DE2445775A1

DE2445775A1 - Polarisator

Info

Publication number: DE2445775A1
Application number: DE19742445775
Authority: DE
Inventors: Ronald Douglas Ward
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1973-10-03
Filing date: 1974-09-25
Publication date: 1975-04-10
Also published as: FR2246882A1; CA1013599A; JPS5084253A; NO743512L; AU7384174A; NL7412902A; SE7412408L; NO144861B; NO144861C; JPS5419749U; FR2246882B1; SE401870B; GB1460299A; IT1019467B

Description

PATENTANWÄLTE ^H 4b/ /b

DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS DR.-ING. HANS LEYH

DIPL.-INS ERNST RATHRSANN

München 71,

Melchiorstr. 42

Unser Zeichen: A 13 022

Ferranti Limited Hollinwood, Lancashire England

Polarisator

Die Erfindung betrifft einen Polarisator mit einer Vielzahl von dünnen Schichten aus aufeinanderfolgend unterschiedlichen Materialien, die sich in engem Kontakt befinden und bei denen Licht, das auf die erste Grenzfläche zwischen den dünnen Schichten mit seinem Brewster-Winkel einfällt, sukzessive gebrochene Komponenten erzeugt, die auf alle folgenden Grenzflächen zwischen den dünnen Schichten mit ihrem Brewster-Winkel auftreffen.

Laser mit Q-Schaltung, die von Polarisations-Effekten innerhalb eines Kristalls abhängen, benötigen Polarisatoren, um eine beträchtliche Energie bei einer wirksamen Trennung der Polarisationskomponenten zu übertragen. Polarisatoren mit Doppelbrechung haben zusammengesetzte Prismen aus teuerem Material, z.B. Kalzit. Optischer Zement, der normalerweise benutzt wird, um die einzelnen Teile zu verbinden, ist häufig bei der gewünschten Betriebsenergie nicht stabil, so daß andere Konstruktionsarten erforderlich sind. Ferner sind die verwendeten Materialien absorbierend und ihre Masse

Lh/fi - 2 -

509815/0910

in üblichen Mehrfachprismen reicht aus, um die Betriebsenergie bzw. Arbeitsleistung in unerwünschter Weise zu beschränken.

Polarisatoren, die mit Reflexion und Brechung im Brewster-Winkel arbeiten sind in dem Buch "Thin film optical filters" von H.A. Macleod, veröffentlicht 1969 von Adam Hilger Limited, London, beschrieben. Die Dünnschichten haben ein relativ kleines Volumen, sie sind jedoch zwischen Glasprismen eingebettet und haben dieselben Konstruktionsprobleme. Ferner ist ihre Leistungsfähigkeit relativ niedrig, weil die Reflexion an der Grenzfläche zwischen einem Prisma und der ersten und der letzen Schicht unterdrückt werden muß, weil sie nicht im Brewster-Winkel erfolgt, wenn Brewster-Winkel an den aufeinanderfolgenden Grenzflächen zwischen den dünnen Schichten erreicht werden sollen. Eine derartige Unterdrückung erfordert außerdem besondere Vorsorge, z.B. reflexionsverhindernde überzugsschichten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Polarisator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die vorgenannten Nachteile vermieden oder beseitigt werden.

Gemäß der Erfindung wird dies erreicht durch ein Prisma, das ein Substrat für die dünnen Schichten bildet und sowohl als Eingang für einen Strahl, der aufzuspalten ist, und als Ausgang für den reflektierten polarisierten Strahl dient, und daß dieses Prisma aus einem Material ist, das einen Brewster-Winkel an der Grenzfläche zwischen der ersten dünnen Schicht aufweist, so daß der Strahl an der ersten Grenzfläche im Brewster-Winkel gebrochen wird.

Vorzugsweise werden zwei verschiedene Materialien abwechselnd für die Dünnfilmschichten verwendet und das Prisma besteht aus einer dieser Materialien.

Normalerweise ist ein zweites Prisma am anderen Ende der Dünnfilm-

509815/0910

_t 2A45775

schichten angebracht. Vorzugsweise besteht nun dieses zweite Prisma ebenfalls aus einem der Materialien, die für die Dünnfilmschichten verwendet werden, zweckmäßigerweise aus demselben Material wie das erste Prisma. Vorteilhafterweise werden die Oberflächen so aneinandergedrückt, daß eine molekulare Adhäsion entsteht, wodurch die Verwendung von Klebstoff zur Befestigung des zweiten Prismas an dem Stapel aus den Dünnfilraschichten vermieden wird. Alternativ kann ein Flüssigkeitsfilm zwischen dem zweiten Prisma und dem Stapel aus Dünnfilmschichten vorgesehen werden, wobei die beiden Teile durch einen geeigneten Mantel oder dergleichen verbunden werden, der auch die Flüssigkeit hält. Vorteilhafterweise hat diese Flüssigkeit einen Brechungsindex, der gleich demjenigen des zweiten Prismas ist.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden, nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch im Schnitt einen Dünnfilm-Polarisator zeigt.

Fig. 2 zeigt im Schnitt einen Teil einer weiteren Ausführungsform und

Fig. 3 zeigt schematisch noch eine Ausführungsform, bei der ein polarisierter Ausgangsstrahl entgegengesetzt zur Richtung des Eingangsstrahles entsteht.

In Fig. 1 ist, obwohl es sich um eine Schnittdarstellung handelt, keine Schraffur verwendet worden, um Verwechslungen mit den Linien, die Lichtbahnen darstellen zu vermeiden. Es sind abwechselnd dünne Schichten 11, 13 und 15 eines ersten Materials mit einem Brechungsindex nl dargestellt, zwischen denen dünne Schichten 12 und 14 eines zweiten Materials mit einem anderen Brechungsindex n₂ angeordnet sind. Die Brechungsindizes n^ und n- dieser Materialien sind der Art, daß die Brewster-Winkel für aufeinanderfolgende Grenz-

5098 15/09 10

flächen zwischen den ersten und den zweiten Materialien komplementär sind. Das Licht 20 trifft auf die Schicht 12 von der Schicht 11 aus in dem Brewster-Winkel O₁ bezüglich ihrer Grenzfläche auf und er erzeugt eine plan-polarisierte reflektierte Komponente 21, während der übrige Teil 22 mit einem Brechungswinkel weitergegeben bzw. übertragen wird, der gleich dem Brewster-Winkel θ₂ für eine Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Material ist. Eine vollständig plan-polarisierte reflektierte Komponente 23 steht somit an der nächstfolgenden Grenzfläche, d.h. an der Grenzfläche zu der Schicht 13 des ersten Materials, wobei der übrige Teil des Strahles mit dem Brewster-Winkel Θ. für die nächste Grenzfläche zum zweiten Material gebrochen und übertragen wird. Jede Grenzfläche zwischen den dünnen Schichten 11 bis 15 liefert somit eine reflektierte Komponente, die vollständig plan-polarisiert ist und zwar senkrecht zur Zeichenebene. Wenn eine ausreichende Anzahl von Schichten 11 bis 15 vorhanden ist, wird eine im wesentlichen vollständige Auflösung in orthogonale Polarisations-Komponenten erreicht, wobei der zuletzt übertragene Anteil im wesentlichen vollständig in der Zeichenebene plan-polarisiert ist.

Fig. 1 zeigt ferner ein Eingangsprisma 10 und ein Ausgangsprisma 16, die aus dem zweiten Material mit dem Brechungsindex n₂ bestehen. Die Dünnfilmschichten 11 bis 15 werden auf dem Prisma 10 beispielsweise durch aufeinanderfolgenden Niederschlag aus einer Dampfphase gebildet. Für das zweite Material eignet sich Kieselsäure, da es durch Verdampfung niedergeschlagen werden kann und außerdem in geschmolzenem Zustand zu einem Prisma geformt werden kann. Für das erste Material eignen sich Cer-Dioxid und Zink-Sulfid. Es hat sich gezeigt, daß neun Schichten eine ausreichend vollständige Auflösung eines Eingangsstrahles in orthogonale Polarisations-Komponenten ergeben .

Die Prismen 10 und 16 aus dem zweiten Material sind durch eine ungerade Anzahl von abwechselnden Dünnfilm-Schichten getrennt, beginnend

50981 5/09 1 Π

mit dem ersten Material, so daß ein Eingangsstrahl 30 mit dem Brewster-Winkel Θ- für die Grenzfläche zwischen dem zweiten Material und dem ersten Material eintreten kann. Aus diesem wird die gewünschte gebrochene Komponente 20 und eine reflektierte Komponente 31 erzeugt, die völlig plan-polarisiert ist. Das Prisma 10 ist daher so geformt, daß die Eingangsfläche 32 senkrecht zu einem Strahl mit dem Brewster-Winkel θ~ für die Grenzfläche zu der Schicht 11 ist, während die Ausgangsfläche 33 senkrecht zu der reflektierten Komponente 31 liegt.

Die Bahnen der Lichtstrahlen durch das Prisma 10 und die Schichten 11 bis 14 zeigen, wie die weiteren in gleicher Weise polarisierten reflektierten Komponenten zum Ausgang 35 des Prismas 10 beitragen. Diese Komponenten haben alle im wesentlichen dieselbe Phase wenn die Dicke der Schichten 11 bis 14 sorgfältig in Übereinstimmung mit der Wellenlänge des Lichtes gewählt wird, für das der Polarisator verwendet wird und entsprechend den Brechungsindizes der beiden Materialien. Geeignete Dicken können aus der Formel }\ /4n cosi berechnet werden, in der /\ die Wellenlänge des einfallenden Lichtes, η der Brechungsindex des betreffenden Materiales und i der Brewster-Winkel in dem betreffenden Material ist.

Die Verwendung eines zweiten Prismas 16 aus dem zweiten Material bedeutet, daß eine weitere planpolarisierte reflektierte Komponente verfügbar ist, wenn die Grenzfläche mit der letzten Schicht des ersten Materials iiy optisch zufriedenstellend ist. Diese Komponente ist in Fig. 1 ebenfalls dargestellt. Anstelle der Verwendung eines Klebstoffes, der durch die Energie zerstört werden könnte, die durch den Polarisator übertragen wird, kann das zweite Prisma durch molekulare Adhäsion gehalten werden. Dies kann manuell vorgenommen werden, indem die beiden Teile sorgfältig in einer Flüssigkeit zusammengebracht werden, derart, daß sie bei Verdampfung irgendeines Flüssigkeitsfilmes zwischen ihnen aneinander haften. Die entsprechenden Oberflächen sollten

5 0 9 8 15/0910

hierzu entsprechend eben sein, wobei die Ebenheit innerhalb eines Zehntels einer Lichtwellenlänge liegen sollte. Wenn die Oberfläche des ersten Prismas ausreichend eben ist, so ergibt sich auch bei der aufeinanderfolgenden Niederschlagung der einzelnen Schichten eine ausreichende Ebenheit der Endschicht bzw. Endfläche. Wasser eignet sich für diesen Zweck, obwohl auch andere flüchtigere Flüssigkeiten geeignet sind.

Abgesehen von dem Vorteil, daß die Verwendung eines optischen Klebstoffes, wie das bisher der Fall war, vermieden wird, hat der vorbeschriebene Polarisator auch den Vorteil, daß von den Zwischenflächen zu und von den Dünnfilmschichten 11 und 15 Beiträge zu dem reflektierten Strahl geleistet werden. Dies war bisher nicht der Fall, wo die Prismen 10 und 16 aus Glas waren und die Einfallswinkel für das Licht an der Grenzfläche zwischen dem Glas unddem Material einer Dünnfilmschicht andere waren als der Brewster-Winkel.

Wenn sowohl das erste als auch das zweite Material sich dazu eignet, als Dünnfilm niedergeschlagen zu werden und Prismen herzustellen, kann auch eine gerade Anzahl von Dünnschichten verwendet werden, wobei eines der Prismen 10 oder 16 aus dem ersten Material bestehen kann.

Eine Alternative zu der molekularen Adhäsion zur Befestigung des zweiten Prismas 16 ist in Fig. 2 gezeigt. Gegenüber Fig. 1 ist die Schicht 15 weggelassen worden. Das Prisma 16 ist von der Schicht 14 durch eine ringförmige Scheibe 40 im Abstand gehalten, die aus Glas bestehen kann und der Raum 41 ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, die einen Brechungsindex gleich demjenigen des ersten Materials nj^ hat, so daß sie der Schicht 15 von Fig. 1 äquivalent ist. Ein Bund oder ein Deckstreifen 42 deckt das Ganze nach außen ab.

Hat der Zwischenraum 41 nicht dieselbe Dicke wie die Schicht 15

5 0 9 8 15/0910

nach Fig. 1, so ist die reflektierte Komponente von der Grenzfläche an der Oberfläche 43 des Prismas 16 nicht in Phase mit den anderen Komponenten, die den Ausgangsstrahl 35 bilden. Wenn dies nicht zulässig ist, so kann es verhindert werden, entweder durch Aufhellen (blooming) der Fläche 33 des ersten Prismas 10 oder zweckmäßigerweise indem ein Anti-Reflexions-Überzug auf der Fläche 43 des zweiten Prismas 16 aufgebracht wird. Das zweite Prisma braucht dann auch nicht aus dem ersten oder zweiten Material bestehen. Auch eine solche Ausführungsform hat noch beträchtliche Vorteile gegenüber den bisherigen Einrichtungen, die Glasprismen verwenden, wegen des Einschlusses der reflektierten Komponenten 31 und der Vermeidung eines Klebstoffes.

Wenn die Flüssigkeit im Raum 41 nicht" einen entsprechenden Brechungsindex hat, der demjenigen von einem der Materialien angepaßt ist, kann auf der Außenfläche der Schichten ein Anti-Reflexions-Überzug aufgebracht werden.

Die beiden Prismen können jede gewünschte oder geeignete Form haben, um den gewünschten Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsrichtung des Lichtes, sowie den Richtungen des reflektierten und/oder des durchgelassenen Lichtes zu erreichen.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, in der ein Eingangs- und ein Ausgangsprisma 50 und 51 vorgesehen sind, die durch eine Vielzahl von Dünnfilmschichten 52 getrennt sind, wobei der Eingangs- und der Ausgangsstrahl entgegengesetzt zueinander gerichtet parallel sind.

- 8 509815/09 10

Claims

Patentansprüche

1. Polarisator mit einer Viel2ahl von dünnen Schichten aus aufeinanderfolgend unterschiedlichen Materialien, die in engem Kontakt angeordnet sind und bei denen Licht, das auf die erste Grenzfläche zwischen den Schichten mit seinem Brewster-Winkel fällt, aufeinanderfolgende gebrochene Komponenten erzeugt, die auf alle nachfolgenden Grenzflächen zwischen den Schichten mit ihren Brewster-Winkeln auftreffen, dadurch gekennzeichnet , daß ein Prisma (10) vorgesehen ist, das einen Träger für die dünnen Schichten (11 bis 15) bildet und als Eingang für einen Lichtstrahl (30) und als Ausgang für einen reflektierten polarisierten Lichtstrahl (35) dient, und daß dieses Prisma aus einem Material besteht, das an der Grenzfläche zu der ersten Schicht einen Brewster-Winkel hat, wodurch in dieser ersten Schicht ein im Brewster-Winkel für die erste Grenzfläche gebrochener Strahl entsteht.

2. Polarisator nach Anspruch 1, wobei die dünnen Schichten aus zwei aufeinanderfolgend abwechselnden Materialien (n, und n₂) bestehen, dadurch gekennzeichnet , daß das Prisma (10) aus einem (n₂) der beiden Materialien besteht.

3. Polarisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein zweites Prisma (16) an der gegenüberliegenden Fläche der dünnen Schichten angebracht ist.

4. Polarisator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (16) aus dem einen (n₂) der beiden Materialien besteht.

5. Polarisator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich-

509815/091 0

n e t , daß das Prisma (16) aus demselben Material wie das erste Prisma (10) besteht.

6. Polarisator nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß das zweite Prisma (16) an der letzten Schicht (15) haftet.

7. Polarisator nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß das zweite Prisma (16) an den Schichten mittels eines Flüssigkeitsfilmes (11) befestigt ist, der zwischen dem Prisma und der letzten Dünnfilmschicht angeordnet ist.

8. Polarisator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß äer Flüssigkeitsfilm (41) einen Brechungsindex hat, der im wesentlichen gleich demjenigen des zweiten Prismas (16) ist.

509815/0910

Leerseite