DE4311564C2 - Doppelbrechendes optisches Bauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein doppelbrechendes optisches Bauteil gemäß der Gallung der Patentansprüche.

Zur Herstellung von Lambda-(λ/4-,λ/2-)verzögerungsplatten (Newport- Katalog 1990 der Newport GmbH, Darmstadt, DE, S. N20 bis N23) wird aus einem doppelbrechenden Kristall (Quarz) durch Schleifen oder Polieren eine dünne Platte so herausgearbeitet, daß in ihr die beiden den unterschiedlichen Brechzahlen entsprechenden Ausbreitungsgeschwindig­ keiten des Lichtes zu einer Drehung der Polarisationsebene des Lichtes führen. Durch geeignete Wahl der Plattendicke erhält man die gewünschten Verzögerungen in den Phasenbeziehungen des Lichtes im ordentlichen und außerordentlichen Lichtstrahl, wenn die Verzögerungsplatte im wesentlichen rechtwinklig zum einfallenden Licht angeordnet ist. Durch eine geeignete Stellung der Kristallachsen wird die gewünschte Drehung der Polarisationsebene erreicht, die bspw. bei der Herstellung von optischen Isolatoren Anwendung findet. Da die Herstellung der Phasenplatten an eine aufwendige und komplizierte Technologie gebunden ist, werden doppelbrechende Kristalle (Quarz, Glimmer) mit kleiner Brechzahldifferenz zwischen dem ordentlichen und außerordentlichen Strahl verwendet, damit sie eine für die Bearbeitung noch zugängliche Dicke aufweisen.

Außerdem ist es bekannt, dünne interferenzoptische Schichten im Vakuum zu kondensieren, die der Verspiegelung oder Entspiegelung, der Strahlenteilung, der optischen Filterung, der Herstellung eines Polarisationszustandes oder der Auslöschung einer Komponente bzw. Schwingungsrichtung des benutzten Lichtes dienen, siehe JP 62-148 906 (A) und Ztschr. Appl. Optics, Vol. 28, No 13 (1. July 1989), S. 2466-2482. Besonders im letzten Fall geht es um die gezielte Herstellung von Phasenbeziehungen zwischen zwei Polarisationsebenen. Die Brechzahlen der dünnen, durch Kondensation erzeugten quasiamorphen Schichten sind jedoch sehr stark von den Herstellungsbedingungen abhängig. Abgesehen davon, daß die gemäß o.a. Ztschr. Appl. Optics erzeugten Schichten zu dünn sind, als das sie technisch verwertbar wären, sind sie infolge des gewählten Aufdampfverfahrens keilig gestaltet. Durch kontinuierliches Drehen des Schichtträgers in seiner Ebene läßt sich zwar die Keilform der Schicht beseitigen, jedoch verliert sie dann die in Aufwachsrichtung gerichtete faser- oder stäbchenartige Struktur, die auch im Hinblick auf Brockhaus abc Physik, VEB F.A. Brockhausverlag Leipzig, 1972, S, 276, rechte Spalte 2. Abs. notwendige Voraussetzung für die Doppelbrechung ist.

Die AT-PS 238967 offenbart ein Polarisationsprisma mit einem doppelbrechenden Film in seiner Diagonalfläche, der eine erhebliche Dicke aufweisen muß, um eine technisch wirkungsvolle Doppelbrechung zu erzeugen und dadurch in seiner Wirkungsweise sehr temperatur- und spannungsabhängig ist.

In der JP 62-148906 (A) ist ein Strahlenteiler mit einer Folge von TiO₂- und SiO₂-Schichten zwischen zwei Prismen angeordnet, die zwar eine verbesserte Durchlässigkeit aber keine doppelbrechende Wirkung zeigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Beschichtung ein doppelbrechendes Bauteil zu schaffen, dessen doppelbrechende Wirkung technisch hinreichend und verwertbar groß ist und das insbesondere temperaturabhängige Verfälschungen der Doppelbrechung vermeidet.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des ersten Patentanspruch gelöst. Die beim Beschichtungsprozeß entstehende Struktur in der dünnen optischen Schicht wird vom einfällenden Licht unter einem von 0° und 90° verschiedenen Einfallswinkel getroffen und infolge der zur Einfallsebene geneigten und zu drehenden Polarisa­ tionsebene eine systematische und reproduzierbare Doppelbrechung erzeugt. Wird das erfindungsgemäße doppelbrechende optische Bauteil unter einem von 0° verschiedenen Einfallswinkel vom Licht getroffen und schließt die zu drehende Polarisationsebene mit der Einfallsebene einen Winkel von 0° oder 90° ein, so schwingt der parallel zur Schichtoberfläche orientierte elektrische Vektor (der rechtwinklig zur Einfallsebene des Lichtes gerichtet ist) nach der oben angedeuteten Modellvorstellung quer zu allen Schichtfasern, während der dazu rechtwinklig orientierte elektrische Vektor (der in der Einfallsebene des Lichtes liegt) parallel zu den Schichtfasern schwingt. In jeder der beiden Polarisationsrichtungen findet das Licht eine einheitliche Struktur vor; eine Doppelbrechung tritt in jedem dieser Fälle nicht ein. Fällt hingegen das polarisierte Licht so ein, daß seine Schwingungsebene nicht mit einer der beiden Strukturorientierungen zusammenfällt, so tritt eine Drehung der Polarisationsebene in der optischen Schicht auf, weil die Schichtstrukturen parallel und senkrecht zur Faserrichtung unterschiedliche Brechzahlen haben, wobei die Drehung der Polarisationsebene am größten ist, wenn die Schwingungsebene des einfallenden Lichtes um 45° gegen die Einfallsebene gedreht ist.

Das Schichtsstem ist vorteilhaft in einer Diagonalfläche eines Glasquaders angeordnet.

Zur Erzeugung einer ausreichenden Drehung der Polarisationsebene, zur Vermeidung von großen Schichtdicken, die die Gefahr von inneren Spannungen mit sich bringen, und zur Ausschaltung von Intensitätsschwankungen des Lichtes infolge von Ungenauigkeiten in der Schichtdicke des Schichtsystems sind die optisch doppelbrechenden Schichten mit anderen dielektrischen Schichten derart kombiniert, daß die verschiedenartigen Schichten jeweils aufeinanderfolgen. Es wird also das zunächst aus einer massiven doppelbrechenden Schicht gedachte Schichtsystem in Einzelschichten zerlegt und jede dieser Einzelschichten mit einer weiteren dielektrischen Hilfsschicht zusammengebracht, so daß eine abwechselnd aus doppelbrechenden Schichten und Hilfsschichten bestehende Schichtfolge zustande kommt. Die Hilfsschichten haben zwei Funktionen: Einmal dienen sie der deutlichen Reduzierung oder Vermeidung mechanischer Spannungen des gesamten Schichtsystems; zum anderen sollen sie möglichst viel Licht passieren lassen; hierzu wird ihre optische Schichtdicke ebenso wie die Schichtdicke der aktiven, doppelbrechenden Schicht immer so festgelegt, daß sie bei vorgegebenem Einfallswinkel gleich der halben Wellenlänge oder einem Vielfachen der halben Wellenlänge des einfallenden (monochromatischen) Lichtes ist. Solche λ/2-Wechselschichtsysteme können mehrfach hintereinander­ geschaltet werden, indem Glas- oder Kittschichten zwischen ihnen angeordnet werden. Durch diese Stapelung kann die Verzögerung nahezu beliebig genau vorgenommen werden, weil die Drehung der Polarisationsebene je λ/2-Schicht im Bereich von wenigen Grad liegt. Es läßt sich leicht zeigen, daß die Drehung der Polarisationsebene am größten ist, wenn der Drehwinkel zwischen der Schwingungsebene und der Einfallsebene 45° beträgt.

Das oben angegebene Faserstrukturmodell bietet eine mögliche Veranschaulichung des Effekts zum Verständnis der Erfindung. Allgemein genügt die Existenz zweier verschiedener Struktur­ orientierungen in den Schichten, und zwar eine senkrecht und die andere parallel zur Oberfläche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Querschnitt eines Glasquaders und

Fig. 2 einen Ausschnitt A aus dem Querschnitt gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 sind sieben durch Striche markierte, zueinander parallele Dünnschichtsysteme 1 bis 7 in der Diagonalfläche eines Glasquaders 8, 9 angeordnet, dessen Brechzahl 1,52 beträgt. Die Schichtsysteme 1 bis 7 sind durch optische Kittschichten 10 bis 15 voneinander getrennt, wobei die Brechzahl des verwendeten optischen Kitts gleich der des Glases ist. Der Einfallswinkel a eines Lichtstrahlenbündels 17 beträgt 55°.

In Fig. 2 läßt der Ausschnitt A deutlich erkennen, daß jedes der Schichtsysteme 1 bis 7 vier doppelbrechende, aus TiO₂ bestehende dünne Schichten 20 und drei Hilfsschichten 21 aus SiO₂ enthält, die einander abwechseln. Zwischen den Schichtsystemen 1 bis 7 sind die Kittschichten 12, 13, 14 vorgesehen. Der einfallende Lichtstrahl ist wieder mit 17 bezeichnet. Für das unter dem Winkel α einfallende Licht der Wellenlänge λ gilt für jede Schicht die Bedingung, daß die optische Dicke n · d =k · λ/2 sein muß, wobei n die Brechzahl, d die Dicke der Einzelschicht und k ein ganzzahliger Faktor ist.

Claims (5)

1. Doppelbrechendes optisches Bauteil, bei dem sich auf einem lichtdurchlässigen Träger alternierend doppelbrechende und nicht-doppelbrechende dielektrische optische Schichten befinden, die vom einfallenden Lichtbündel unter einem von 0° verschiedenen Winkel getroffen werden, wobei jede doppelbrechende Schicht in schichthorizontaler und schichtvertikaler Richtung unterschiedliche Brechzahlen aufweist und die Einfallsebene mit der Polarisationsebene des Lichtbündels einen zwischen 0° und 90° liegenden Winkel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere doppelbrechende und nicht-doppelbrechende dielektrische optische Schichten jeweils zu einem Schichtsystem zusammengefaßt sind, daß die Schichtsysteme zueinander parallel angeordnet sind und daß sich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichtsystemen jeweils eine Schicht eines optischen Mediums befindet, dessen Brechzahl der Brechzahl des lichtdurchlässigen Trägers entspricht.

2. Doppelbrechendes optisches Bauteil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger als Glasquader ausgebildet ist und die Schichtsysteme parallel zu einer Diagonalfläche des Glasquaders angeordnet sind.

3. Doppelbrechendes optisches Bauteil gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken der Schichtsysteme ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge desjenigen Lichtes betragen, das auf die Schichtsysteme trifft.

4. Doppelbrechendes optisches Bauteil gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechende Schicht aus TiO₂ besteht.

5. Doppelbrechendes optisches Bauteil gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren dielektrischen Schichten aus SiO₂ bestehen.