Prismen und Rauten

Da nahezu alle Detektoren polarisationsempfindlich sind, muss ein Depolarisator vorgeschaltet werden, um die Abhängigkeit von der Polarisation der einfallenden Strahlung zu eliminieren und somit die Genauigkeit zu verbessern. Das Prinzip der Depolarisation beruht darauf, Licht, das ursprünglich nur eine bestimmte Polarisationsrichtung aufweist, in einen Mischzustand mit verschiedenen, zufälligen Polarisationsrichtungen umzuwandeln und so die Polarisationseigenschaften zu eliminieren. Es gibt drei Methoden zur Depolarisation: durch Veränderung des Polarisationszustands des Lichts in Bezug auf Zeit, Raum oder Wellenlänge. Ein doppelbrechender Kristall-Depolarisator nutzt seine Strahlteilungseigenschaft, um die geordnete Ausrichtung polarisierten Lichts im Raum vollständig aufzuheben und so eine Depolarisation zu erreichen – das heißt, polarisiertes Licht wieder in unpolarisiertes Licht umzuwandeln. Anstatt die Polarisation zu eliminieren, neutralisiert er sie. Das Grundprinzip ist einfach: Er spaltet das ursprünglich gerichtete polarisierte Licht in unzählige Strahlen mit unterschiedlichen Ausrichtungen auf, die sich anschließend überlagern. Das Ergebnis ist Licht, das scheinbar keine feste Richtung mehr besitzt. 1. Mehrfarbiger Lichtdepolarisator Der Lyot-Depolarisator ist ein typischer polychromatischer (Weißlicht-)Depolarisator, der als Ein- und Doppelplattenversion erhältlich ist. Der Einplatten-Depolarisator erzielt seine optimale Depolarisationsleistung, wenn die Schwingungsebene des einfallenden polarisierten Lichts einen Winkel von 45° zur optischen Achse bildet. Die Effektivität des Doppelplatten-Depolarisators ist unabhängig von der Polarisationsebene des einfallenden Lichts, was ihn praktischer macht; sein Aufbau ist in Abbildung 1 dargestellt. Dieser Depolarisator besteht aus zwei doppelbrechenden Kristallen mit einem Dickenverhältnis von 2:1, deren optische Achsen in einem Winkel von 45° zueinander ausgerichtet sind. Die gesamte Anordnung wird durch Kleben oder Verkapseln zweier Kristallplatten mit optischem Klebstoff hergestellt. Sein Funktionsprinzip beruht darauf, dass einfallendes Licht unterschiedlicher Wellenlängen nach dem Durchgang durch die doppelbrechenden Elemente unterschiedliche Phasenverzögerungen erfährt, was zu elliptisch polarisiertem Licht mit variierender Elliptizität führt. Der resultierende Ausgangsstrahl ist eine zufällige Kombination von Polarisationen mit unterschiedlichen Elliptizitäten, wodurch die Depolarisation erreicht wird.     Abbildung 1 Lyot-Depolarisator   Der Lyot-Depolarisator zeichnet sich durch hervorragende Kompatibilität aus und ist daher mit verschiedenen Lichtquellen kompatibel. Er erweist sich als äußerst nützlich in Anwendungen wie Gyroskopen und optischer Sensorik. Allerdings weist er auch Einschränkungen auf: Seine Wirksamkeit beschränkt sich auf ein breites Spektrum des einfallenden Lichts, und die Depolarisationsleistung ist bei monochromatischem Licht suboptimal. Die Depolarisationseffizienz des Lyot-Depolarisators hängt von der Betriebswellenlänge, dem Material, dem Winkel der optischen Achse und dem Prismenkeilwinkel ab.   2. Monochromatischer Lichtdepolarisator   Im Vergleich zu Depolarisatoren für mehrfarbiges Licht bieten Depolarisatoren für monochromatisches Licht in mancher Hinsicht ein breiteres Anwendungsspektrum, da sie in der Regel auch mehrfarbiges Licht gut depolarisieren können. Eine einzelne Viertelwellenplatte kann als Pseudo-Depolarisator dienen. Bei quasi-planar polarisiertem monochromatischem Licht ist ihre Leistung, insbesondere bei reiner Intensitätsmessung, sehr zufriedenstellend; sie reduziert effektiv Fehler, die durch die Polarisationsempfindlichkeit von Fotodetektoren verursacht werden, und gewährleistet so die Zuverlässigkeit der Messergebnisse. Der gebräuchlichste Typ von Depolarisatoren für monochromatisches Licht ist der keilförmige Depolarisator (siehe Abbildung 2). Abbildung 2 Ein einzelner optischer Keildepolarisator Beim Durchgang durch den Depolarisator spaltet sich das einfallende Licht in O-Licht und E-Licht auf. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten im Kristall weisen die beiden Strahlen an verschiedenen Austrittspositionen deutliche Phasenunterschiede auf. Die Phase variiert entsprechend mit der Kristalldicke. Das emittierte Licht durchläuft periodische Übergänge zwischen linear, elliptisch und zirkular polarisierten Zuständen, wie in Abbildung 3 dargestellt. Der wesentliche Unterschied zwischen dem aus dem Depolarisator austretenden Licht und natürlichem Licht liegt in ihren Polarisationszuständen: Ersteres behält an jeder Austrittsposition einen konstanten Polarisationszustand bei, während Letzteres an verschiedenen Positionen zufällige Polarisationszustände aufweist. Abbildung 3: Verlauf des Polarisationszustands des emittierten Lichts in Abhängigkeit von der Position Die Nachteile dieses Depolarisators liegen auf der Hand. Erstens muss der optische Keilwinkel ausreichend klein sein, da es sonst zu Strahldivergenz und -ablenkung kommt. Im Betrieb sollte der Abstand zwischen Depolarisations- und Empfangsvorrichtung nicht zu groß sein, da dies die Leistung beeinträchtigt. Zweitens lässt sich eine effektive Depolarisation von linear polarisiertem Licht nur erreichen, wenn das einfallende Licht senkrecht zur optischen Achse des Depolarisators steht und dessen Polarisationsebene einen Winkel von 45 Grad bildet. Diese Einschränkungen verdeutlichen die Schwächen von Depolarisationsvorrichtungen in kompakten Bauformen. Die strukturellen Unterschiede zwischen polychromatischen und monochromatischen Depolarisatoren entsprechen unterschiedlichen Variablen in der Formel zur Berechnung der Phasenverzögerung. Die Phasenverzögerung δ wird mit der folgenden Formel berechnet: Hierbei bezeichnet λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts, n₀ den Brechungsindex des Lichts o, nₐ den Brechungsindex des Lichts e und d die Dicke des doppelbrechenden Kristalls. Der polychromatische Lichtdepolarisator besitzt eine Parallelplattenstruktur mit konstanter Dicke d. Da polychromatisches Licht Wellenlängen aus verschiedenen Spektralbereichen enthält, variieren deren Wellenlängen (λ₁, λ₂, ..., λₙ), was zu deutlichen Phasenunterschieden führt. Im Gegensatz dazu verwendet der für monochromatisches einfallendes Licht ausgelegte monochromatische Lichtdepolarisator doppelbrechende Materialien mit variierenden Dicken (d₁, d₂, ..., dₙ). Dadurch wird sichergestellt, dass die o- und e-polarisierten Komponenten an verschiedenen Positionen auf der Austrittsfläche unterschiedliche Phasenunterschiede aufweisen, was eine keilförmige Fertigung ermöglicht.   3. Rundungsdetektor für kreisförmige Unebenheiten Bei der Untersuchung von zirkularer Doppelbrechung oder Dichroismus ist es oft notwendig, zirkular polarisiertes Licht zu depolarisieren. Der direkteste Ansatz besteht darin, das zirkular polarisierte Licht zunächst mithilfe einer Viertelwellenplatte in linear polarisiertes Licht umzuwandeln und anschließend das monochromatische, linear polarisierte Licht zu depolarisieren.