DE102006054783A1

DE102006054783A1 - Optisches Bauteil sowie Verfahren zur Herstellung desselben

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Publication number: DE102006054783A1
Application number: DE200610054783
Authority: DE
Inventors: Dominik Giel; Markus Fratz; Carsten Bolwien
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2008-06-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Bauteil mit einer Schicht eines für eine bestimmte Wellenlänge empfindlichen Materials, in der eine ortsabhängig unterschiedlich orientierte Doppelbrechung mittels Belichtung bei dieser Wellenlänge derart ausgebildet ist, daß Eingangsstrahlung mit homogener Polarisation in Ausgangsstrahlung mit ortsabhängiger Polarisation umwandelbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Bauteil und ein Verfahren zur Herstellung desselben, welches insbesondere zur Erzeugung radial oder tangential polarisierter breitbandiger Strahlung geeignet ist.
Abweichend von den homogenen Polarisationen (z.B. Linearpolarisation oder Zirkularpolarisation) eines Lichtstrahls zeichnen sich radial oder tangential polarisierte Strahlen dadurch aus, daß an unterschiedlichen Orten des Strahlquerschnittes unterschiedliche Polarisationsvektoren vorkommen.
Dabei bezeichnet man einen Strahl dann als tangential polarisiert, wenn dessen Polarisationsvektor P an jedem Punkt X in einer Schnittebene A senkrecht zur Ausbreitungsrichtung so orientiert ist, daß E senkrecht zur Verbindungslinie zum Strahlmittelpunkt M liegt, d.h. E ist senkrecht zur Strecke MX.
Als radial polarisiert bezeichnet man elektromagnetische Strahlen, deren Polarisationsvektor in jeder Schnittebene radial vom Strahlmittelpunkt weg oder auf diesen hin zeigt. Dabei spricht man von radial polarisiert, wenn MX und P parallel sind.
Radial polarisierte Strahlung besitzt für viele Anwendungsfelder ausgezeichnete Eigenschaften. So ist es beispielsweise in der Lasermaterialbearbeitung beim Verfahren (Positionieren) eines Werkstückes unter einem Strahlfokus von Vorteil, wenn die Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Werkstück aufgrund der Verwendung von radial polarisierter Strahlung keine ausgezeichnete Vorzugsrichtung durch eine Orientierung der Polarisation besitzt. Auch bei spektroskopischen Anwendungen hat die Verwendung von radial polarisiertem Licht Vorteile, so z.B. bei der Anregung bestimmter Molekülzustände. Weiterhin ist bekannt, daß sich mit radialer Polarisation geringere Brennflecke erzeugen lassen, so daß mit radialer Strahlung in abbildenden optischen Systemen höhere Auflösungen erreicht werden können. Auch bei optischen Partikelfallen („optical tweezers") ist die Verwendung von radial polarisierter Strahlung von Vorteil. Desweiteren ermöglicht die Verwendung radial polarisierter Strahlung bei der Rasternahfeldmikroskopie (SNOM) die Anregung bestimmter Oberflächenresonanzen in metallischen Beschichtungen, bei denen die Feldstärke im Bereich der Spitze überhöht ist, und die daher eine deutlich verbesserte räumliche Auflösung und Empfindlichkeit sowie eine vereinfachte Herstellung gegenüber konventionellen SNOM-Spitzen besitzen.
Dementsprechend ist die Anwendung radial polarisierter Strahlung bzw. von Bauteilen zur Erzeugung (Umwandlung) einer solchen radial polarisierten Strahlung derselben wünschenswert. Allerdings ist ihre Herstellung bisher aufwändig. So besteht eine Möglichkeit der Herstellung radial polarisierter Strahlung in der Umwandlung linear polarisierter Strahlung durch eine Kombination von Verzögerungsplatten unterschiedlicher Orientierung zur Erzeugung einer ortsabhängigen Drehung des Polarisationsvektors oder in einer Reflektion zirkular polarisierter Strahlung an Gittern mit polarisationsabhängiger Reflektivität.
Die oben genannten Forderungen für Radialpolarisation oder Tangentialpolarisation sind aber nur bei verschwindender Strahlintensität im Strahlmittelpunkt M erfüllbar. Ein Bauteil, das nur die Polarisation, nicht aber die Intensität eines homogen polarisierten Strahles moduliert, kann somit keine echte Radialpolarisation erreichen, da im allgemeinen die Intensität I im Strahlmittelpunkt nicht verschwindet, also I(M) > 0.
Bei Verwendung höherer lateraler Lasermoden eines Lasers sind zwar echte Radialpolarisationen erzeugbar, bei vielen Anwendungen ist aber das Vorliegen einer echten Radialpolarisation gar nicht notwendig, so dass vielfach eine Pseudo-Radialpolarisation (oder Pseudo-Radialpolarisation) verwendet werden kann, die nur eine Annäherung an die echte Radial (Tangential) Polarisation darstellt.
So beruhen kommerziell erhältliche Bauteile zur Erzeugung radialer Polarisation auf der Erzeugung sogenannter „Pseudo"-Radialpolarisation. Dabei wird ein homogen polarisierter Strahl stückweise in einen radialpolarisierten Strahl überführt. Beispielsweise kann ein linear polarisierter Strahl durch vier Halbwellenplatten in einen 4-fach Pseudo-radialpolarisierten Strahl überführt werden. In jedem der vier Sektoren I–IV (bzw. Quadranten) eines durch ein solches Bauteil erzeugten Strahls ist der Polarisationsvektor somit um 90° gedreht. Eine derartige Pseudo-Radialpolarisation ist in 1 skizziert, in der der Polarisationsvektor P in jedem der vier Quadranten I–IV annähernd tangential orientiert ist. Die Orientierung im Strahlursprung M ist in dieser Anordnung „nicht definiert", wobei die ideale Radialpolarisation durch Rasterung angenähert wird.
Der resultierende Strahl ist wie dargelegt nur annähernd radial polarisiert. Zudem bestehen technische Schwierigkeiten aufgrund der Streuung der Strahlung an den Kanten der Quadranten. Darüber hinaus ist die Fertigung von Bauteilen mit sehr vielen Halbwellenplatten technisch aufwändig und teuer, wodurch typischerweise weniger als 16 Sektoren verwendet werden.
Es wurde zudem vorgeschlagen, „Pseudo"-Radialpolarisation mit hoher Ortsauflösung, d.h. sehr vielen (mehreren hundert) Sektoren durch die Verwendung feinstrukturierter Flüssigkristall-Anzeigen herzustellen. Allerdings sind insbesondere derartige aktive Anzeigen aufwändig in der Herstellung, wodurch deren Anwendung stark eingeschränkt wird.
Auch sind bereits mikrolithographisch strukturierte Bauteile mit doppelbrechenden Kristallen unterschiedlicher Orientierung zur Erzeugung von „Pseudo"-Radialpolarisation vorgeschlagen worden.
Eine Alternative zu den oben beschriebenen transmissiven Radialpolarisatoren kann in der Sub-Wellenlängen-Strukturierung von reflektierenden Oberflächen gesehen werden, bei denen ein auf eine reflektierende Oberfläche aufgebrachtes Gitter mit einer Gitterstruktur unterhalb der Wellenlänge der zu reflektierenden Strahlung eine stark polarisationsabhängige Reflektivität aufweist. Durch eine Mikrostrukturierung mit einer örtlich variierenden Orientierung des Sub-Wellenlängen-Gitters wäre es möglich, einen Strahl mit einer ortsabhängigen Polarisation zu erzeugen.
Nachteilig hieran ist allerdings, daß der Anteil der nicht reflektierten Polarisation verloren geht, d.h. ein derartiges Bauteil bzw. Verfahren hätte eine geringere maximal mögliche Umwandlungs-Effizienz als ein vorstehend beschriebener Radialpolarisator aus Halbwellenplatten.
Andererseits wäre mit einem derartigen Verfahren eine Herstellung von nahezu beliebig vielen Sektoren bei einer Sub-Wellenlängen-Strukturierung möglich, so daß die Abweichung der erzeugten „Pseudo"-Radialpolarisation von einer „echten" Radialpolarisation (die einen mit den Maxwellschen Gleichungen nicht kompatiblen Grenzfall eines Strahlungsfeldes darstellt) vernachlässigt werden könnte.
Ein weiterer Nachteil der Verwendung eines Sub-Wellenlängengitters besteht außerdem darin, daß eine hohe Güte eines auf Reflektion an Sub-Wellenlängengittern beruhenden Bauteils, d.h. eine vollständige Umwandlung der eingestrahlten Polarisation in Radialpolarisation, die Funktion des Bauteils auf einen engen Wellenlängenbereich einschränkt. Mit dieser Bauform sind dementsprechend breitbandigere Bauteile nur auf Kosten eines geringeren Wirkungsgrades realisierbar. Erst bei Gitterperioden, die kleiner wären als 1/40 der verwendeten Lichtwellenlänge, könnten die hergestellten Gitterstrukturen als annähernd wellenlängenunabhängig angesehen werden. Letztlich schränkt der dadurch entstehende extrem hohe Fertigungsaufwand für Sub-Wellenlängenstrukturen den Einsatz von reflektierenden Bauteilen auf Wellenlängen im fernen Infrarot ein.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches Bauteil und ein Verfahren zur Herstellung dieses optischen Bauteils anzugehen, das sich durch eine besonders hohe Qualität der erzeugten Ausgangsstrahlung mit ortsabhängiger Polarisation, insbesondere der erzeugten Radialpolarisation, über einen breiteren Wellenlängenbereich als bisher üblich auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein optisches Bauteil mit einer Schicht eines für eine bestimmte Wellenlänge empfindlichen Materials, in der eine ortsabhängig unterschiedlich orientierte Doppelbrechung mittels Belichtung bei dieser Wellenlänge derart ausgebildet ist, daß Eingangsstrahlung mit homogener Polarisation in Ausgangsstrahlung mit ortsabhängiger Polarisation umwandelbar ist.
Das erfindungsgemäße optische Bauteil ermöglicht eine besonders feine Rasterung, da die Anzahl der Rasterzellen nur durch die Feinheit des Schreibaufbaus vorgegeben wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik (Pseudoradialpolarisation mit 8–16 Sektoren, die durch Zusammenkleben von Halbwellenplatten entstehen) wird zudem eine Rasterung ohne physikalische Grenzflächen zwischen den Sektoren ermöglicht, welche – neben dem Aufwand der Herstellung – die optische Qualität des Bauteils herabsetzen.
Vorzugsweise wird die Schicht eines für eine bestimmte Wellenlänge empfindlichen Materials aus zumindest einem photo-adressierbaren Material, insbesondere einem photo-adressierbaren Polymer, gebildet. Dabei kann das photo-adressierbare Material auf einem Trägersubstrat aufgebracht sein.
Weiterhin kann das Trägersubstrat transparent ausgebildet sein, wobei dann mit dem optischen Bauteil eine transmissive Radialpolarisation erzeugbar ist. Alternativ kann das Trägersubstrat reflektierend ausgebildet sein, wobei dann mit dem optischen Bauteil eine reflektive Radialpolarisation erzeugbar ist.
Zudem kann das photo-adressierbare Material auf einen Linearpolarisator aufgebracht sein.
Weiterhin kann die erzeugte Strahlung mit ortsabhängiger Polarisation eine Radialpolarisation sein.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Doppelbrechung durch die Belichtung derart erzeugt werden, daß an jedem Ort eine Halbwellenplatte mit ausgezeichneter Achse entsteht, so daß einem Lichtstrahl örtlich homogener Polarisation eine ortsabhängige Polarisation aufprägbar ist.
Die vorgenannte Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils, wie vorstehend dargelegt, gelöst, das eine Schicht eines für eine bestimmte Wellenlänge empfindlichen Materials aufweist, die derart bei dieser Wellenlänge belichtet wird, daß eine ortsabhängig unterschiedlich orientierten Doppelbrechung entsteht, mit der eine Eingangsstrahlung mit homogener Polarisation in eine Ausgangsstrahlung mit ortsabhängiger Polarisation umgewandelt wird.
Vorzugsweise kann eine Schicht eines photo-adressierbaren Polymers derart belichtet wird, daß die ortsabhängig unterschiedlich orientierte Doppelbrechung entsteht.
Weiterhin kann die Schicht eines für eine bestimmte Wellenlänge empfindlichen Materials durch linear polarisiertes Licht eines ortsabhängigen Polarisationsvektors belichtet werden.
Insbesondere kann die Doppelbrechung durch die Belichtung derart erzeugt werden, daß an jedem Ort eine Halbwellenplatte mit ausgezeichneter Achse entsteht, so daß einem Lichtstrahl örtlich homogener Polarisation eine ortsabhängige Polarisation aufgeprägt wird.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
1 schematische Darstellung einer Pseudo-Radialpolarisation,
2 schematische Darstellung eines Versuchsaufbaues zum seriellen Schreiben,
3 schematische Darstellung eines Versuchsaufbaues zum parallelen Schreiben,
4 schematische Darstellung eines Versuchsaufbaues zum quasi-interferometrischen Schreiben,
5 schematische Darstellung einer Spiral-Phasen-Platte 25 gemäß 4.
6 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiel eines direkt beleuchteten Bauteils zur Erzeugung radialer Polarisation.
Das vorliegende und in der beigefügten 6 schematisch dargestellte Bauteil 42 weist eine dünne Schicht eines doppelbrechenden photo-adressierbaren Polymers (PAP) auf, dessen Doppelbrechung auf der Orientierung bestimmter funktionaler Molekülgruppen beruht. Dabei entsteht das direkt belichtete Bauteil 42 zur Erzeugung radialer Polarisation aus einer Schicht photoadressierbaren Polymers, in dem ortsabhängig eine unterschiedlich orientierte Doppelbrechung erzeugt wird dergestalt, dass an jedem Ort eine Halbwellenplatte mit ausgezeichneter Achse entsteht, so dass einem Lichtstrahl örtlich homogener Polarisation 41 eine ortsabhängige Polarisation 43, im Beispiel eine radiale Polarisation aufgeprägt wird. Das Bauteil 42 ist mit 4 × 4 Sektoren skizziert, aber auch eine sehr viel feinere Rasterung, z.B. 400 × 400 Sektoren, ist mit dem hier beschriebenen Verfahren möglich. Bemerkenswerterweise erzeugt das gleiche Bauteil bei Beleuchtung mit einem Lichtstrahl mit der skizzierten Polarisationsachse 41 orthogonaler Polarisation eine tangentiale Ausgangspolarisation.
Photo-adressierbare Polymere und deren Eigenschaften sind beispielsweise in einer Veröffentlichung des Fraunhofer-Instituts für angewandte Polymerforschung (IAP) von E. Schab-Balcerzak, B. Sapich, J. Stumpe: „Photoinduced optical Anisotropy in new poly (amid imide)s with azobenzene units", Polymer 46 (49), 2005, veröffentlicht. Auch die US 7,018,684 , die WO 00/54112 A1 und die WO 00/ 54111 A1 betreffen derartige photo-adressierbare Polymere.
Derartige photo-adressierbare Polymere sind ein Beispiel für Materialien, die unter Laserbestrahlung ihre Molekülstruktur wechseln können.
Das vorliegende PAP-Material ist dabei jedenfalls für eine bestimmte (Schreib-) Wellenlänge empfindlich. Dabei ist je nach der Absorptionscharakteristik des PAP-Materials die Schreibwellenlänge so zu wählen, daß die Umorientierung der Chromophore bei der Schreibwellenlänge („photobleaching") möglich ist (z.B. 532 nm). Andererseits sollte die Absorption nicht so groß sein, daß die Eindringtiefe zu gering ist, um den kompletten PAP-Film zu durchdringen.
Eine bevorzugte Dicke der PAP-Schicht wird wie folgt bestimmt:
Beim Durchlaufen der PAP-Schicht muss die Halbwellen-Bedingung erfüllt sein, d.h. das Produkt aus der Schichtdicke d und der Differenz zwischen außerordentlichem und ordentlichem Brechungsindex Δn = n_O – n_E muss gleich der Hälfte der Vakuumwellenlänge λ sein: ½ λ = d Δn(λ) (1)
Dabei ist Δn in der Regel abhängig von der Wellenlänge λ. Für jede gegebene Wellenlänge kann durch die geeignete Wahl von d die Halbwellenbedingung Gl. (1) stets erfüllt werden. Diese optimale Schichtdicke wird im Folgenden als d_λ bezeichnet: dλ := λ/[2 Δn(λ)] (2)
Ein breitbandiges Bauteil ist dadurch definiert, dass es die Halbwellenbedingung näherungsweise für einen Wellenlängenbereich [λ₀ - Δλ, λ₀ + Δλ] erfüllt. Näherungsweise bedeutet in Bezug auf (2), dass die Abweichung der optimalen von der tatsächlichen Schichtdicke |d-d_λ| für jede Wellenlänge aus dem Wellenlängenbereich gering ist, d.h. z.B. im ganzen Wellenlängenbereich unter 10 % der tatsächlichen Schichtdicke liegt (der Wert von 10% ist willkürlich gewählt und dient im Folgenden nur der Verdeutlichung): |d-dλ|/d < 10% (3)
Viele PAP-Materialien zeigen im sichtbaren Spektralbereich und darüber hinaus nur eine geringe Wellenlängenabhängigkeit der Doppelbrechung (vgl. [1]), d.h. Δn(λ) ≈ const. Aus Gl. (2) ergibt sich nunmehr die Größe des Wellenlängenbereiches, innerhalb dessen Gl. 3 erfüllt wird, mit |Δλ|/λ0 < 10%
Nimmt man typische Zahlenwerte von λ₀ = 630 nm, einer tolerablen Abweichung von 10% und Δn = 0,3 an, so ergibt sich eine optimale Schichtdicke von 1,15–1,25 μm. In diesem Sinne ist ein in der vorliegenden Erfindung beschriebenes Bauteil breitbandig, bzw. breitbandiger als bestehende Bauteile, die nur eine sehr geringe Abweichung der Wellenlänge von einem vorgegebenen Wert erlauben, da sie auf der selektiven Absorption eines diffraktiven Elementes beruhen:
Bestehende Bauteile dagegen werden typischerweise durch Oberflächenstrukturierung hergestellt. Die dabei erzeugten periodischen Strukturen sind nach dem Stand der Technik üblicherweise in der Größenordnung von 12 μm (Quelle: Peier, Peter: Untersuchung von Elementen zur Erzeugung radial polarisierter Strahlung im CO2-Laser. Diplomarbeit an der Universität Bern, 2005). Nach Dias („Hochfrequente Gitterstrukturen für Anwendungen in optischen Systemen". Dissertation an der TU Darmstadt, 2003) weist die dort auftretende Differenz der effektiven Brechungsindices für ordentlichen und außerordentlichen Strahl eine deutliche Abhängigkeit von der Wellenlänge auf. Dies führt dazu, daß sich der Wellenlängenbereich reduziert, für den die Bedingung (1) erfüllt ist.
Das vorliegende Verfahren zur Herstellung des als Ausführungsbeispiel angegebenen Radialpolarisators besteht in der Belichtung des PAP-Filmes derart, daß an jedem Ort die Doppelbrechung einer Halbwertplatte entspricht, deren Achse so orientiert ist, daß sie die gewünschte Orientierung der Strahlung realisiert.
So muß zur Erzeugung radialer Polarisation an jedem Ort (x, y) der PAP-Schicht ein Ausgangspolarisationswinkel a = arctg (x/y) realisiert werden. Somit ist durch geeignete Belichtung in der PAP-Schicht die Orientierung der Doppelbrechung unter dem Winkel ½ a zu wählen. Diese Belichtungspolarisation wird im Folgenden auch als die zur Zielpolarisation komplementäre Polarisation bezeichnet.
Neben der vorstehend beschriebenen Wahl der Polarisationsrichtung ist auch der Betrag der Doppelbrechung, d.h. die Brechungsindexdifferenz zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl so einzustellen, daß sich in jedem Punkt eine Halbwertplatte ergibt.
Die Belichtung bei der Schreibwellenlänge kann entweder parallel, d.h. synchron für einen kompletten Film, oder seriell, d.h. Punkt für Punkt, erfolgen.
Das parallele Belichten kann z.B. durch die Beleuchtung mit einer maßgeschneiderten Mode eines Laserstrahles erfolgen, die mittels geeigneter Laserresonatoren erzeugt werden kann, und die an jedem Punkt die zur gewünschten Polarisation komplementäre Polarisation aufweist. Alternativ kann auch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines computergenerierten optischen Bauelementes, wie in der Fraunhofer-Patentanmeldung DE 10 2006 012 225.9 vom 16.03.2006 beschrieben, verwendet werden.
Das serielle Belichten hat den Vorteil, daß die Belichtungsintensität an jedem Punkt der PAP-Schicht konstant ist und somit die Bedingung des konstanten Betrags der Doppelbrechung ohne weiteres erfüllt werden kann.
Darüber hinaus ist es mit dem in der vorgenannten Fraunhofer-Patentanmeldung beschriebenen Aufbau möglich, maßgeschneiderte beliebige ortsabhängige Strahlpolarisationen (BOP) zu generieren, ohne die entsprechenden komplementären Polarisationsfelder aufwändig generieren zu müssen.
Wie dargelegt gibt es für die Realisierung des Belichtungsaufbaus mehrere verschiedene Möglichkeiten. Dabei kann das PAP-Material Punkt für Punkt (seriell) oder alle Punkte parallel geschrieben werden. Die korrekte Orientierung kann dabei durch ein spezielles Bauteil, z.B. einen Elektro-optischen Rotator realisiert werden oder durch die kohärtente Überlagerung zweier zirkular polarisierter Strahlen gleicher Intensität, von denen der eine gegenüber dem anderen verzögert ist.
Diese Möglichkeiten sind in den 2 bis 4 schematisch dargestellt.
Dabei zeigt 2 einen Versuchsaufbau eines „seriellen" Schreibverfahrens mit einem x-y-Verschiebetisch 1, auf dem das PAP-Material angeordnet ist, einem Objektiv 2 zur Strahlfokussierung, einem Teleskop 3 zur Strahlaufweitung, und einem beispielsweise elektro-optisch oder faseroptisch wirkenden Polarisationsteller 4. Der sich ergebende Strahlengang S₁ ist angegeben.
In 3 ist ein Versuchsaufbau eines „parallelen" Schreibeverfahrens angegeben. Dabei wir ein Strahl über einen Strahlaufweiter 10 („beam expander"), einen Strahlteiler 11, einem „spatial light modulator” (SLM) 12 und einem Objektiv 13 auf das PAP-Material projiziert. Der sich ergebende Strahlengang S₂ ist angegeben.
In 4 ist ein Versuchsaufbau eines quasi-interferometrischen Schreibverfahrens angegeben, wobei das quasi-interferometrische Schreiben durch Überlagerung von links-(LCP) und rechts-zirkular (RCP) polarisiertem Licht erfolgt. Dabei wir ein Strahl S₃ über einen Strahlaufweiter 20 („beam expander"), eine ¼ – Wellenplatte 21, einen Strahlteiler 22 und einen Spiegel 23 auf einen ersten Strahlengang S₄ mit einer ½ – Wellenplatte 24 und einen zweiten Strahlengang S₅ mit einer Spiral-Phasen-Platte („spiral-phase-plate) 25 aufgeteilt. Über einen weiteren Spiegel 26 und einen weiteren Strahlteiler 27 werden die Strahlengänge S₄ und S₅ auf dem PAP-Material 28 überlagert.
Die Spiral-Phasen-Platte 25 ist in 5 näher angegeben.
Der Belichtungsaufbau kann alternativ auch in anderen Interferometerbauformen (z.B. Michelson usw) ausgeführt werden. Das spiral phase plate kann in Transmission oder Reflektion arbeiten. Für die Dicke d(α) der Spiralphasenplatte gilt in Transmission: d(α) = λ·n·α/(2·π) + d0
Für eine Spiralphasenplatte in Reflektion muss gelten: d(α) = λ·n·α/(π) + d
Wobei λ für die Vakuumellenlänge des Schreibstrahls, α für den Drehwinkel in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitung und d₀ für einen beliebigen Offset steht. Für die Brechzahl n muss in Reflektion die Brechzahl des umgebenden Mediums (z.B. Luft), in Transmission die des Materials, aus dem die Spiralphasenplatte besteht (z.B. Glas), angenommen werden.
Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren ist die Herstellung eines optischen Bauteils zur Umwandlung von Strahlung homogener (z.B. linearer) Polarisation in Strahlung ortsabhängiger (z.B. radialer oder tangentialer) Polarisation ermöglicht. Je nach Anwendung ist radiale oder tangentiale oder eine Linearkombination beider Polarisationen (d.h. eine beliebige ortsabhängige Polarisation) in vorteilhafter Weise möglich.
Nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellte Bauteile weisen zudem eine geringe Abhängigkeit der Ausgangspolarisation von der Eingangswellenlänge auf und können preiswert hergestellt werden.
Darüber hinaus besitzen diese eine hohe Umwandlungseffizienz (Verhältnis der Eingangs- zur Ausgangsintensität) und eine im Vergleich zum Stand der Technik geringe Abweichung der realisierten zur theoretischen Ausgangspolarisation. Beispielsweise erzeugt ein nach dem vorliegenden Verfahren hergestellter Radialpolarisator eine Pseudo-Polarisation mit einer extrem hohen Anzahl (typischerweise mehreren hundert) Sektoren.
Die vorliegenden PAP-Materialien weisen zudem über einen sehr großen Wellenlängenbereich einen konstanten und außerordentlich hohen Brechungsindexunterschied (Δn > 0,1) für die ordentliche und die außerordentliche Polarisation auf, so daß ein entsprechend hergestelltes optisches Bauteil nicht nur sehr dünn hergestellt werden kann (so ist eine Dicke der Halbwellenpalette definiert über D = n·λ/Δn), sondern auch für einen breiten Spektralbereich die Funktion eines Radialpolarisators erfüllen kann. Dies ist ein klarer Vorteil gegenüber den reflektierenden Elementen auf der Basis von Subwellenlängengittern, bei denen eine hohe Effizienz nur auf Kosten eines eingeschränkten spektralen Wirkungsfensters erzielt werden kann.
Gegenüber der Herstellung pseudo-radialer Polarisation durch zusammengesetzte optische Elemente (z.B. mehrere doppelbrechende Kristalle) besitzen die aus belichteten PAP-Schichten bestehenden Bauteile keine Kanten (da das Polymermaterial keine Kristallanordnung aufweist), die durch Streuung eine geometrische Qualität der erzeugten Strahlung mindern könnten. Auch sind diese in der Herstellung nicht auf eine kleine Anzahl an Sektoren beschränkt.
Vorteilhafterweise kann durch das Aufbringen der PAP-Schicht auf ein transparentes bzw. reflektierendes Substrat eine transmissive bzw. eine reflektive Radialpolarisation erzeugt werden.
In der Figur ist ein direkt belichtetes Bauteil 2 zur Erzeugung radialer Polarisation gezeigt, das aus einer Schicht photo-adressierbaren Polymers besteht, in dem ortsabhängig eine unterschiedlich orientierte Doppelbrechung dergestalt erzeugt wird, daß an jedem Ort eine Halbwellenplatte mit ausgezeichneter Achse entsteht, so daß einem Lichtstrahl örtlich homogener Polarisation 1 eine ortsabhängige Polarisation 3, im Beispiel eine radiale Polarisation, aufgeprägt wird.
Der vorliegende Radialpolarisator wurde mit einer Größe von 500 μm × 500 μm für den Wellenlängenbereich 670–632 nm realisiert.
Das Bauteil 2 ist mit 4 × 4 Sektoren skizziert, wobei eine sehr viel feinere Rasterung (z.B. 400 × 400 Sektoren) mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren ermöglicht ist.
Bemerkenswerterweise erzeugt dieses Bauteil bei Belichtung mit einem Lichtstrahl mit zu der dargestellten Polarisationsachse 1 orthogonaler Polarisation eine tangentiale Ausgangspolarisation.
Vorstehend ist ein Verfahren zur Belichtung eines doppelbrechenden Bauteils zur Erzeugung einer ortsabhängigen Strahlpolarisation gezeigt, wobei die gewünschte Doppelbrechung durch Belichten des Bauteils entsteht. Dabei kann das Bauteil aus photo-adressierbarem Polymer bestehen. Weiterhin kann die Belichtung durch linear polarisiertes Licht eines ortsabhängigen Polarisationsvektors erfolgen.
Zugleich ist vorstehend ein Bauteil, hergestellt nach diesem Verfahren, angegeben, bei dem die ortsabhängige Strahlpolarisation eine Radialpolarisation ist. Dabei kann das photo-adressierbare Material auf einen Linearpolarisator aufgebracht sein.
Vorliegend lassen sich durch direktes Belichten mit linear polarisiertem Licht in dünnen Schichten photo-adressierbaren Polymers Strahlen mit einer ortsabhängigen Polarisation erzeugen, was für viele Anwendungen von Vorteil ist. Durch die einfache Herstellung dünner Polymerschichten und die geringen Materialkosten sind so maßgeschneiderte, z.B. radial polarisierte Strahlen, herstellbar.

Claims

Optisches Bauteil mit einer Schicht eines für eine bestimmte Wellenlänge empfindlichen Materials, in der eine ortsabhängig unterschiedlich orientierte Doppelbrechung mittels Belichtung bei dieser Wellenlänge derart ausgebildet ist, daß Eingangsstrahlung mit homogener Polarisation in Ausgangsstrahlung mit ortsabhängiger Polarisation umwandelbar ist.
Optisches Bauteil nach Patentanspruch 1, wobei die Schicht eines für eine bestimmte Wellenlänge empfindlichen Materials aus zumindest einem photo-adressierbaren Material, insbesondere einem photo-adressierbaren Polymer, gebildet ist.
Optisches Bauteil nach Patentanspruch 2, wobei das photo-adressierbare Material auf einem Trägersubstrat aufgebracht ist.
Optisches Bauteil nach Patentanspruch 3, wobei das Trägersubstrat transparent ausgebildet und mit dem optischen Bauteil eine transmissive Radialpolarisation erzeugbar ist, oder daß das Trägersubstrat reflektierend ausgebildet und mit dem optischen Bauteil eine reflektive Radialpolarisation erzeugbar ist.
Optisches Bauteil nach Patentanspruch 3 oder 4, wobei das photo-adressierbare Material auf einen Linearpolarisator aufgebracht ist.
Optisches Bauteil nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, wobei die erzeugte Strahlung mit ortsabhängiger Polarisation eine Radialpolarisation ist.
Optisches Bauteil nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, wobei die Doppelbrechung durch die Belichtung derart erzeugt ist, daß an jedem Ort eine Halbwellenplatte mit ausgezeichneter Achse entsteht, so daß einem Lichtstrahl örtlich homogener Polarisation eine ortsabhängige Polarisation aufprägbar ist.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, das eine Schicht eines für eine bestimmte Wellenlänge empfindlichen Materials aufweist, die bei dieser Wellenlänge derart belichtet wird, daß eine ortsabhängig unterschiedlich orientierten Doppelbrechung entsteht, mit der eine Eingangsstrahlung mit homogener Polarisation in eine Ausgangsstrahlung mit ortsabhängiger Polarisation umgewandelt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 8, wobei eine Schicht eines photo-adressierbaren Polymers derart belichtet wird, daß die ortsabhängig unterschiedlich orientierte Doppelbrechung entsteht.
Verfahren nach Patentanspruch 8 oder 9, wobei die Schicht eines für eine bestimmte Wellenlänge empfindlichen Materials durch linear polarisiertes Licht eines ortsabhängigen Polarisationsvektors belichtet wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 8 bis 10, wobei die Doppelbrechung durch die Belichtung derart erzeugt wird, daß an jedem Ort eine Halbwellenplatte mit ausgezeichneter Achse entsteht, so daß einem Lichtstrahl örtlich homogener Polarisation eine ortsabhängige Polarisation aufgeprägt wird.