DE3814742A1 - Achromatischer phasenretarder - Google Patents

Description

Das erfindungsgemäße Bauelement wird in optische Anord­ nungen eingesetzt, in denen die Anwendung zirkular pola­ risierter paralleler Lichtbündel vorteilhafter gegenüber linear polarisierter Lichtbündel ist.

So verhindert es in Laseranordnungen als optischer Isolator den Einfluß reflektierten und gestreuten Lichts auf Licht­ quelle und Empfänger. In der optischen Speichertechnik erlaubt es bei Anordnungen mit Strahlenteilern einen Ener­ gietransport zwischen Lichtquelle und Empfänger mit hohem Wirkungsgrad. Das gleiche gilt für die optische Übertra­ gungstechnik bei Anwendung von Lasern und Strahlenteilern. In Laser-Ellipsometern kann ein Viertellambda-Phasen­ retarder der erfindungsgemäßen Bauart zur Analyse des an der Probe reflektierten elliptisch polarisierten Lichts eingesetzt werden, ebenso in Meßanordnungen zur Bestim­ mung der optischen Rotationsdisperison und des Zirkular­ dichroismus.

In Mikroskop-Spektralphotometern schließlich kann der Einfluß von Streulicht reduziert werden.

Für achromatische Phasenretarder sind eine Vielzahl von Lösungen bekannt, von denen im nachfolgenden nur die auf prismatischen Glaskörpern aufbauenden betrachtet werden, da andere Lösungen (Folienkombinationen, Kristallkombina­ tionen) an sich eine wesentlich höhere Wellenlängenabhän­ gigkeit des Gangunterschiedes aufweisen.

Bei einer bekannten Lösung, dem FRESNEL-Rhombus (Appl. Opt. 9 (1970) 9, S. 2123-2129) wird die vorzugsweise ge­ wünschte Phasendifferenz von 90°, sie entspricht einem Gangunterschied von λ/4, zwischen den p- und s-Kompo­ nenten einer schräg zur Einfallsebene linear polarisierten Lichtwelle durch eine zweifache Totalreflexion erreicht, der einfallende Lichtstrahl trifft senkrecht auf die Retarder-Eintrittsfläche. Nachteil dieser Lösung ist, daß der Wellenlängenfehler der Phasendifferenz im Wellen­ längenbereich von 400 nm bis 1000 nm±1,3° beträgt. Bei einer weiteren bekannten Lösung, einem modifizierten DOVE-Prisma (US-PS 45 14 047) sind drei Totalreflexions­ flächen vorgesehen gegenüber dem FRESNEL-Rhombus hat dieser Vorteile, jedoch noch den gleichen Wellenlängen­ fehler. Zur Reduzierung dieses Wellenlängenfehlers müßte Glas einer Brechzahl und einer Dispersion verwendet werden die praktisch nicht existent sind.

Weiterhin ist eine Lösung bekannt, bei der ein mit Magnesiumfluorid beschichtetes Glasprisma, in dem vier Totalreflexionen stattfinden verwendet wird (FILINSKI und SKETTRUP/Appl. Opt. 23 (1984) 16, S. 2747).

Im Spektralbereich von 400 nm bis 700 nm wird der Wellen­ längenfehler der Phasendifferenz auf ±0,61° reduziert. Nachteilig ist das technologisch aufwendige und schwer be­ herrschbare Auftragen der Magnesiumfluorid-Schicht auf dem Glaskörper.

Bei einer weiteren bekannten Lösung ist die Hypotenuse eines Glasprismas mit einer dielektrischen Mehrfachschicht belegt (US-PS 45 95 261). Es wird zwar ein Wellenlängenfehler der Phasendifferenz von 0,02° erreicht, jedoch nur im Wellenlängenbereich von 740 nm bis 980 nm. Ein weiterer Nachteil besteht auch hier in der technologisch aufwen­ digen Herstellung dieses Prismas.

Das Ziel der Erfindung ist ein achromatischer Phasen­ retarder der mindestens über den sichtbaren Spektralbe­ reich des Lichtes, vorzugsweise auch im nahen Infrarot- und im nahen Ultraviolett-Bereich einsetzbar ist. Er muß mit geringem technologischen Aufwand herstellbar sein, soll eine geringe Baulänge besitzen und soll nicht auf die An­ wendung von Spezialgläsern beschränkt sein.

Die Erfindung hat die Aufgabe einen achromatischen Phasen­ retarder zu schaffen der mindestens über den sichtbaren Spektralbereich des Lichtes, vorzugsweise auch im nahen Infrarot- und im nahen Ultraviolett-Bereich einsetzbar ist und nur eine Abweichung der Phasendifferenz δ von dem bei einer Schwerpunktwellenlänge λ _S festgelegten Wert δ _S auf­ weist, die im Interesse einer maximalen Extinktion einen Wert von 0,1% nicht überschreitet, sowie möglichst wenige Totalreflexionsflächen aufweist.

Die Aufgabe löst ein achromatischer Phasenretarder be­ stehend aus mindestens einen prismatischen Körper und zwei Totalreflexionsflächen erfindungsgemäß dadurch, daß eine Lichteintrittsfläche unter einem Einfallswinkel ungleich 90° zur Einfallsrichtung eines Lichtstrahles liegt und daß an der Lichteintrittsfläche eine erste Totalreflexions­ fläche unter einem Winkel anliegt, wobei beide Winkel so gewählt sind, daß für ein an der Lichteintrittsfläche gebrochener Lichtstrahl kurzer Wellenlänge ein Einfalls­ winkel an der ersten Totalreflexionsfläche entsteht, der größer ist als ein Einfallswinkel eines gebrochenen Licht­ strahles längerer Wellenlänge, daß eine zweite Totalre­ flexionsfläche parallel zur ersten Totalreflexionsfläche und eine die gebrochenen reflektierten Lichtstrahlen brechende Lichtaustrittsfläche parallel zur Lichteintritts­ fläche angeordnet sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung bestehen darin, daß der Einfallswinkel des Lichtstrahles an der Lichteintrittsfläche so gewählt ist, daß die Differenz der Brechungswinkel von kurzwelligen zu Licht mittlerer Wellen­ länge oder die Differenz der Brechungswinkel von Licht mittlerer Wellenlänge zu langwelligen Licht identisch ist mit der Differenz der entsprechenden Einfallswinkel an der ersten Totalreflexionsfläche gemäß der Beziehung

oder

wobei

α der Einfallswinkel an der Lichteintrittsfläche n _L die Brechzahl für langwelliges Licht; n _S die Brechzahl für Licht mittlerer Wellenlänge; n _K die Brechzahl für für kurzwelliges Licht
und ϑ _L der Einfallswinkel von langwelligem Licht, ϑ _S der Einfallswinkel von Licht mittlerer Wellenlänge, ϑ _K der Einfallswinkel von kurzwelligem Licht an der ersten Totalreflexionsfläche

sind, und der Winkel ϕ durch die Beziehung

bestimmt ist,
sowie darin, daß die Körperlänge des achromatischen Phasenretarders so gewählt ist, daß eine gerade Anzahl von Totalreflexionen erfolgen und darin, daß er aus durch­ sichtigem Material mit einer Brechzahl n _e 1,7, einer be­ liebigen ABBE-Zahl ϑ _e und einer spannungsoptischen Konstante B0,5 TPa^-1 besteht.

Zur Erzeugung einer Phasendifferenz von 90° oder von 180° wird die Körperlänge des achromatischen Retarders er­ findungsgemäß so gewählt, daß für 90° Phasendifferenz zwei Totalreflexionen und für 180° Phasendifferenz vier Totalreflexionen im achromatischen Retarder erfolgen. Die Wirkung des erfindungsgemäß gestalteten achromatischen Phasenretarder besteht in einem neuen Prinzip der Autokom­ pensation des Phasenfehlers durch die Dispersion des achromatischen Phasenretarders. Durch die parallele An­ ordnung der Lichtaustrittsfläche zur Lichteintrittsfläche verlassen Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen den achromatischen Phasenretarder untereinander parallel. Die an der Grenzfläche Retarder-Luft reflektierte Strahlung wird vollständig aus dem Strahlengang eliminiert, so daß keine reflexmindernden Schichten auf dem achromatischen Phasenretarder erforderlich sind, die ihrerseits den Polarisationszustand negativ beeinflussen würden. Mit dem erfindungsgemäßen achromatischen Phasenretarder wird durch Verbesserung der Achromasie und der Verminde­ rung von Falschlicht gegenüber den bekannten Lösungen eine erhebliche Kontraststeigerung erreicht. Gegenüber dem bisher besten achromatischen Phasenretarder wird eine Ver­ ringerung des Phasenfehlers um eine Zehnerpotenz in dessen Arbeitsbereich (678 nm bis 868 nm) erreicht. Der Arbeits­ bereich des erfindungsgemäßen achromatischen Phasenretar­ ders ist insgesamt wesentlich größer, von 350 nm bis 1014 nm beträgt der Phasenfehler0,05°, bei einer Aus­ führung für den Wellenlängenbereich von 546 nm bis 1813 nm beträgt der Phasenfehler0,02°. Der technologische Auf­ wand zu seiner Herstellung ist gering.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von schematischen Zeichnungen erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch die Anordnung der Wirkungs­ flächen und den Strahlenverlauf im achromatischen Phasenretarder,

Fig. 2 die Gestaltung des achromatischen Phasenretarders für die Erzeugung einer Phasendifferenz von 180° und

Fig. 3 die Kennlinie des erfindungsgemäßen achromatischen Phasenretarders.

Der achromatische Phasenretarder besteht aus mindestens einem prismatischen Körper durchsichtigen Materials mit zwei Totalreflexionsflächen. In Fig. 1 ist die Anordnung der Wirkungsflächen und der Strahlenverlauf dargestellt. Die Lichteintrittsfläche 2 ist unter einem Einfallswinkel α ungleich 90° zur Einfallsrichtung eines Lichtstrahles 1 an­ geordnet. Die erste Totalreflexionsfläche 3 liegt unter ei­ nem Winkel ϕ an der Lichteintrittsfläche 2 an. Die beiden Winkel α und ϕ sind so gewählt daß für ein an der Licht­ eintrittsfläche 2 gebrochener Lichtstrahl kurzer Wellen­ länge 1 _K ein Einfallswinkel j _K an der ersten Totalreflexions­ fläche 3 entsteht, der größer ist als ein Einfallswinkel ϑ _L eines gebrochenen Lichtstrahles längerer Wellenlänge 1 _L . Die zweite Totalreflexionsfläche 4 ist parallel zur ersten Totalreflexionsfläche 3 und die die gebrochenen reflektier­ ten Lichtstrahlen 1 _K und/oder 1 _L brechende Lichtaustrittsfläche 5 parallel zur Lichteintrittsfläche 2 angeordnet. Die Körperlänge l ist vorzugsweise so gewählt, daß zwei Totalreflexionen erfolgen und damit eine Phasen­ differenz von 90° entsteht.

Der erfindungsgemäße achromatische Phasenretarder ist in optischen Anordnungen, die mit polychromatischem oder mit monochromatischem oder einem durchstimmbaren Farbstofflaser arbeiten, einsetzbar.

In Fig. 2 ist ein achromatischer Phasenretarder darge­ stellt, der für die Erzeugung einer Phasendifferenz von 180° gestaltet ist. Die Körperlänge l ist so gewählt, daß vier Totalreflexionen erfolgen.

In Fig. 3 ist der Verlauf der Phasendifferenz in Abhän­ gigkeit von der Wellenlänge des Lichtstrahles 1 darge­ stellt. Die Kennlinie A zeigt die Charakteristik des erfindungsgemäßen achromatischen Phasenretarders, die Kennlinie B die eines FRESNEL-Rhombus.

Claims (5)

1. Achromatischer Phasenretarder bestehend aus mindestens einem prismatischen Körper mit zwei Totalreflexionsflächen, gekennzeichnet dadurch, daß eine Lichteintrittsfläche (2) unter einem Einfalls­ winkel (α) ungleich 90° zur Einfallsrichtung eines Lichtstrahles (1) liegt und daß an der Lichtein­ trittsfläche (2) eine erste Totalreflexionsfläche (3) unter einem Winkel (ϕ) anliegt, wobei beide Winkel (α, ϕ) so gewählt sind, daß für ein an der Lichtein­ trittsfläche (2) gebrochener Lichtstrahl kurzer Wellenlänge (1 _K ) ein Einfallswinkel (ϑ _K ) an der ersten Totalreflexionsfläche (3) entsteht, der größer ist als ein Einfallswinkel (ϑ _L ) eines gebrochenen Lichtstrahles längerer Wellenlänge (1 _L ), daß eine zweite Totalreflexionsfläche (4) parallel zur ersten Totalreflexionsfläche (3) und eine die gebrochenen reflektierten Lichtstrahlen (1 _L , 1 _S , 1 _K ) brechende Lichtaustrittsfläche (5) parallel zur Lichteintritts­ fläche (2) angeordnet sind.

2. Achromatischer Phasenretarder nach Anspruch 1, ge­ kennzeichnet dadurch, daß der Einfallswinkel (a) so gewählt ist, daß die Differenz der Brechungswinkel von kurzwelligen zu Licht mittlerer Wellenlänge oder die Differenz der Brechungswinkel von Licht mitt­ lerer Wellenlänge zu langwelligem Licht identisch ist mit der Differenz der entsprechenden Einfalls­ winkel (ϑ _K , ϑ _S , ϑ _L ) an der ersten Totalreflexions­ fläche (3) gemäß der Beziehung oder wobeiαder Einfallswinkel an der Lichteintritts­ fläche (2)n _L die Brechzahl für langwelliges Licht;n _S die Brechzahl für Licht mittlerer Wellen­ länge;n _K die Brechzahl für kurzwelliges Licht undj _L der Einfallswinkel von langwelligem Licht,ϑ _S der Einfallswinkel von Licht mittlerer Wel­ lenlänge,j _K der Einfallswinkel von kurzwelligem Licht an der ersten Totalreflexionsfläche (3)sind, und der Winkel (ϕ) durch die Beziehung bestimmt ist.

3. Achromatischer Phasenretarder nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß seine Körperlänge (1) so gewählt ist, daß eine gerade Anzahl von Totalreflexio­ nen erfolgen.

4. Achromatischer Phasenretarder nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß er aus durchsichtigem Material mit einer Brechzahl n _e 1,7, einer beliebigen ABBE-Zahl ν _e und einer spannungsop­ tischen Konstante B0,5 TPa^-1 besteht.

Hierzu 3 Seiten Zeichnung Fü/Ull 28. 05. 1987