DE68918012T2 - Doppelbrechender Gitterpolarisator. - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Diese Erfindung betrifft einen doppelbrechenden Gitterpolarisator. Ein derartiger Polarisator kann für viele optische Instrumente, die eine LASER- Diode verwenden, nützlich sein.
Hintergrund der Erfindung
• Ein Polarisationselement insbesondere ein polarisierender Strahlteiler, ist ein Element, bei dem speziell polarisiertes Licht erhalten wird, indem die Lichtausbreitungsrichtung zwischen polarisierten Lichtstrahlen, die senkrecht zueinander sind, geändert wird. Ein derartiges Element wird als Bestandteil zum Aufbau einer optischen Einwegleitung oder eines optischen Zirkulators in einem Lichtquellenmodul für ein Lichtleiter-Übertragungssystem, einen optischen Kopf für eine optische Platte, usw. verwendet.
• Ein herkömmlicher polarisierender Strahlteiler, wie etwa ein Glan- Thompson-Prisma oder Rochon-Prisma, ist ein Element, bei dem beruhend auf der Differenz zwischen den Brechungswinkeln oder den Totalreflexionswinkeln zweier orthogonal polarisierter Lichtkomponenten ein Licht weg an der Reflexionsebene eines Kristalls mit großer Doppelbrechung aufgespalten wird, oder ein Element, bei dem Licht entsprechend der Differenz der Brechungsindices polarisierten Lichts in einem dielektrischen mehrschichtigen Film, der an der Reflexionsebene eines aus einem isotropen optischen Medium wie etwa Glas bestehenden Totalreflexionsprismas ausgebildet ist, totalreflektiert oder durchgelassen wird.
• Bei einem derartigen herkömmlichen Polarisationselement gibt es jedoch den Nachteil, daß die Abmessung groß ist, da die Konfiguration einen Würfel mit einer Seitenlänge von 2 mal dem Durchmesser eines durchgelassenen Lichtstrahls darstellt. Dies liegt daran, daß das herkömmliche Polarisationselement eine Reflexionsgrenzfläche besitzt, die mit einer Neigung von mindestens 45 Grad bezüglich der Lichtachse positioniert ist. Genauer ausgedrückt, wo das herkömmliche Polarisationselement auf eine optische Platte zur Aufzeichnung und Wiedergabe angewendet wird, ist der durchgelassene Lichtstrahl groß, so daß die Konfiguration einen Würfel mit einer Seite von 8 bis 10 mm darstellt.
• Ein anderer Typ eines bekannten Polarisationselement wird in "National conference record, 1982, Optical & Radio wave Electronics, the Institute of Electronics & Communication Engineers of Japan, Part 2" beschrieben. Dieses bekannte Polarisationselement besteht aus einer doppelbrechenden, spitz zulaufenden Platte aus Rutil (TiO&sub2;) mit einem spitzen Winkel von 4 Grad. Wenn ein paralleler Lichtstrahl auf der einen Seite der doppelbrechenden, spitz zulaufenden Platte einfällt, wird der parallele Lichtstrahl unterschiedlichen Brechungen unterworfen, wie zwischen der außerordentlichen Strahlkomponente und der ordentlichen Strahlkomponente, so daß die beiden Komponenten auf der anderen Seite der doppelbrechenden, spitz zulaufenden Platte mit einem Aufspaltungswinkel von etwa 1 Grad aufgespalten sind.
• Bei der doppelbrechenden, spitz zulaufenden Platte gibt es jedoch den Nachteil, daß das Herstellungsverfahren kompliziert ist, da das Schneiden einer spitz zulaufenden Konfiguration auf Serienproduktionsbasis schwierig ist, und es ebenfalls schwierig ist, das Polieren einer spitz zulaufenden Oberfläche durchzuführen. Es gibt einen weiteren Nachteil darin, daß Rutil teuer ist.
• Die Japanische Patentveröffentlichung JP-A-63-55501, auf der die Patentansprüche der vorliegenden Veröffentlichung basieren, beschreibt eine Gitterpolarisationsplatte, die ein dünnes und kleines Polarisationselement vorsieht. Die beschriebene Platte weist eine Lithiumniobat-Kristallplatte mit verlängerten Ionenaustauschbereichen auf, die periodisch auf ihrer Hauptfläche ausgebildet sind. Es wird behauptet, daß der Brechungsindex der Platte für ordentliche Strahlen in den Ionenaustauschbereichen nicht geändert wird, aber daß der Brechungsindex für außerordentliche Strahlen um etwa 0.13 erhöht wird.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die Erfindung stellt einen doppelbrechenden Gitterpolarisator bereit, wie er in dem angehängten unabhängigen Patentanspruch bestimmt ist. Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Unteransprüchen bestimmt.
• Wenn eine Antireflexionsschicht gleichförmiger Dicke auf die gesamte Oberfläche des in JP-A-63-55501 beschriebenen, bekannten Polarisators aufgebracht werden würde, wäre er sowohl in den ionenausgetauschten als auch in den nichtionenausgetauschten Bereichen ineffizient, da sich ihre Brechungsindices unterscheiden. Gemäß der Erfindung werden deshalb dielektrische Schichten mit einem Brechungsindex, der dem des Kristallsubstrats annähernd gleich oder gleich ist, über den ionenausgetauschten Bereichen vorgesehen, so daß auf der gesamten Oberfläche des Polarisators eine wirksame Antireflexionsschicht gleichförmiger Dicke aufgebracht werden kann.
• Ferner ist bei dem Polarisator gemäß der Erfindung unerwartet erkannt worden, daß im Gegensatz zu der bekannten Lehre, wie im Dokument JP-A-63-5550 1 veranschaulicht, der Brechungsindex des Kristallsubstrats für den ordentlichen Strahl tatsächlich durch ionenausgetauschte Bereiche verändert wird. Als Folge davon werden ordentliche Strahlen durch einen bekannten Polarisator, wie in JP-A-63-55501 beschrieben, nicht wie gewünscht gebeugt. Wie in den angehängten Patentansprüchen festgelegt ist, werden deshalb dielektrische Schichten über den ionenausgetauschten Bereichen vorgesehen, die die Änderung des Brechungsindex für den ordentlichen Strahl vorteilhaft kompensieren können, um die Beugung des ordentlichen Strahls zu verringern, wie nachstehend mit Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführung der Erfindung beschrieben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung wird detaillierter in Verbindung mit den angehängten Zeichnungen beispielhaft beschrieben werden; es zeigen:
• Figur 1 eine Querschnittsansicht, die einen doppelbrechenden Gitterpolarisator bei einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
• Figur 2 eine perspektivische Ansicht des Polarisators aus Figur 1.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• Vor der Beschreibung eines erfindungsgemäßen doppelbrechenden Gitterpolarisators wird das Funktionsprinzip kurz erläutert werden.
• Bei einem Polarisator, der von der Erfindung Gebrauch macht, ist die Reflexion zwischen dem Kristallsubstrat und dem dielektrischen Film vernachlässigbar, da der dielektrische Film einen Brechungsindex besitzt, der dem des Kristallsubstrats annähernd gleich ist, wie vorstehend für einen doppelbrechenden Gitterpolarisator beschrieben worden ist. Deshalb ist die Oberfläche des Polarisators der Oberfläche einer einzigen Substanz optisch äquivalent. Demgemäß kann eine Antireflexionsschicht durch einfache Ablagerung einer herkömmlichen Antireflexionsschicht gleichförmiger Dicke auf dem Kristallsubstrat vorgesehen werden. Dies vereinfacht bedeutend das Herstellungsverfahren des Anbringens der Antireflexionsschicht. Überdies ist der Phasenzustand des Beugungsgitters frei von Störung, da die Dicke der Antireflexionsschicht gleichförmig ist, so daß die Abnahme des Extinktionsverhältnisses und die Zunahme des Beugungsveriustes, der üblicherweise von dem Vorhandensein einer Antireflexionsschicht herrührt, vermieden werden kann.
• Ein doppelbrechender Gitterpolarisator bei der Ausführungsform gemäß der Erfindung wird jetzt mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 erläutert werden. Ein Kristallsubstrat 1 mit einer optischen Anisotropie wird bei dieser Ausführungsform durch eine in Y-Richtung geschnittene Bahn aus Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) ausgebildet. Eine Reihe protonenausgetauschter Bereiche 2 wird gleichmäßig oder periodisch auf dem Substrat 1 vorgesehen. Auf diesen protonenausgetauschten Bereichen 2 sind dielektrische Filme 3 ausgebildet, von denen jeder einen Brechungsindex besitzt, der gleich oder im wesentlichen gleich dem des Substrats 1 ist, wodurch ein optisches Beugungsgitter gebildet wird. Dielektrische Substanzen mit derartigen Brechungsindices sind beispielhaft durch Lithiumniobat (LiNbO&sub3;), Niobpentoxid (N&sub2;O&sub5;), Zirkondioxid (ZrO&sub2;), Zinksulfid (ZnS), Titandioxid (TiO&sub2;), Cerdioxid (CeO&sub2;), Tantalpentoxid (Ta&sub2;O&sub5;) und Tellurdioxid (TeO&sub2;) gegeben. Ein Antireflexionsfilm 4 gleichförmiger Dicke ist auf dem Substrat 1 und auf den dielektrischen Filmen 3 vorgesehen. Dieser Antireflexionsfilm 4 besteht aus einem Material mit einem Brechungsindex, der annähernd gleich der Quadratwurzel des Brechungsindex des Substrats 1 ist, und besitzt eine gleichförmige Dicke, deren Abmessung gleich einer Lichtwellenlänge dividiert durch den vierfachen Brechungsindex des Antireflexionsfilms 4 ist.
• Ein Material mit einem derartigen Brechungsindex ist zum Beispiel aus der Gruppe Siliziumdioxid (SiO&sub2;), Calciumfluorid (CaF&sub2;), Aluminiumfluorid (AlF&sub3;), Lanthanfluorid (LaF&sub3;), Strontiumfluorid (SrF&sub2;) und Magnesiumfluorid (MgF&sub2;) ausgewählt. Der Antireflexionsfilm 4 mit einem derartigen Brechungsindex verringert den Reflexionsgrad zwischen dem Substrat 1 und der Luft auf "Null", wobei die Reflexion auf Abschnitten ohne die dielektrische Schicht 3 verhindert wird. Ferner wird die an den Grenzen zwischen dem Substrat 1 und der dielektrischen Schicht 3 bewirkte Reflexion auf nahezu "Null" verringert, da ihre Brechungsindices einander nahezu gleich sind, und die Reflexion zwischen dem dielektrischen Film 3 und der Luft wird in Anwesenheit der Antireflexionsschicht 4, die zwischen dem Substrat 1 und der Luft vorgesehen ist, auf nahezu "Null" verringert. Deshalb werden durch einfache Ablagerung des Antireflexionsfilms 4 gleichförmiger Dicke die Reflexionen auf den beiden verschiedenen Substanzen des aus dem Substrat 1 und dem dielektrischen Film 3 bestehenden Polarisators gleichzeitig verhindert. Dieser Antireflexionsfilm 4 kann aus Mehrfachschichten bestehen, die eine äquivalente Phasenverschiebung erzeugen. In dem Fall, wenn die Oberfläche des Gitters mit einem von Luft verschiedenen äußeren Material in Kontakt steht, kann der Brechungsindex des Antireflexionsfilms 4 annähernd gleich der Quadratwurzel des Produkts aus dem Brechungsindex des äußeren Materials und dem des Substrats 1 sein.
• In Figur 2 wird einfallendes Licht 10 zirkularer Polarisation in einen Beugungslichtstrahl nullter Ordnung 11 einer Polarisation entlang der x- Achse und in Beugungsstrahlen der Ordnung plus 12 und minus 13 einer zu der Polarisation des Lichtstrahls nullter Ordnung 11 senkrecht stehenden Polarisation aufgespalten.
• Die Intensität des Beugungslichtstrahls nullter Ordnung 11 dieses Beugungsgitters ist durch die Funktion
• cos² [nTp + (nd - 1)Td] / λ
• gegeben, wobei λ eine Lichtwellenlänge darstellt, n die durch den Protonenaustausch bewirkte Änderung des Brechungsindex darstellt, Tp die Tiefe der protonenausgetauschten Bereiche 2 darstellt, nd den Brechungsindex des dielektrischen Films 3 darstellt und Td die Dicke des dielektrischen Films 3 darstellt. Unter der Annahme, daß die Lichtwellenlänge 1.3 um beträgt, ist der Brechungsindex des Substrats 1 aus Lithiumniobat etwa 2.2 und die Änderung des Brechungsindex in den protonenausgetauschten Bereichen aufgrund des Protonenaustauschprozesses beträgt für den außerordentlichen Strahl etwa +0.10 und für den ordentlichen Strahl etwa -0.04. Deshalb beträgt die Tiefe der Protonenaustauschbereiche 2 etwa 4.2 um und die Dicke des dielektrischen Films 3 etwa 0.16 um, wobei Niobpentoxid (Nb&sub2;O&sub5;) mit einem Brechungsindex von etwa 2.2 für die dielektrische Schicht 3 verwendet wird, so daß die Intensität des Beugungslichtstrahls nullter Ordnung 11 dieses Gitters für den außerordentlichen Strahl "0" und für den ordentlichen Strahl "1" sein kann, wobei das Gitter als ein Polarisator wirkt. Wenn eine SiO&sub2;-Schicht mit einem Brechungsindex von 1.45 als Antireflexionsschicht 4 verwendet wird, sollte die Dicke der SiO&sub2;-Schicht etwa 2200 Å betragen.
• Die protonenausgetauschten Bereiche 2 von 4.6 um Tiefe können durch Eintauchen des Lithiumniobatsubstrats 1 in verflüssigte Benzoesäure, zum Beispiel viereinhalb Stunden lang bei 250 ºC, vorgesehen werden. Der Nioboxidfilm 3 von etwa 0.16 um Dicke kann durch Sputtern von einem Nb&sub2;O&sub5;-Target oder durch Reaktionssputtern von einem Nb-Target in einer Sauerstoffumgebung vorgesehen werden. Die SiO&sub2;-Schicht 4 von 2200 Å Dicke kann durch normales Sputtern vorgesehen werden.
• Ein Beugungswinkel ist der Teilung des Beugungsgitters nahezu umgekehrt proportional. Folglich wird die Teilung des Beugungsgitters so bestimmt, daß ein Beugungswinkel größer ist als der, der zum Trennen des gebeugten Lichts von dem ungebeugten Licht benötigt wird. Zum Beispiel beträgt der Beugungswinkel jeweils 0.740 für eine Teilung von 100 um und ist 7.5º für eine Teilung von 10 um, wenn die We1lenlänge 1.3 um beträgt.
• Auf diese Weise kann ein Polarisator erhalten werden, der dünn ist und einen geringen Preis besitzt, da er aus einem dünnen, bahnförmigen Lithiumniobatkristall in großer Menge in einer Fertigungsreihe hergestellt werden kann. Somit besitzt der veranschaulichte doppelbrechende Gitterpolarisator die Vorteile, daß er klein gemacht werden kann und geringe Materialkosten aufweisen kann. Überdies kann er durch ein relativ einfaches Verfahren hergestellt werden.
• Wie vorstehend beschrieben, ist es ersichtlich, daß Lichtreflexion durch das Anbringen einer Antireflexionsschicht aus einem einzigen Material gleichförmiger Dicke auf einem Substrat, das auf ihm mit einer Reihe von protonenausgetauschten Bereichen vorgesehen ist, auf einfache Weise vermieden werden kann, wobei sein Herstellungsverfahren vereinfacht wird. Die gleichförmige Dicke der Antireflexionsschicht verhindert bei dem Beugungsgitter die Störung des Phasenzustands, so daß ein bahnförmiges Polarisationselement mit einem hohen Extinktionsverhältnis und einem geringen Einfügungsverlust leicht erhalten wird.
• Obwohl die Erfindung zur vollständigen und klaren Offenbarung bezüglich einer speziellen Ausführungsform beschrieben worden ist, sind die angehängten Patentansprüche nicht so auf sie eingeschränkt, sondern sind so aufgebaut, daß sie alle Änderungen und andersartigen Bauweisen verkörpern, die in den Schnittbereich der Patentansprüche fallen.

Claims (6)

1. Doppelbrechender Gitterpolarisator mit:

einem bahnenförmigen, optisch anisotropen Kristallsubstrat (1) mit periodischen ionenausgetauschten Bereichen (2) zur Bildung eines optischen Beugungsgitters, dadurch gekennzeichnet, daß

dielektrische Schichten (3) über den ionenausgetauschten Bereichen vorgesehen sind, wobei der Brechungsindex der dielektrischen Schichten (3) annähernd gleich oder gleich dem des Kristallsubstrats ist, und

eine Antireflexionsschicht (4) gleichförmiger Dicke auf der gesamten Oberfläche des Kristallsubstrats und der dielektrischen Schichten vorgesehen ist.

2. Doppelbrechender Gitterpolarisator nach Anspruch 1, wobei die dielektrischen Schichten (3) aus einem Material der folgenden Gruppe ausgewählt sind: Lithiumniobat, Niobpentoxid, Zirkonoxid, Zinksulfid (ZnS), Titandioxid (TiO&sub2;), Cerdioxid (CeO&sub2;), Tantalpentoxid (Ta&sub2;O&sub5;) und Telluroxid.

3. Doppelbrechender Gitterpolarisator nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Antireflexionsschicht (4) aus einem Material mit einem Brechungsindex besteht, der im wesentlichen gleich der Quadratwurzel des Brechungsindex des bahnenförmigen Kristallsubstrats ist.

4. Doppelbrechender Gitterpolarisator nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Dicke der Antireflexionsschicht (4) gleich einer Lichtwellenlänge dividiert durch den vierfachen Brechungsindex der Antireflexionsschicht ist.

5. Doppelbrechender Gitterpolarisator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Material der Antireflexionsschicht (4) ausgewählt ist aus der Gruppe mit Siliciumdioxid, Calciumfluorid (CaF&sub2;), Aluminiumfluorid (AlF&sub2;), Lanthanfluorid (LaF&sub3;), Strontiumfluorid (SrF&sub2;) und Magnesiumfluorid.

6. Doppelbrechender Gitterpolarisator nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Abmessungen der ionenausgetauschten Bereiche und der dielektrischen Schichten unter Berücksichtigung ihrer Brechungsindices derart ausgewählt sind, daß der Polarisator die ordentliche Strahlkomponente des Lichts, mit dem der Polarisator betrieben werden soll, nicht wesentlich beugt.