DE2149374C3 - Optical polarizer - Google Patents

Description

Seit langen Jahren werden kristalline Stoffe, insbesondere Kalzit und Quarz, als optische Polarisatoren verwendet. In den letzten Jahren sind Laser entwickelt worden, wobei diejenigen mit Strahlen :in dem infraroten oder optischen Wellenbereich von besonders großem Interesse sind. Für manche Anwendungszwecke der Laser, z. B. für die Erzeugung der 2. Harmonischen oder für eine elektrooptische Q-Schaltung ist es erwünscht, das vom Laser erzeugte kohärente Licht zu polarisieren.For many years, crystalline materials, especially calcite and quartz, have been used as optical polarizers used. In recent years lasers have been developed, with those with beams: in the infrared or optical wave range are of particular interest. For some purposes the laser, e.g. B. for the generation of the 2nd harmonic or for an electro-optical Q-switching it is desirable to polarize the coherent light generated by the laser.

Bisher wurden Polarisatoren mit guten optischen Eigenschaften aus natürlichem Kalzit oder Quarz hergestellt. Derartige kristalline Polarisatoren werden zur Zeit in Laser-Systemen verwendet. Kalzit ist wegen seiner hohen Doppelbrechung das bevorzugte Material für die meisten Verwendungszwecke. Es wird aber zunehmend immer schwieriger, qualitativ hochwertige, natürliche Kalzitkristalle zu finden. Die Verwendung von Polarisatoren aus Kalzit wird durch diese Materialschwierigkeiten und durch die Schwierigkeit, optische Oberflächen herzustellen, begrenzt. Ein Beispiel für einen der besten gegenwärtigen Polarisatoren ist der Glan Brewster Angle Double-Escape Polarizier, der im Bulletin Nr. N-l-70 der Karl-Lambrecht-Corporation beschrieben ist.So far, polarizers with good optical properties have been made from natural calcite or quartz manufactured. Such crystalline polarizers are currently used in laser systems. Is calcite the preferred material for most uses because of its high birefringence. It will but increasingly difficult to find high quality, natural calcite crystals. The usage of polarizers made of calcite is due to these material difficulties and the difficulty to produce optical surfaces, limited. An example of one of the best polarizers available today is the Glan Brewster Angle Double-Escape Polarizer, published in Bulletin No. N-l-70 of the Karl Lambrecht Corporation is described.

Es wurde nun gefunden, daß das kristalline Yttriumorthovanadat (YVO₄) ein ausgezeichnetes polarisierendes Material ist, und daß es insbesondere sehr gut zusammen mit einem Laser verwendet werden kann. Kristalle aus Yttriumorthovanadat haben verschiedene günstige Eigenschaften gegenüber den bisher bekannten kristallinen Polarisatoren. Diese Eigenschaften werden weiter unten im einzelnen beschrieber.It has now been found that the crystalline yttrium orthovanadate (YVO ₄ ) is an excellent polarizing material and that it can, in particular, be used very well together with a laser. Yttrium orthovanadate crystals have various favorable properties compared to the previously known crystalline polarizers. These properties are described in detail below.

Die Figuren erläutern die Erfindung.The figures explain the invention.

F i g. 1 zeigt das Absorptionsspektrum von Yttriumorthovanadat im infraroten Wellenbereich;F i g. 1 shows the absorption spectrum of yttrium orthovanadate in the infrared wave range;

Fig. 2, sowie 3a und 3b zeigen schematisch erfindungsgemäße optische Polarisatoren;Fig. 2, as well as 3a and 3b show schematically according to the invention optical polarizers;

F i g. 4 zeigt im Vergleich die thermische Beständigkeit von Yttriumorthovanadat und Kalzit gegen einen Laserstrahl.F i g. 4 shows in comparison the thermal resistance of yttrium orthovanadate and calcite to one Laser beam.

Zu der Erfindung gehören optische Polarisatoren, die undotiertes Yttriumorthovanadat als doppelbrechendes kristallines Material enthalten.The invention includes optical polarizers that use undoped yttrium orthovanadate as a birefringent one contain crystalline material.

Als »optischer Polarisator« wird hier eine Vorrichtung bezeichnet, welche die Polarisation des hindurchtretenden Lichtes erhöht. Ein optischer Polarisato verursacht eine gewisse Polarisation von hindurch tretendem unpolarisiertem Licht und/oder erhöht di, Polarsation _vcn teilweise polarisiertem Licht, da durch ihn hindurchtritt. Das Yttriumorthovanada kann für sich allein oder zusammen mit anderei Stoffen, wie Quarz oder Glas, verwendet werden zu Herstellung eines optischen Polarisators.An "optical polarizer" is a device that increases the polarization of the light passing through. An optical polarization causes a certain polarization of unpolarized light passing through and / or increases the _{polarization of} partially polarized light because it passes through it. The yttrium orthovanada can be used on its own or together with other materials such as quartz or glass to produce an optical polarizer.

Yttriumorthovanadat ist ein synthetisches, kristal lines Material, das vor etwa 40 Jahren zuerst herge stellt wurde. Hierzu wird auf einen Aufsatz voi Br och- Zeit. Phys. Chem. 2OB, 345 (1933) - ver wiesen. In der neueren Zeit wurde mit den Ionen vor seltenen Erden dotiertes Yttriumorthovanadat al: Leuchtstoff in Fernsehföhren verwendet, und Einzel kristalle von mit den Ionen von seltenen Erden do tiertem Yttriumorthovanadat wurden zur Verwendunj als Lasermaterial vorgeschlagen, sind hierfür abei bisher noch nicht im Handel. Hierzu wird verwieser auf den Aufsatz von L e ν i η e u. a. — Appl. Phys Letters 5, 118 (1964) -, von Brecher - Phys Rev. 155, 178 (1967) — und von Ballmann u. a US — Re. 26, 184. Es sind auch schon einige dei optischen Eigenschaften von Yttriumorthovanada untersucht worden. Ein hier über veröffentlichter Auf satz vor. K i η g s 1 e y u. a. — J. Appl. Phys., 41 370 (1970) enthält insofern Fehler, als eine negative Doppelbrechung angegeben ist. Yttriumorthovanadai ist ein positiver optisch einachsiger Kristall.Yttrium orthovanadate is a synthetic, crystalline material that was first used around 40 years ago was presented. For this purpose, reference is made to an essay by Br och-Zeit. Phys. Chem. 2OB, 345 (1933) - ver grasslands. In recent times, yttrium orthovanadate doped with rare earth ions has been used as: Phosphor used in television tubes, and single crystals of do with the ions of rare earths Edited yttrium orthovanadate have been proposed for use as a laser material, but are used for this purpose not yet on sale. For this, reference is made to the article by L e ν i η e and others. - Appl. Phys Letters 5, 118 (1964) - by Brecher - Phys Rev. 155, 178 (1967) - and by Ballmann et al US - Re. 26, 184. There are also some of the optical properties of yttrium orthovanada been investigated. An essay published here about. K i η g s 1 e y et al. - J. Appl. Phys., 41 370 (1970) contains errors insofar as negative birefringence is indicated. Yttrium orthovanadai is a positive optically uniaxial crystal.

Undotiertes Yttriumorthovanadat kann nach einerr Verfahren hergestellt werden, das in den oben erwähnten Aufsätzen von B r ο c h und Ballmanr beschrieben ist, ferner in einem Aufsatz von Rubin u. a. — J. Appl. Phys., 37, 2920 (1966), wenn bei diesen Verfahren die Quellen für die Dotierungsstoffe weggelassen werden. Nach dem Verfahren vor Rubin u. a. können Kristalle von Yttriumorthovanadat durch Ziehen aus einer Schmelze hergestellt werden. Diese Schmelze befindet sich in einem Tiegel, der in einem mit Sauerstoff und Wasserstoff geheizten Ofen angeordnet ist. Der leere Tiegel wird auf etwa 1900°C erhitzt, wobei ein Strom von Argongas übei ihn hinweg geleitet wird. Argon ist hierbei wirksamei als Stickstoff und verringert die Blasenbildung an dei Oberfläche der Schmelze. Das pulverförmige Yttriumorthovanadat wird dann allmählich zugegeben. Beim Zusatz sintert es, wobei sein Volumen abnimmt. Wenn der Tiegel gefüllt ist, erhöht man die Temperatur auf etwa 2000⁰C. Hierbei ist der größte Teil des eingebrachten Materials flüssig, allerdings bleibt die obere Schicht fest. Mit einem Iridiumstab sticht man durch die Kruste ein Loch mit einem Durchmesset von etwa 6 mm. Anschließend hält man den geschmolzenen Zustand während einer Stunde oder mehr, um die Kruste zu härten. Dann wird das Loch auf etwa 25 mm erweitert, und man gibt zusätzliches Pulver zu, bis die Oberfläche der Schmelze sich etwa 6 mm unterhalb der Kruste befindet. Hierbei ist es wichtig, eine Berührung zwischen der Schmelze und der Kruste zu vermeiden, da sonst diese letztere eine Kernbildung verursachen kann. Dann verringert man die Temperatur auf etwa 1940° C, bevor die Keime eingebracht werden. Unter einem Argonstrom von etwa 40 bis 45 1/Std. erhält man bei diesen Bedingungen eine stabile Schmelze. Der Kristall wird dann nach üblichen Verfahren herausgezogen. Rubin und seine Mitarbeiter verwendeten Wachstumsgeschwindigkeiten von etwa 6 mm/Std. bei 22 U/Min.Undoped yttrium orthovanadate can be prepared by a method which is described in the above-mentioned articles by B rο ch and Ballmanr, and also in an article by Rubin et al. - J. Appl. Phys., 37, 2920 (1966) when these methods omit the sources for the dopants. According to the procedure before Rubin et al., Crystals of yttrium orthovanadate can be produced by pulling from a melt. This melt is located in a crucible which is placed in a furnace heated with oxygen and hydrogen. The empty crucible is heated to about 1900 ° C while a stream of argon gas is passed over it. Argon is more effective than nitrogen and reduces the formation of bubbles on the surface of the melt. The powdery yttrium orthovanadate is then gradually added. When added, it sinters and its volume decreases. When the crucible is filled, the temperature is increased to about 2000 ^° C. In this case, most of the material introduced is liquid, but the upper layer remains solid. A hole about 6 mm in diameter is pierced through the crust with an iridium rod. It is then held in the molten state for an hour or more to harden the crust. The hole is then widened to about 25 mm and additional powder is added until the surface of the melt is about 6 mm below the crust. It is important here to avoid contact between the melt and the crust, as otherwise the latter can cause core formation. The temperature is then reduced to around 1940 ° C before the germs are introduced. Under an argon flow of about 40 to 45 liters / hour. a stable melt is obtained under these conditions. The crystal is then withdrawn using conventional methods. Rubin and his coworkers used growth rates of about 6 mm / hour. at 22 rpm.

Yttriumorthovanadat ist ein ausgezeichnetes polarisierendes Material, da es eine verhältnismäßig hohe Doppelbrechung und einen hohen Brechungsindex hat. Die gemessene Doppelbrechung liegt bei 0,226 für Licht mit einer Wellenlänge von 5890 A-Einheiten (D-Linie von Natrium). Die gemessenen Refraktionsindizes liegen bei Ti₀ = 2,000 und n_t = 2,226 bei der gleichen Wellenlänge. n₀ bedeutet den Refraktionsindex für den ordentlichen Strahl, n_t bedeute* den Refraktionsindex für den außerordentlichen Strahl.Yttrium orthovanadate is an excellent polarizing material because it has a relatively high birefringence and a high index of refraction. The measured birefringence is 0.226 for light with a wavelength of 5890 A-units (D-line of sodium). The measured refractive indices are Ti ₀ = 2.000 and n _t = 2.226 at the same wavelength. n ₀ means the refractive index for the ordinary ray, n _t means * the refractive index for the extraordinary ray.

Außer der hohen Doppelbrechung und dem Refraktionsindex hat Yttriumorthovanadat verschiedene Vorteile und physikalische Eigenschaften, durch welche diese Kristalle besonders gut geeignet sind für In den Fig. 2, 3a und 3b bedeuten die Linien innerhalb der Prismenumrandung, daß die Richtung der optischen Achse parallel zu der Ebene des Papiers verläuft, die Punkte, daß die Richtung der optischen Achse senkrecht zu der Papierebene verläuft.Besides the high birefringence and the refractive index, yttrium orthovanadate has several Advantages and physical properties that make these crystals particularly suitable for In Figs. 2, 3a and 3b, the lines mean within the prism border that the direction of the optical axis is parallel to the plane of the paper runs, the points that the direction of the optical axis is perpendicular to the plane of the paper.

F i g. 2 ist eine schematische Zeichnung eines typischen Polarisators nach G lan. Der Glan-Foucault-Polarisator ist die derzeitig am besten brauchbare Ausführung; er besteht aus zwei Stücken von doppelbrechendem Material 20 und 21, von denen jedes die Form eines rechtwinkligen Prisma hat. Die beiden Prismen sind zusammengesetzt mit einem dünnen Luftspalt 22 zwischen den jeweiligen Hypotenusen-Flächen. Der unpolarisierte Lichtstrahl 23F i g. Figure 2 is a schematic drawing of a typical polarizer according to Glan. The Glan-Foucault polarizer is currently the most useful version; it consists of two pieces of birefringent material 20 and 21, each of which is in the form of a right-angled prism. the both prisms are assembled with a thin air gap 22 between the respective hypotenuse surfaces. The unpolarized light beam 23

optische Polarisatoren. Ein Vorteil besteht darin, daß ₁₅ wird in die Strahlen 24, 24' und 24" aufgeteilt, der Yttriumorthcvanadat widerstandsfähig ist gegen durch Strahl 25 wird reflektiert und absorbiert. In dem sogenannten Glan-Foucault-Polarisator liegt die optische Achse der beiden Prismen parallel zu der Ebene desoptical polarizers. One advantage is that ₁₅ is divided into beams 24, 24 'and 24 ", the yttrium orthcvanadate is resistant to being reflected and absorbed by beam 25. In the so-called Glan-Foucault polarizer, the optical axis of the two prisms is parallel the level of the

optische Strahlung verursachte Schäden. Das ist besonders wichtig für die Verwendung zusammen mit einem Laser hoher Leistung.optical radiation caused damage. This is especially important for use with a high power laser.

Luftspaltes, wie die F i g. 2 es zeigt. Bei dem soge-Air gap, as shown in FIG. 2 it shows. In the so-called

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß im Wellen- ₂₀ nannten Glan-Taylor-Polarisator ist das erste Prisma 0 d 5 Mik i i k ih Ah khtA second advantage is that the shaft ₂₀ called Glan-Taylor polarizer is the first prism 0 d 5 Mik iik ih Ah KHT

bereich zwischen 0 und 5 Mikron ein weiter Spektralbereich absorbiert wird, insbesondere Licht mit Wellenlängen von 3,0 bis 5,0 Mikron. In diesem Bereich sind die üblichen Stoffe, wie Kalzit, nicht wirksam.range between 0 and 5 microns a wide spectral range is absorbed, especially light with Wavelengths from 3.0 to 5.0 microns. In this area, the usual substances, such as calcite, are not effective.

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß Yttriumorthovanadat leicht kombiniert werden kann mit einem Überzug aus einem nicht reflektierenden Material. Im allgemeinen hat das Material des nichtreflektieren-20 so geschnitten, daß seine optische Achse senkrecht zu der Ebene des Luftspaltes steht. In Glan-Foucault-Polarisatoren für Stoffe mit einer positiven Doppelbrechung wird der ordentliche Strahl durchgelassen, und der außerordentliche Strahl wird reflektiert. Bei Stoffen mit einer negativen Doppelbrechung wird der außerordentliche Strahl durchgelassen und der ordentliche Strahl reflektiert.
Yttriumorthovanadat ist ein positiver, optisch ein-A third advantage is that yttrium orthovanadate can easily be combined with a coating of a non-reflective material. In general, the material of the non-reflective-20 has been cut so that its optical axis is perpendicular to the plane of the air gap. In Glan-Foucault polarizers for substances with positive birefringence, the ordinary ray is transmitted and the extraordinary ray is reflected. In the case of substances with a negative birefringence, the extraordinary ray is transmitted and the ordinary ray is reflected.
Yttrium orthovanadate is a positive, optically

den Überzuges einen Refraktionsindex, der gleich ist 30 achsiger Kristall. Daher wird der ordentliche Strahl der Quadratwurzel aus dem Produkt des Refraktions- durchgelassen und die Anordnung nach Glan-Fouindex des kristallinen doppelbrechenden Materials cault ist richtig für die maximale Durchlässigkeit, und des des angrenzenden Mediums. Ein ideales, nicht Bei der Verwendung von Kalzit, einem negativen, reflektierendes Oberzugsmaterial für Yttriumortho- optisch einachsigen Kristall, in derselben Anordnung vanadat sollte einen Refraktionsindex von 1,414 haben. 35 wird der außerordentliche Strahl durchgelassen, wasthe coating has a refractive index equal to 30-axis crystal. Hence becomes the ordinary ray the square root of the product of the refraction transmitted and the arrangement according to Glan-Fouindex the crystalline birefringent material cault is right for the maximum permeability, and that of the adjacent medium. An ideal, not When using calcite, a negative, reflective cover material for yttrium ortho-optically uniaxial crystal, in the same arrangement vanadate should have a refractive index of 1.414. 35 the extraordinary ray is let through, what

zu einer unerwünscht hohen Reflektivität führt. Dieseleads to an undesirably high reflectivity. This

vanadat svanadate s

Eines der besten Überzugsmaterialien ist Magnesiumfluorid mit einem Refraktionsindex von 1,38, was dem Ideal sehr nahekommt.One of the best coating materials is magnesium fluoride with a refractive index of 1.38 what comes very close to the ideal.

Die Eigenschaften und Vorteile von Yttriumorthovanadat sollen nun im einzelnen an Hand der Zeichnungen erläutert werden.The properties and advantages of yttrium orthovanadate will now be detailed with reference to the drawings explained.

F i g. 1 zeigt graphisch das Absorptionsspektrum von undotiertem Yttriumorthovanadat, gemessen an einem polierten Einkristall. Nach F i g. 1 wird der kffii dfiiF i g. 1 graphically shows the absorption spectrum of undoped yttrium orthovanadate as measured a polished single crystal. According to FIG. 1 becomes the kffii dfii

Schwierigkeit kann zum Teil umgangen werden durch Verwendung einer Anordnung nach Glan-Tay-1 ο r für negative Kristalle.Difficulty can be circumvented in part by using an arrangement according to Glan-Tay-1 ο r for negative crystals.

Berechnungen haben ergeben, daß die gesamte, durch den Luftspalt und das zweite Prisma 21 gebrachte Energie ein Bruchteil der Energie in dem ersten Prisma 20 ist. Das wird durch T und T₁ in F i g. 2 wiedergegeben. Die reflektierten Energien R₁ Calculations have shown that the total energy brought through the air gap and the second prism 21 is a fraction of the energy in the first prism 20. This is illustrated by T and T ₁ in FIG. 2 reproduced. The reflected energies R ₁

Absorptionskoeffizient definiert als das negative 45 und R₂ innerhalb des Luftspaltes wurden ebenfallsAbsorption coefficient defined as the negative 45 and R ₂ within the air gap were also made

Reziproke der Pfadlänge, multipliziert mit dem zusammen mit der Energie T₂ des zweiten durchge-The reciprocal of the path length, multiplied by the energy T _{2 of} the second

natürlichen Logarithmus der Transmission. Die lassenen Strahles in bezug auf die Energie in demnatural logarithm of the transmission. The let ray in relation to the energy in that

Wellenlänge ist in Mikron ausgedrückt. Der Bereich ersten Prisma berechnet.Wavelength is expressed in microns. The area first prism is calculated.

zwischen 0,5 und 3,0 Mikron ist in F i g. 1 wegge- Die Ergebnisse dieser Rechnungen sind in derbetween 0.5 and 3.0 microns in FIG. The results of these calculations are in the

lassen, da innerhalb dieses Bereiches keine merkbare 50 Tabelle I enthalten. Hierbei wird Yttnumortho-Absorption stattfindet. Wie die F i g. 1as no noticeable table I contained within this range. This is where Yttnumortho absorption takes place. As the F i g. 1

vanadat, das für einen Polarisator nach G1 a η Foucault geschnitten war, verglichen mit Kalzit in einem Polarisator nach Glan-Foucault und Gl a η-Taylor. In allen Fällen wurde eine Wellenlänge von 6000 Ä'-Einheiten verwendet. Das Yttriumorthovanadat hatte einen Prismenwinkel (ß ir F i g. 2) von 27,5°. Das Kalzit hatte einen Prismenwinkel β von 38,5°. Diese Winkelgrößen sind die optimalen für jedes Material.vanadate cut for a polarizer according to G1 a η Foucault compared to calcite in a polarizer according to Glan-Foucault and Gl a η-Taylor. A wavelength of 6000 Å 'units was used in all cases. The yttrium orthovanadate had a prism angle (β ir FIG. 2) of 27.5 °. The calcite had a prism angle β of 38.5 °. These angle sizes are the optimal for each material.

gleichen System unter denselben Bedingungen wurde 60 Man sieht, daß das Prisma aus Yttriumortho festgestellt, daß eine erhebliche Absorption bei vanadat sich am besten verhält, da 99,0% der polari 2,1 Mikron begann, und daß der Kristall bei Wellen- sierten einfallenden Energie in dem Hauptstrahl ge längen über 3,1 Mikron vollständig opak war. Die fördert wird, wobei der Sekundärstrahl auf 10-veröffentlichten Daten für Quarzkristalle (American reduziert wird. Entsprechende Werte bei der Ver Institute of Physics Handbook, McGraw-Hill Book 65 wendung von Kalzit sind 94,8 und 55,1 % für dei60 It can be seen that the prism is made of yttrium ortho found that significant absorption behaves best with vanadate, as 99.0% of the polar 2.1 microns began, and that when the crystal waves waves, it will see incident energy in the main ray lengths over 3.1 microns was completely opaque. The promotes is, with the secondary beam on 10-published Data for quartz crystals (American is reduced. Corresponding values at the Ver Institute of Physics Handbook, McGraw-Hill Book 65 use of calcite are 94.8 and 55.1% for the dei

■ - TT *.»__i.i ,.„α 1Λ-3 „„λ in-i r.ir Ηρπ Sekundär■ - TT *. »__ i.i,. " Α 1Λ-3 "" λ in-i r.ir Ηρπ secondary

p zeigt, istp shows is

Yttriumorthovanadat sehr durchlässig im Wellenbereich von 0,4 bis 3,8 Mikron, und es kann in optischen Vorrichtungen darüber hinaus auch im Bereich von 3,8 bis 5 Mikron verwendet werden. Kein anderes brauchbares kristallines polarisierendes Material hat diese hohe Durchlässigkeit in dem Bereich zwischen 3,0 und 3,8 Mikron.
Bei der Untersuchung eines Kalzitkristalles in demYttrium orthovanadate is very transparent in the 0.4 to 3.8 micron wave range and can also be used in optical devices in the 3.8 to 5 micron range. No other useful crystalline polarizing material has this high transmittance in the range between 3.0 and 3.8 microns.
When examining a calcite crystal in the

Co., 1957, S. 6 bis 37) zeigen, daß bei Quarz die Absorption bei Wellenlängen von weniger als 3,0 Mikron beginnt.Co., 1957, pp. 6 to 37) show that quartz absorbs at wavelengths less than 3.0 microns begins.

g %g%

Hauptstrahl und 10~³ und 10~^l für den Sekundär strahl. Bei Verwendung einer Anordnung nacl Glan-Taylor gegenüber der Anordnung naclMain jet and 10 ~ ³ and 10 ~ ^l for the secondary jet. When using an arrangement according to Glan-Taylor compared to the arrangement according to

Glan-Foucault bei Kalzit wird die Intensität des Sekundärstrahles um zwei Größenordnungen verringert. Eine ähnliche Verringerung wird erhalten, wenn man von der besten Anordnung mit Kalzit zu einem Prisma nach Glan-Foucault unter Verwendung von Yttriumorthovanadat übergeht. Dieses verbesserte Verhalten von Yttriumortho-Glan-Foucault at calcite becomes the intensity of the secondary beam reduced by two orders of magnitude. A similar reduction is obtained if one considers the best arrangement with calcite to a Glan-Foucault prism Use of yttrium orthovanadate passes over. This improved behavior of yttrium ortho-

Tabelle ITable I.

vanadat ist besonders wichtig bei der Verwendung in Lasern hoher Leistung, wo der einfallende Strah Energien bis zu 10⁹ Watt haben kann. Die Verringe rung um zwei Größenordnungen erlaubt es, der Polarisator auch bei Strahlen hoher Leistung zu ver wenden, was zur Zeit mit Prismen aus Kalzit nich möglich ist.Vanadate is particularly important when used in high power lasers where the incident beam can have energies of up to 10 ⁹ watts. The reduction by two orders of magnitude makes it possible to use the polarizer even with high-power beams, which is currently not possible with prisms made of calcite.

PrismenPrisms

Materialmaterial

Prismen-Winkel β Prism angle β

DurchgelassenerMore let through

Strahlbeam

refl. Index.refl. index.

YVO₄ YVO ₄ 27,5°27.5 ° Ord. 1,9974Ord. 1.9974 0,9950.995 0,9900.990 0,0050.005 10-^s 10- ^s KalzitCalcite 38,5°38.5 ° Extr. 1,486Extr. 1.486 0,9740.974 0,9480.948 0,0260.026 0,0010.001 KalzitCalcite 3,5°3.5 ° Extr. 1,486Extr. 1.486 0,7420.742 0,5510.551 0,2580.258 0,0660.066

Glan-FoucaultGlan-Foucault

Glan-TaylorGlan-Taylor

Glan-FoucaultGlan-Foucault

Eine andere Art von polarisierenden Prismen sind die nach R och ο η und Wollaston. Der- ao artige Polarisatoren sind schematisch in Fig. 3a bzw. 3 b dargestellt Sie unterscheiden sich von dem Polarisator nach Glan-Foucault dadurch, daß beide reflektierten Strahlen beibehalten werden, daß sie aber voneinander weit genug getrennt werden, as so daß sie einzeln verwendet werden können. Es handelt sich hierbei also um Polarisatoren, die gleichzeitig den Strahl aufspalten. Der Polarisator nach R ο c h ο η ist schematisch in F i g. 3 a dargestellt, der Polarisator nach Wo 11 a s t ο η schematisch in F i g. 3 b. Beide Polarisatoren enthalten zwei rechtwinklige Prismen 30 und 31, die aus einem geeigneten doppelbrecheaden Material geschnitten sind. Die beiden Prismen stoßen optisch zusammen oder sind miteinander verklebt entlang ihrer Hypotenusen-Oberflächen 33. Die optischen Achsen der Prismenabschnitte stehen senkrecht aufeinander. Bei positiven, optisch einachsigen Kristallen, tritt der unpolarisierte Lichtstrahl 34 in den Polarisator ein und tritt als getrennter ordentlicher Strahl 35 und als außerordentlicher Strahl 36 aus dem Polarisator aus. Bei negativen, optisch einachsigen Kristallen sind der ordentliche und der außerordentliche Strahl vertauscht Another type of polarizing prisms are those according to R och ο η and Wollaston. Der- ao like polarizers are shown schematically in Fig. 3a and 3b. They differ from that Glan-Foucault polarizer in that both reflected rays are retained, but that they are separated from one another far enough, as so that they can be used individually. So these are polarizers that work at the same time split the beam. The polarizer according to R o c h o η is shown schematically in FIG. 3 a shown, the polarizer according to Wo 11 a s t ο η schematically in Fig. 3 b. Both polarizers contain two right-angled prisms 30 and 31, which are made from a suitable birefringent material are cut. The two prisms collide optically or are glued together along their hypotenuse surfaces 33. The optical axes of the prism sections are perpendicular to each other. In the case of positive, optically uniaxial crystals, the unpolarized one occurs Light beam 34 enters the polarizer and emerges as a separate ordinary beam 35 and an extraordinary one Beam 36 out of the polarizer. In the case of negative, optically uniaxial crystals, the ordinary and extraordinary ray exchanged

Bei dem Polarisator nach R ο c h ο η wandert der unpolarisierte Strahl entlang der optischen Achse und wird in zwei Strahlen mit der gleichen Geschwindigkeit aufgespalten. Beim Durchgang durch die Prismenfläche 33 behält der ordentliche Strahl die gleiche Geschwindigkeit bei und tritt unabgelenkt durch den zweiten Kristall hindurch. Die Geschwindigkeit des außerordentlichen Strahles wird geändert, und er wird abgelenkt Eine weitere Trennung findet statt, wenn der außerordentliche Strahl das zweite Prisma verläßt. Der Winkel zwischen den beiden Strahlen kann nach üblichen Verfahren ^erechnei werden.In the case of the polarizer according to R ο c h ο η, the unpolarized beam travels along the optical axis and is split into two rays at the same speed. When passing through the Prism face 33 maintains the ordinary beam at the same speed and occurs undeflected through the second crystal. The speed of the extraordinary ray is changed, and it is deflected. Another separation takes place when the extraordinary ray is the second Prism leaves. The angle between the two rays can be calculated using conventional methods will.

Der Ablenkungswinkel θ nach Fig. 3 a und 3 b ist gemäß Tabelle II berechnet worden als Funktion des Prismenwinkels β nach Fig. 3a und 3 b füi verschiedene Wellenlängen unter Verwendung vor Yttriumorthovanadat, Kalzit und Quarz als Material für die Prismen. Es wurde mit einem Computer gerechnet unter der Annahme eines vollkommenen optischen Kontaktes zwischen den Prismenflächen, Wie man sieht erhält man bei Verwendung von Yttriumorthovanadat eine erhebliche Verbesserung des Ablenkungswinkels© gegenüber Kalzit und Quarz.The deflection angle θ according to FIGS. 3a and 3b has been calculated according to Table II as a function of the prism angle β according to FIGS. 3a and 3b for different wavelengths using yttrium orthovanadate, calcite and quartz as the material for the prisms. A computer was used to calculate with the assumption of perfect optical contact between the prismatic surfaces. As can be seen, the use of yttrium orthovanadate results in a considerable improvement in the deflection angle compared to calcite and quartz.

Bei einem Polarisator nach Wo 11 a s t ο η ist die Richtung der optischen Achse geändert für das erste Prisma. Ein einfallender unpolarisierter Strahl wird zu zwei polarisierten Strahlen aufgespalten. Jedei verläuft in derselben Richtung mit verschiedenen Geschwindigkeiten, die abhängig sind von den entsprechenden Refraktionsindizes für jeden Strahl. Beim Hindurchtreten durch die Prismenoberfläche 33 wird der ordentliche Strahl in dem ersten Prisma, dei außerordentliche Strahl in dem zweiten; der außerordentliche Strahl wird in den ordentlichen Strahl in gleicher Art umgewandelt Die Änderung dei Refraktionsindizes verursacht eine Ablenkung dei beiden polarisierten Strahlen an der Zwischenfläche. Eine weitere Ablenkung erfolgt wenn der Strahl aus dem Kristall mit einem hohen Refraktionsindex in die Luft eintritt. Der Ablenkungswinkel θ beim Wollaston-Polarisator ist etwa doppelt so groß als der beim Rochon-Polarisator. Der Polarisator nach Wollaston hat indessen den Nachteil, daß beide durchtretenden Strahlen divergent sind. Die Werte fur den Ablenkungswinkel nach Wo 11 a s t ο η als Funktion des Prismenwinkels β sind die doppelten derjenigen in Tabelle Π.In the case of a polarizer according to Wo 11 ast ο η, the direction of the optical axis is changed for the first prism. An incident unpolarized beam is split into two polarized beams. Each travels in the same direction at different speeds depending on the respective refractive indices for each ray. When passing through the prism surface 33, the ordinary ray in the first prism, the extraordinary ray in the second; the extraordinary ray is converted into the ordinary ray in the same way. The change in the refractive indices causes a deflection of the two polarized rays at the interface. Another deflection occurs when the beam from the crystal with a high refractive index enters the air. The deflection angle θ with the Wollaston polarizer is about twice as large as that with the Rochon polarizer. The Wollaston polarizer, however, has the disadvantage that both rays passing through are divergent. The values for the deflection angle according to Wo 11 ast ο η as a function of the prism angle β are twice those in table Π.

Tabelle IITable II

Ablenkwinkel Θ in Abhängigkeit von Material, Prismenwinkel und WellenlängeDeflection angle Θ as a function of material, prism angle and wavelength

Materialmaterial PrismenwinkelPrism angle 30°30 ° 35°35 ° 40°40 ° 45°45 ° 50°50 ° 55°55 ° 60°60 ° 65°65 ° Wellenlänge AWavelength A 25°25 ° 7,377.37 8,888.88 10,5610.56 12,4412.44 14,6014.60 17,1317.13 20,1620.16 23,8823.88 YVO₄ YVO ₄ 5,985.98 7,257.25 8,738.73 10,3910.39 12,2312.23 14,3614.36 16,8516.85 19,8319.83 23,4923.49 60006000 YVO₄ YVO ₄ 5,885.88 5,545.54 6,676.67 7,937.93 9,339.33 10,9410.94 12,8012.80 15,0215.02 17,7117.71 65006500 CaCO₃ CaCO ₃ 4,504.50 0_s300 _s 30 0,360.36 0,440.44 0,520.52 0,620.62 0,740.74 0,890.89 1,101.10 64306430 Quarzquartz 0,240.24 58935893

7 87 8

Diese Ausführungen und die Tabelle II zeigen, daß Kalzit nur schwierig zu erreichen und das ist Yttriumorthovanadat in Anordnungen nach R ο - der Hauptgrund, weshalb Vorrichtungen nach c ho η und nach Wollaston erhebliche Vor- Roch on und Wollaston, die auf einem teile gegenüber Kalzit und Quarz mit sich bringt. guten optischen Kontakt beruhen, häufig aus Bei einem Prismenwinkel von 60° und unter Annahme 5 Quarz hergestellt sind. Die geringe Doppeleines vollständigen optischen Kontaktes wird der brechung wird hierbei kompensiert durch überAblenkungswinkel für Licht mit einer Wellenlänge legene optische Oberflächen. Yttriumorthovanadat von 6500 Ä-Einheiten um mehr als 30 % vergrößert, hat eine hohe Doppelbrechung und gleichzeitig wenn Kalzit durch Yttriumorthovanadat ersetzt wird. optische Oberflächen.
Dies ist um so bedeutender, weil die gute Bearbeit- ioThese explanations and Table II show that calcite is difficult to achieve and that is yttrium orthovanadate in arrangements according to R ο - the main reason why devices according to c ho η and according to Wollaston have considerable advantages, as compared to calcite and brings with it quartz. based on good optical contact, often from At a prism angle of 60 ° and assuming 5 quartz are made. The small double of a complete optical contact is the refraction is compensated by optical surfaces that are positioned over deflection angles for light with one wavelength. Yttrium orthovanadate of 6500 Å units enlarged by more than 30%, has a high birefringence and at the same time when calcite is replaced by yttrium orthovanadate. optical surfaces.
This is all the more important because the good processing io

barkeit von Yttriumorthovanadat einen guten op- Beispiel 1
tischen Kontakt leichter erreichbar macht.availability of yttrium orthovanadate a good op- Example 1
makes contact more easily accessible.

Die Vorteile von Yttriumorthovanadat als optischer Ein Einkristall von undotiertem Yttriumortho-Polarisator gegenüber Quarz und Kalzit sind oben vanadat wurde geschnitten und in Polarisatoren erörtert worden. Yttriumorthovanadat ist anderen 15 nach R och ο η und nach Wollaston angekristallinen Stoffen, die eine verhältnismäßig hohe ordnet. Die beiden Prismenabschnitte wurden mit Doppelbrechung haben, überlegen. Ein solcher Stoff einer dünnen Schicht aus Benzylbenzoat zusammenist Rutil mit einer Doppelbrechung von +0,296. Bis- geklebt. Dieser Stoff war gewählt worden wegen her gibt es aber noch kein Verfahren zur Gewinnung seines hohen Refraktionsindex von 1,568 urd wegen von Rutilkristallen mit der erforderlichen hohen 20 seiner guten Durchlässigkeit für Licht im ultraoptischen Qualität für die Verwendung als Polarisator violetten Wellenbereich. Bei späteren verbesserten oder zum Aufspalten von polarisierenden Strahlen. Ausführungen wurde Canada-Balsam als Klebstoff Ein anderes bekanntes Material ist Natriumnitrat verwendet. Unpolarisiertes Licht mit einer Wellenmit einer Doppelbrechung von —0,249, das in Form länge von 6328 Ä-Einheiten aus einem Heliumvon Einkristallen hoher Qualität erhalten werden 35 Neon-Gas-Laser wurde mit senkrechtem Einfall in kann. Natriumnitrat ist aber im Wasser löslich und den Polarisator geführt. Der Ablenkungswinkel θ sehr hygroskopisch, wodurch seine Verwendung auf des ordentlichen und außerordentlichen Strahles diejenigen Fälle beschränkt ist, in denen es gegen beim Austritt aus dem Polarisator wurde mittels eines Feuchtigkeit geschützt werden kann. Spektrometer nach Spencer gemessen. ImThe advantages of yttrium orthovanadate as an optical single crystal of undoped yttrium ortho polarizer opposite quartz and calcite are above vanadate was cut and placed in polarizers been discussed. Yttrium orthovanadate is partly crystalline according to R och ο η and according to Wollaston Substances that classify a relatively high level. The two prism sections were with Have birefringence, consider. Such a substance is composed of a thin layer of benzyl benzoate Rutile with a birefringence of +0.296. Glued up. This fabric was chosen because of but since then there has not yet been a method for obtaining its high refractive index of 1.568 urd of rutile crystals with the required high level of its good transmittance for light in the ultra-optical Quality for use as a polarizer violet wave range. With later improved or to split polarizing rays. Canada Balsam was used as an adhesive Another well-known material is sodium nitrate used. Unpolarized light with a wave with a birefringence of -0.249, which in the form of length of 6328 Å units from a helium of High quality single crystals are obtained 35 neon gas laser was at normal incidence in can. Sodium nitrate, however, is soluble in water and guides the polarizer. The deflection angle θ very hygroscopic, which makes its use of the ordinary and extraordinary ray limited to those cases in which it was against when exiting the polarizer by means of a Moisture can be protected. Spencer spectrometer measured. in the

Yttriumorthovanadat hat physikalische Eigen- 30 Polarisator nach R ο c h ο η mit einem Prismenschaf ten, dank welcher es leichter zu optischen Vor- winkel/? von 60,15° betrug der Winkel© 21°, bei richtungen verarbeitet werden kann, als viele andere einem Prisma nach Wollaston mit einem Prisdoppelbrechende kristalline Stoffe. menwinkel/9 von 28° betrug der Winkel© 13°. BeideYttrium orthovanadate has its own physical 30 polarizer according to R ο c hο η with a prismatic head ten, thanks to which it is easier to use optical pre-angles /? of 60.15 °, the angle was 21 °, at directions can be processed than many others a prism according to Wollaston with a prism birefringent crystalline substances. Menwinkel / 9 of 28 °, the angle © was 13 °. Both

Es hat eine mittlere Knoop-Härte von 480, was Winkel stimmten gut überein mit den berechnetenIt has an average Knoop hardness of 480, which agreed well with the calculated angles

der Härte der meisten optischen Gläser entspricht. 35 Zahlen nach Tabelle II.
Diese Härte und eine sehr geringe Neigung zumcorresponds to the hardness of most optical glasses. 35 figures according to table II.
This hardness and a very low tendency to

Spalten erlaubt die Verarbeitung nach bekannten Beispiel 2
Verfahren. Die Oberflächen können sehr eben her- Um die thermische Beständigkeit von Yttriumgestellt werden, so daß die Oberflächen der Prismen orthovanadat im Vergleich mit Kalzit zu messen, einen guten optischen Kontakt haben. 40 wurden rechtwinklige, polierte Stücke aus Einzel-Splitting allows processing according to known example 2
Proceedings. The surfaces can be made very even. To measure the thermal resistance of yttrium, the surfaces of the prisms orthovanadate in comparison with calcite have good optical contact. 40 right-angled, polished pieces were made from single

Die zufriedenstellende Herstellung von Kalzit kristallen von undotiertem Yttriumorthovanadat und bringt Schwierigkeiten mit sich, weil dieser Stoff Kalzit einem Strahl aus einem Q-geschalteten Rubinentlang den optischen Achsen verschieden hart ist Laser unterworfen. Die F i g. 4 zeigt die Ergebnisse, und weil er leicht entlang der Rhomboeder-Flächen In den F i g. 4a für Kalzit und 4b für Yttriumorthoaufspaltet. Um flache und gut polierte Oberflächen 45 vanadat bedeutet die senkrechte Achse die Anzahl zu erhalten, muß sehr vorsichtig vorgegangen werden. von Laser-Ausstoß-Pulsen (Firings), welchen die Zur Fertigstellung der Oberflächen muß von Hand Kristalle unterworfen waren. Die waagerechte Achse geläppt werden. Das bringt hohe Arbeitskosten mit zeigt den Bereich der Energiedichte der Laser-Aussich, die auch den fertigen Polarisator teuer machen. stoß-Pulse in Abschnitten von 300 Megawatt/cm⁸.The satisfactory production of calcite crystals from undoped yttrium orthovanadate and brings difficulties with it, because this substance calcite is subjected to a beam of a Q-switched ruby along the optical axes of different hardness laser. The F i g. 4 shows the results, and because it is slightly along the rhombohedral faces in FIGS. 4a for calcite and 4b for yttrium orthodissolved. In order to get flat and well polished surfaces 45 vanadat, the vertical axis means the number, one must proceed very carefully. of laser ejection pulses (firings) to which the crystals must have been subjected by hand to finish the surfaces. The horizontal axis can be lapped. This brings high labor costs with it shows the range of energy density of the laser outlook, which also make the finished polarizer expensive. shock pulses in sections of 300 megawatts / cm ⁸ .

Die polierte Oberfläche von Yttriumorthovanadat 5° Die Wellenlänge des Laser-Lichtes lag bei 6943 A-The polished surface of yttrium orthovanadate 5 ° The wavelength of the laser light was 6943 A-

ist überlegen der Oberfläche von Kalzit und sie kann Einheiten. Die Dauer der Ausstoß-Pulse betrugis superior to the surface of calcite and it can be units. The duration of the ejection pulses was

sehr viel leichter hergestellt werden. Diese leichte 15 Nanosekunden. In der F i g. 4 bedeutet jedescan be made much more easily. This light 15 nanoseconds. In FIG. 4 means each

optische Bearbeitbarkeit beruht auf der Härte, die Rechteck einen einzelnen Puls der angegebenenOptical machinability relies on the hardness, the rectangle a single pulse of the specified

der von Glas ähnlich ist ,und wichtiger auf einer nur Energiehöhe. Ein unmarkiertes Rechteck bedeutet,that of glass is similar, and more importantly on an energy only level. An unmarked rectangle means

geringen Neigung zum Spalten. Eine Spannung findet 55 daß der Puls den Kristall nicht sichtbar schädigte,little tendency to split. A tension found 55 that the pulse did not visibly damage the crystal,

im wesentlichen nur parallel zu der (lOO)-Oberfläche Ein Rechteck mit Punkten bedeutet, daß durch denessentially only parallel to the (100) surface. A rectangle with dots means that through the

statt. Hierdurch entstehen indessen keine Schwierig- Puls nur die Oberfläche des Kristalls geschädigtinstead of. This, however, does not cause any difficulties - only the surface of the crystal is damaged

keiten. bei der Herstellung von Prismen. wurde. Ein Rechteck mit schrägen Strichen bedeutet,opportunities. in the manufacture of prisms. would. A rectangle with diagonal lines means

Die gute Oberfläche und die Leichtigkeit der Be- daß der Puls den Kristall im Innern stark geschädigtThe good surface and the ease of movement that the pulse severely damaged the crystal inside

arbeitung von Yttriumorthovanadat bringen zwei Vor - ^6o hat. Nach jedem Puls wurden die Kristalle auf Schä-Working of yttrium orthovanadate bring two ^advantages - 6o has. After each pulse, the crystals were checked for

teile nüt sich. digung geprüft, wobei man einen Strahl aus einemshare it. tested, taking a beam from a

Helium-Neon-Laser durch den Kristall hindurch-Helium-neon laser through the crystal-

(a) Das Material kann leichter automatisch bearbei- treten ließ und die Streuung beobachtete. Die Vertet werden und kann nach Verfahren bearbeitet suche zeigen, daß Kalzit im Innern erheblich gewerden, die auch in einer Massenproduktion ⁶S schädigt wurde schon bei Energiedichten von 900 angewendet werden können. bis 1200 Megawatt/cm², und daß bei allen Energie-(a) The material can be processed more easily and the scattering observed. The research can be processed and can show that calcite in the interior becomes considerable, which was also ^{damaged in a mass production 6} S can already be used at energy densities of 900. up to 1200 megawatts / cm ² , and that with all energy

(b) Eine gute optische Kontaktierung der polierten dichten oberhalb dieser Werte sehr starke Schädi-Obcrflächen kann erzielt werden. Das ist bei gungen auftraten. In allen Fällen war die Schädigung(b) Good optical contact with the polished, dense damaged surfaces above these values can be achieved. That is when gungen occurred. In all cases the damage was

des Kalzits ernsthaft genug, um die optische Qualität des Kristalls zu beeinträchtigen. Die Muster aus dem undotierten Yttriumorthovanadat erlitten nur schwache oberflächliche Schädigungen bei Energiedichten von 900 bis 1200 Megawatt je cm⁸. Die Kristalle ausof the calcite serious enough to affect the optical quality of the crystal. The samples made from the undoped yttrium orthovanadate suffered only slight superficial damage at energy densities of 900 to 1200 megawatts per cm ⁸ . The crystals out

1010

Yttriumorthovanadat hielten aber auch Ene dichten bis zu 2100 bis 2400 Megawatt/cm² aus, daß eine merkbare innere Schädigung auftrat, un< optische Qualität dieser Muster blieb nach wie hoch.However, yttrium orthovanadate also withstood a density of up to 2100 to 2400 megawatts / cm ² , so that noticeable internal damage occurred, and the optical quality of these samples remained as high.

Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings

Claims (5)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Optischer Polarisator, dadurch gekennzeichnet, daß er als doppelbrechendes Material Yttriumorthovanadat enthält.1. Optical polarizer, characterized in that that it contains yttrium orthovanadate as a birefringent material. 2. Polarisator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Glan-Foucault-Konfiguration.2. Polarizer according to claim 1, characterized by a Glan-Foucault configuration. 3. Polarisator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Rochon-Konfiguration.3. Polarizer according to claim 1, characterized by a Rochon configuration. 4. Polarisator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Wollaston-Konfiguration.4. Polarizer according to claim 1, characterized by a Wollaston configuration. 5. Die Verwendung eines Polarisators nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zusammen mit einem Laser, wobei der Polarisator in dem Strahl des aus dem Laser austretenden Lichtes angeordnet ist.5. The use of a polarizer according to any one of claims 1 to 4 together with one Laser, the polarizer being arranged in the beam of light emerging from the laser.