Принцип работы и использование волновых пластин. Обзор Thorlabs
Принцип работы волновых пластин
Оптические волновые пластины изготовлены из двулучепреломляющих материалов, у которых есть разница в показателе преломления между двумя ортогональными осями. Cвойство двойного лучепреломления приводит к разнице скоростей света, поляризованного вдоль быстрой и медленной главных осей волновой пластины. Быстрая главная ось волновой пластины имеет более низкий показатель преломления, что приводит к более высокой скорости света, поляризованного в этом направлении. И наоборот, медленная ось имеет более высокий показатель преломления, что приводит к меньшей скорости света с этой поляризацией. Когда свет проходит через волновую пластину, эта разница скоростей приводит к разности фаз между двумя ортогональными поляризационными компонентами. Фактический фазовый сдвиг зависит от свойств материала, толщины волновой пластины и длины волны сигнала и может быть описан как:
где n1 - показатель преломления вдоль медленной оси, n2 - показатель преломления вдоль быстрой оси, d - толщина волновой пластинки, а λ - длина волны сигнала.
Использование волновой пластины
Волновые пластины обычно доступны с задержкой в λ/4 или λ/2, что означает, что создается фазовый сдвиг на четверть длины волны или половину длины волны (соответственно).
Половина длины волны
Как описано выше, волновая пластина имеет две основные оси: быструю и медленную. Каждая ось имеет разный показатель преломления и, следовательно, разную скорость волны. Когда линейно-поляризованный луч падает на полуволновую пластину и поляризация этого луча не совпадает с одной из этих осей, выходная поляризация будет линейной и повернутой относительно поляризации входного луча. При применении луча с круговой поляризацией круговая поляризация по часовой (против часовой стрелки) преобразуется в круговую поляризацию против часовой стрелки (по часовой стрелке).
Лмнейная поляризация
Полуволновые (λ/2) пластинки обычно используются в качестве вращателей поляризации. Как показано ниже, волновая пластина λ/2, установленная на вращающемся держателе, может использоваться в качестве плавно регулируемого вращателя поляризации. Кроме того, при использовании вместе с поляризационным светоделителем волновая пластина λ/2 может использоваться в качестве светоделителя с переменным соотношением сторон.
Полуволновая пластина, установленная во вращающемся держателе
Угол между выходной поляризацией и входной поляризацией будет в два раза больше угла между входной поляризацией и осью волновой пластины. Когда поляризация входного луча направлена вдоль одной из осей волновой пластинки, направление поляризации останется неизменным.
Входная и выходная поляризации
Четверть длины волны
Четвертьволновая пластина сконструирована таким образом, что фазовый сдвиг, создаваемый между быстрой и медленной осями, составляет четверть длины волны (λ/4). Если входной луч линейно поляризован с плоскостью поляризации, выровненной под углом 45° к быстрой или медленной оси волновой пластины, то выходной луч будет поляризован по кругу. Если линейно поляризованный луч направлен под углом, отличным от 45°, то выходной сигнал будет эллиптически поляризованным. Напротив, направление поляризованного по кругу луча на волновую пластину λ/4 приводит к линейно поляризованному выходному лучу. Четвертьволновые пластины используются в оптических изоляторах, оптических насосах и электро-оптических модуляторах.
Круговая поляризация
Идентификация быстрой и медленной осей
В октябре 2018 года компания Thorlabs обновила процесс сборки волновых пластин и соответствующие гравировки на продуктах, чтобы они соответствовали соглашению IEEE / SPIE для определения быстрых и медленных осей. Согласно этому соглашению, текущие версии волновых пластин имеют быструю ось, обозначенную гравировкой «FAST AXIS». Хотя расположение осей и значение задержки для каждой волновой пластины легко определить, различие между быстрой и медленной осями гораздо сложнее.
Маркировка быстрой оси
Для большинства приложений знание того, является ли ось быстрой или медленной, не так важно, как значение задержки. Однако разница между быстрой и медленной осями определяет левую / правую круговую поляризацию светового потока от четвертьволновой пластины, что может быть важно в таких приложениях, как атомная спектроскопия и физика твердого тела. Чтобы гарантировать точность маркировки в дальнейшем, компания включила несколько избыточных тестов в производственные процессы, как описано ниже.
Испытательная установка 1: отражение от металла без покрытия с n>1
Эта испытательная установка основана на методе Петре Логофату, который также хорошо описан Галгано и Энрике. В этом методе свет проходит через генератор, который представляет собой линейный поляризатор, ориентированный под углом 45° к горизонтали. Затем свет проходит через испытуемый образец волновой пластины (SUT), отражается от металлической поверхности без покрытия (подходит любой металл с n>1) и проходит через анализатор (второй линейный поляризатор, ориентированный под углом 90° к генератору). Затем свет измеряется датчиком мощности.
Установка использовала гелий-неоновый лазер в качестве источника света, два поляризатора Глана-Тейлора GTH10M-A в качестве генератора и анализатора, изготовленную на заказ отражающую поверхность из нержавеющей стали без покрытия, датчик мощности S120C и измеритель мощности PM100D.
Испытательная установка 1
Как описал Логофату, коэффициент отражения мощности R в приведенном ниже уравнении может быть получен из уравнений Френеля, показывающих, что имеется большая разница в отражении от металла в зависимости от того, является ли быстрая или медленная ось SUT горизонтальной.
где Rp и Rs представляют собой p-поляризованные и s-поляризованные компоненты R, Δ – задержка SUT, а ϕ - разность фаз между коэффициентами отражения p и s металлической поверхности. Исходя из этого, можно определить, по какой оси ожидается более высокое значение отражения в горизонтальном положении, и сравнить ожидаемые значения с экспериментальными значениями. Использование большого угла падения допускает большую разницу между коэффициентами s и p. Это коррелирует с высоким и низким измеренным отражением, что позволяет легко определять быструю ось по сравнению с медленной.
Испытательная установка 2: интерферометрия с низкой когерентностью
Эта испытательная установка использует интерферометрию с низкой когерентностью для измерения длины оптического пути (OPL) ТУ при его вращении, где самый длинный OPL соответствует медленной оси, а самый короткий OPL соответствует быстрой оси. Этот метод дополнительно подтверждается изменением опорного плеча интерферометра, добавлением опорного окна и зеркальной задней поверхности, чтобы можно было вычислить групповой индекс (ngSUT) вдоль и перпендикулярно оси кристалла. Затем эти значения можно сравнить с известными значениями, что гарантирует надежность этого теста.
В установке использовался модифицированный оптический датчик Bristol серии 157. Как видно на рисунке, большая часть интерферометра с низкой когерентностью находится внутри корпуса оптического датчика. Затем измерительное плечо модифицируется с помощью компонентов Thorlabs, так что выход волокна может быть совмещен с объективом с низкой числовой апертурой, пропущен через линейный поляризатор LPNIR100 и частично отражен от опорного окна WG11010, все это установлено на оптическом рельсе шириной 34 мм. Затем свет отражается от SUT и настраиваемой зеркальной задней поверхности, чтобы отправить интерферометрический сигнал обратно на оптический датчик.
Испытательная установка 2
Пример диаграммы низкокогерентной интерферометрии
Дополнительные контрольные поверхности и полученная физическая толщина используются для двойной проверки достоверности результатов. Это делается с помощью быстрого расчета для определения группового индекса как быстрой, так и медленной осей. Рисунок показывает качественное представление выходных данных, произведенных этой установкой. Пики 1 и 2 создаются эталонным окном, пики 3 и 4 - волновой пластиной SUT, а пик 5 - эталонной поверхностью. Данные толщины от пика до пика рассчитываются программным обеспечением и выводятся в таблицу. Если сначала измерить расстояние от пика 2 до пика 5 до того, как будет вставлена волновая пластинка, получится общая физическая толщина Tair0. При вставке волновой пластины можно взять расстояние от 2 до 3 пиков, Tair1 и от 4 до 5 пиков, Tair2. Используя эту информацию, можно легко вычислить толщину волновой пластины TSUT, вычитая Tair1 и Tair2 из Tair0. Измерение расстояния от пика 3 до пика 4 даст OPLSUT. Делеление OPLSUT на TSUT дает групповой показатель преломления SUT, ngSUT. Сравнивая этот групповой показатель преломления с указанным в литературе для кварца или MgF2 как вдоль, так и перпендикулярно оси кристалла, значения схожи.
График зависимости сигнала от длины оптического пути
