DE3504558C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines optischen Glases für achromatische Verzögerungsplatten elektromagnetischer Wellen.

Durch mechanische Druck- oder Zugspannungen werden isotrope Gläser optisch anisotrop. Bei einachsigen Spannungszuständen ist die optische Achse parallel zur Richtung der Druck- oder Zugspannung. Die Brechzahlen für elektromagnetische Wellen mit Schwingungsrichtung parallel und senkrecht zur Spannungsrich­ tung n _|| bzw. n _⟂ sind in der Regel verschieden. Folglich tritt für diese beiden Polarisationsrichtungen ein Unterschied der optischen Weglänge für elektromagnetische Wellen von (n _||-n _⟂) · L auf, wobei L der geometrische Weg in dem anisotropen Medium ist.

Die Differenz n _||-n _⟂ ist proportional zur mechanischen Spannung σ mit dem spannungsoptischen Koeffizienten K als Proportionali­ tätskonstante

n _||-n _⟂ = K · σ

Dies bedeutet, daß sich die Brechzahldifferenz n _||-n _⟂ für die beiden Schwingungsrichtungen elektromagnetischer Wellen durch Wahl eines geeigneten Wertes der Druck- oder Zugspannung ein­ stellen bzw. verändern läßt. Gläser unter solch einem einachsigen Spannungszustand lassen sich für den Bau von Verzögerungs­ platten verwenden (P 34 38 607.6). Die Wirkungsweise solch einer Verzögerungsplatte sei an Hand von Abb. 1 erläutert: In einer planparallelen Platte P 1 wird ein einachsiger Spannungszustand durch eine Druckspannung σ erzeugt. Eine elektromagnetische Welle mit einer Schwingungsrichtung, die um 45° gegen die Span­ nungsrichtung geneigt ist, dringt senkrecht zur Spannungsrich­ tung und senkrecht zu zwei planparallelen Stirnflächen in die Platte ein. Die elektromagnetische Welle kann man in zwei Teil­ wellen mit Schwingungsrichtung parallel und senkrecht zur Span­ nungsrichtung zerlegen. Vor Eintritt der elektromagnetischen Welle in die Glasplatte ist zwischen den beiden Teilwellen kein Phasenunterschied, so daß man durch Überlagerung der beiden Teil­ wellen wieder auf die ursprüngliche Schwingungsrichtung der elek­ tromagnetischen Welle kommt. In der unter der mechanischen Span­ nung σ stehenden Platte gibt es aber auf Grund der Brechzahldif­ ferenz n _||-n _⟂ einen Phasenunterschied zwischen den beiden Teil­ wellen, der mit wachsendem Weg in der Platte zunimmt. Hat die Platte die Dicke L, so ist der optische Wegunterschied, wenn beide Teilwellen die Platte verlassen:

(n _||-n _⟂) · L = K · σ · L

Diesem optischen Wegunterschied entspricht die Phasendifferenz

zwischen den Teilwellen.

Bei vielen Materialien ist der spannungsoptische Koeffizient K im sichtbaren Spektralbereich nahezu unabhängig von der Wellen­ länge λ der elektromagnetischen Strahlung. Daher hängt die Phasen­ differenz Δϕ bei konstanter Spannung s und konstanter Dicke L der Platte von der Wellenlänge λ ab. Um eine gewünschte Phasen­ verzögerung zwischen den elektromagnetischen Teilwellen zu er­ halten, muß man für unterschiedliche Wellenlängen jeweils die Dicke L der Platte oder die mechanische Spannung δ neu vorgeben. Eine bestimmte Phasendifferenz gleichzeitig für mehrere unter­ schiedliche Wellenlängen einzustellen, ist in diesem Falle sogar unmöglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zusammensetzungsbereich für ein optisches Glas zu finden, für das in dem Transmissionsbereich zwischen 360 und 5300 nm der spannungsoptische Koeffizient K in bestimmten Wellenlängenbereichen mit einer Abweichung von weniger als ±6% proportional zur Wellenlänge λ ist.

Diese Aufgabe wird durch Verwendung eines Glases mit folgen­ der Zusammensetzung in Gew.-% auf Oxidbasis gelöst:

PbO60-76% SiO₂15-30% B₂O₃ 0-12% GeO₂ 0- 5% P₂O₅ 0- 5% Li₂O+Na₂O+K₂O+Rb₂O+Cs₂O 0- 6% MgO+CaO+SrO 0- 8% BaO 0-10% Oxide der Seltenen Erden 0- 3% Al₃O₃ 0- 6% TiO₂+ZrO₂ 0- 5% ZnO 0- 4% CdO 0- 2% As₂O₃ + Sb₂O₃ 0- 3%

Setzt man die erfindungsgemäß zu verwendenden Gläser unter eine mechanische Spannung, so lassen sich achromatische Verzögerungs­ platten herstellen.

Solch ein erfindungsgemäßes Glas hat z. B. die Zusammensetzung in Gew.-% und auf Oxidbasis (Beispiel 1)

PbO71,0% SiO₂27,3% Na₂O+K₂O 1,5% As₂O₃ 0,2%

Aus dem erfindungsgemäß zu verwendenden Glas wurde eine planparallele Platte geschnitten und unter solch eine mechanische Druckspannung ge­ setzt, daß sich für λ = 496 nm ein Phasenunterschied von f/2 für die beiden Teilwellen mit Schwingungsrichtung senkrecht und parallel zur Spannungsrichtung ergab (λ/4-Platte). Bei einer Verzögerung um π/2 wird aus der unter einem Winkel von 45° zur optischen Achse einfallenden, linear polarisierten elek­ tromagnetischen Welle eine zirkular polarisierte Welle. Ein Analysator hinter der Verzögerungsplatte läßt dann unabhängig von seiner Orientierung nur die Hälfte der relativen Intensität der elektromagnetischen Welle durch. An Hand der durchgezo­ genen Kurve in Fig. 2 erkennt man, daß im Wellenlängenintervall zwischen 472 und 672 nm die Intensität tatsächlich auf die Hälfte der ursprünglichen Intensität mit einer Fehlergrenze von ±3% vom Vollausschlag abgesunken ist.

Zum Vergleich ist in Abb. 2 gestrichelt auch die relative Inten­ sität von linear polarisierten elektromagnetischen Wellen nach dem Durchschnitt von sowohl einer Verzögerungsplatte, die nicht die Eigenschaft der Achromasie besitzt, als auch eines dahinter geschalteten Analysators eingezeichnet. In diesem Falle ist das Wellenlängenintervall, in dem die durchgelassene Intensität auf die Hälfte reduziert ist, d. h. die Verzögerung zwischen den beiden Teilwellen λ/2 beträgt, recht klein. Es geht in diesem - allerdings typischen - Beispiel einer kommerziellen Verzögerungsplatte nur von 476 bis 516 nm.

Durch Wahl einer höheren (niedrigeren) Konzentration an PbO läßt sich das Intervall, in dem die Achromasie-Eigenschaft sehr gut erfüllt ist, zu längeren (kürzeren) Wellenlängen hin ver­ schieben. In diesem Falle werden die Wellenlängenintervalle, in denen die Verzögerungsplatten achromatisch sind, größer (ein wenig kleiner). Die Zusammensetzung eines erfindungsgemäß zu verwendenden Glases, das im Vergleich zu Beispiel 1 eine geringere PbO-Konzentration aufweist, lautet in Masse-% auf Oxidbasis:

PbO68,6% SiO₂24,7% B₂O₃ 2,4% Al₂O₃ 0,4% K₂O 1,2% Na₂O 1,0% NaCl 1,0% As₂O₃ 0,5% Sb₂O₃ 0,2%

Für dieses erfindungsgemäß zu verwendende Glas ist der spannungsoptische Koeffizient K zwischen 400 und 600 nm proportional zur Wellen­ länge mit einer Abweichung von höchstens 6%.

Ersetzt man in den erfindungsgemäß verwendbaren Bleisilikatgläsern PbO ganz oder teilweise durch einen bestimmten Tl₂O- oder Bi₂O₃- Gehalt, so zeigen diese Gläser ebenfalls die beanspruchten Eigenschaften, d. h. der spannungsoptische Koeffizient im Wel­ lenlängenbereich zwischen 360 nm und 5300 nm für ein Wellen­ längenintervall von mehr als 200 nm ist proportional zur Wel­ lenlänge mit einer Abweichung von weniger als ±6%. In diesen erfindungs­ gemäß tauglichen Gläsern muß die Menge an PbO in Mol-% jeweils ungefähr durch die Hälfte der gleichen Menge in Mol-% an Tl₂O oder Bi₂O₃ er­ setzt werden.

Blei-, Thallium- und Wismutsilicatgläser in dem angegebenen Zusammensetzungsbereich besitzen für zwei vorgegebene Wellen­ längen λ₁ und λ₂ aus dem Wellenlängenintervall zwischen 360 nm und 5300 nm spannungsoptische Koeffizienten, deren Beträge das gleiche Teilungsverhältnis haben wie die zugehörigen Wellen­ längen λ₁ und λ₂.

Aus den oben genannten, erfindungsgemäß verwendbaren Gläsern können Verzögerungsplatten hergestellt werden, die für jeweils zwei unterschiedliche Wellen­ längen elektromagnetischer Strahlung gleiche Verzögerung, ge­ messen im Vielfachen der jeweiligen Wellenlänge, besitzen.

Die aus den erfindungsgemäß verwendbaren Gläsern hergestellten Verzögerungs­ platten, die nur für ein festes Wellenlängenintervall achroma­ tisch sind, kann man mit anderen Verzögerungsplatten, die nicht achromatisch zu sein brauchen, so kombinieren, daß die Eigen­ schaft der Achromasie in ein anderes Wellenlängenintervall hin­ übergeschoben wird.

Claims (3)

1. Verwendung eines Glases mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% auf Oxidbasis PbO60-76% SiO₂15-30% B₂O₃ 0-12% GeO₂ 0- 5% P₂O₅ 0- 5% Li₂O+Na₂O+K₂O+Rb₂O+Cs₂O 0- 6% MgO+CaO+SrO 0- 8% BaO 0-10% Oxide der Seltenen Erden 0- 3% Al₂O₃ 0- 6% TiO₂+ZrO₂ 0- 5% ZnO 0- 4% CdO 0- 2% As₂O₃+Sb₂O₃ 0- 3%wobei außerdem nicht explizit aufgeführte Oxide bis zu insgesamt 2% enthalten sein können und bis zu 2% der Oxide durch ent­ sprechende Halogenide und/oder Chalkogenide und/oder Nitride ersetzt sein können, alleine oder in Kombination mit anderen Materialien zum Bau von achromatischen Verzögerungsplatten elektromagnetischer Wellen.

2. Verwendung eines Glases mit der in Anspruch 1 genannten Zusammensetzung, wobei dieses Glas durch den PbO-Gehalt ein Teilungsverhältnis der Beträge der spannungsoptischen Koeffi­ zienten K₁ ( λ₁) und K₂ ( λ₂) gleich dem der Wellenlänge λ₁ und λ₂ aus dem Wellenlängenintervall zwischen 360 nm und 5300 nm besitzt, zur Herstellung von Verzögerungsplatten, die für jeweils zwei unterschiedliche Wellenlängen elektromagneti­ scher Strahlung gleiche Verzögerung, gemessen im Vielfachen der jeweiligen Wellenlänge, besitzen.

3. Verwendung eines Glases mit der in Anspruch 1 genannten Zusammensetzung, in welchem durch zumindest teilweisen Ersatz von PbO durch Tl₂O oder Bi₂O₃, wobei die Menge an PbO in Mol-% jeweils ungefähr durch die Hälfte der gleichen Menge in Mol-% an Tl₂O oder Bi₂O₃ ersetzt ist, durch den Gehalt an PbO und/oder Tl₂O und/oder Bi₂O₃ das Teilungsverhältnis der Beträge der spannungsoptischen Koeffizienten K₁ ( λ₁) und K₂ ( g₂) so eingestellt ist, daß die Beträge das gleiche Teilungsver­ hältnis wie die Wellenlängen λ₁ und λ₂ aus dem Wellenlängen­ intervall zwischen 360 nm und 5300 nm besitzen zur Herstellung von Verzögerungsplatten, die für jeweils zwei unterschiedliche Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung gleiche Verzögerung, gemessen im Vielfachen der jeweiligen Wellenlängen besitzen.