwei Totalreflexionsflächen. In Fig. 1 ist die Anordnung der Wirkungsflächen und der Strahlenverlauf dargestellt. Die Lichteintrittsfläche 2 ist unter einem Einfallswinkel α ungleich 90° zur Einfallsrichtung eines Lichtstrahles 1 angeordnet. Die erste Totalreflexionsfläche 3 liegt unter einem Winkel φ an der Lichteintrittsfläche 2 an. Die beiden Winkel α und φ sind so gewählt, daß für ein an der Lichteintrittsfläche 2 gebrochener Lichtstrahl kurzer Wellenlänge 1_K ein Einfallswinkel θ_κ an der ersten Totalreflexionsfläche 3 entsteht, der größer ist als ein Einfallswinkel ö_u eines gebrochenen Lichtstrahles längerer Wellenlänge 1 u· Die zweite Totalreflexionsfläche 4 ist parallel zur ersten Totalreflexionsfläche 3 und die die gebrochenen reflektierten Lichtstrahlen 1< und/oder 1_S und/oder 1_L brechende Lichtaustrittsfläche 5 parallel zur Lichteintrittsfläche 2 angeordnet. Die Körperlänge 1 ist vorzugsweise so gewählt, daß zwei Totalreflexionen erfolgen und damit eine Phasendifferenz von 90° entsteht.

Der erfindungsgemäße achromatische Phasenretarder ist in optischen Anordnungen, die mit polychromatischem oder mit monochromatischem oder einem durchstimmbaren Farbstofflaser arbeiten, einsetzbar.

In Fig. 2 ist ein achromatischer Phasenretarder dargestellt, der für die Erzeugung einer Phasendifferenz von 180° gestaltet ist. Die Körperlänge I ist so gewählt, daß vier Totalreflexionen erfolgen.

In Fig. 3 ist der Verlauf der Phasendifferenz in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtstrahles 1 dargestellt. Die Kennlinie A zeigt die Charakteristik des erfindungsgemäßen achromatischen Phasenretarders, die Kennlinie B die eines FRESNEL-Rhombus.

Claims

1. Achromatischer Phasenretarder bestehend aus mindestens einem prismatischen Körper mit zwei Totalreflexionsflächen, gekennzeichnet dadurch, daß eine Lichteintrittsfläche (2) unter einem Einfallswinkel (α) ungleich 90° zur Einfallsrichtung eines Lichtstrahles (1) liegt und daß an der Lichteintrittsfläche (2) eine erste Totalreflexionsfläche (3) unter einem Winkel (φ) anliegt, wobei beide Winkel (α, φ) so gewählt sind, daß für ein an der Lichteintrittsfläche (2) gebrochener Lichtstrahl kurzer Wellenlänge (1κ) ein Einfallswinkel (θ«) an der ersten Totalreflexionsfläche (3) entsteht, der größer ist als ein Einfallswinkel (θ|) eines gebrochenen Lichtstrahles längerer Wellenlänge (1_L), daß eine zweite Totalreflexionsfläche (4) parallel zur ersten Totalreflexionsfläche (3) und eine die gebrochenen reflektierten Lichtstrahlen (1l, 1s/ 1k) brechende Lichtaustrittsfläche (5) parallel zur Lichteintrittsfläche (2) angeordnet sind.

2. Achromatischer Phasenretarder nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Einfallswinkel (α) so gewählt ist, daß die Differenz der Brechungswinkel von kurzwelligen zu Licht mittlerer Wellenlänge oder die Differenz der Brechungswinkel von Licht mittlerer Wellenlänge zu langwelligem Licht identisch ist mit der Differenz der entsprechenden Einfallswinkel (θκ, 9s, &ö an der ersten Totalreflexionsfläche (3) gemäß der Beziehung