Dünnschicht-Polarisatoren

Um häufig gestellte Fragen zu beantworten und LAYERTECs Kunden bei der Spezifikation von Dünnschicht-Polarisatoren zu helfen, werden hier die wichtigsten Fachbegriffe definiert.

Licht ist eine Transversalwelle; der Vektor des elektrischen Feldes schwingt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts. Natürliches Licht (von der Sonne oder von einer Lampe) ist meist "unpolarisiert". Das bedeutet, dass die Schwingungsebenen der elektrischen Feldvektoren der einzelnen Lichtwellen zufällig verteilt sind, aber immer quer zur Ausbreitungsrichtung liegen. Im Gegensatz dazu bedeutet der Begriff "linear polarisiertes Licht", dass es nur eine Schwingungsebene gibt. Es gibt verschiedene Optiken, die Licht polarisieren können. Ein Beispiel dafür sind Kristall-Polarisatoren, die das Licht in einen unpolarisierten "normalen Strahl" und einen polarisierten "außerordentlichen Strahl" aufspalten, oder Dünnschicht-Polarisatoren (TFP - thin film polarizer).

Um die Bedeutung der Begriffe "s-Polarisation" und "p-Polarisation" zu erklären, muss zunächst eine Bezugsebene bestimmt werden (siehe Abb. 1). Diese Ebene wird aufgespannt durch den einfallenden Strahl und durch die Oberflächennormale des Spiegels (oder Polarisators). "S-polarisiertes Licht" ist der Teil des Lichts, der senkrecht zu dieser Bezugsebene schwingt ("s" kommt von "senkrecht"). "P-polarisiertes Licht" ist der Teil, der parallel zur Bezugsebene schwingt. Bei Lichtwellen mit einer zu diesen Richtungen geneigten Schwingungsebene kann man von einem p-polarisierten und einem s-polarisierten Teil sprechen.

Der obere Teil von Abb. 1 zeigt den Reflexionsgrad einer unbeschichteten Glasoberfläche in Abhängigkeit vom Einfallswinkel für s- und p-polarisiertes Licht. Der Reflexionsgrad für s-polarisiertes Licht nimmt mit steigendem Einfallswinkel zu. Im Gegensatz dazu sinkt der Reflexionsgrad für p-polarisiertes Licht bis zum Erreichen von R = 0 beim "Brewster-Winkel" und steigt dann für Einfallswinkel jenseits des Brewster-Winkels an. Im Prinzip gilt das Gleiche für dielektrische Spiegel. Dünnschicht-Polarisatoren trennen die s-polarisierte Komponente des Lichts von der p-polarisierten Komponente, indem sie den Effekt nutzen, dass s-polarisiertes Licht einen höheren Reflexionsgrad und ein breiteres Reflexionsband als p-polarisiertes Licht besitzt.

Es gibt immer einen Wellenlängenbereich, in dem Rs nahe bei 100 % liegt, während Rp nahe bei 0 liegt. Spezielle Beschichtungsdesigns werden verwendet, um diesen Wellenlängenbereich so breit wie möglich zu machen und das Polarisationsverhältnis Tp/Ts zu maximieren. Sehr hohe Tp-Werte (> 99,5 %) können mit einer speziellen Cavity-Ring-Down-Anordnung sehr genau gemessen werden. Der TFP wird in einen Resonator eingesetzt, wodurch zusätzliche Verluste in Höhe von 100 % Tp entstehen.

Mithilfe dieser Methode kann der günstigste Einfallswinkel für jeden TFP bestimmt werden. Dünnschicht-Polarisatoren sind Schlüsselkomponenten in einer Vielzahl von Anwendungen, z.B. in regenerativen Verstärkern. LAYERTEC fertigt Dünnschicht-Polarisatoren auf ebenen Substraten (Abmessungen nach Kundenspezifikation) für Wellenlängen zwischen 260 nm und 2500 nm. Alle Dünnschicht-Polarisatoren sind für hohe laserinduzierte Zerstörschwellen optimiert. Obwohl es keine zertifizierten Messungen gibt, gab es Rückmeldungen von mehreren Kunden, dass deren LIDT ein Drittel der LIDT eines hochreflektierenden Spiegels für dieselbe Wellenlänge beträgt, der mit derselben Technologie beschichtet wurde.

Standard-Dünnschicht-Polarisatoren

• TFPs können für AOI > 40° hergestellt werden. Bitte beachten Sie, dass Dünnschicht-Polarisatoren, die unter dem Brewster-Winkel arbeiten, eine wesentlich größere Bandbreite und ein höheres Tp/Ts-Verhältnis aufweisen als solche, die unter AOI = 45° arbeiten.
• Typische Polarisationsverhältnisse Tp/Ts Standard: > 500 (AOI = 45° oder 55°)
• Ein erweiterter Wellenlängenbereich mit einem begrenzten Polarisationsverhältnis kann durch die Wahl eines AOI jenseits des Brewster-Winkels erreicht werden.
• Sonderausführungen mit einem Polarisationsverhältnis von Tp/Ts bis zu 10.000 sind möglich.
• Hohe laserinduzierte Zerstörschwellen (nützlich für Anwendungen im Resonator)
• Es ist vorteilhaft, den Laser so zu konstruieren, dass die Polarisatoren um ±2° gekippt werden können, um den Polarisator auf seine beste Leistung einzustellen
• Die Standardausführung kann für Wellenlängen zwischen 260 nm und 2500 nm verwendet werden.

Spezielle Dünnschicht-Polarisatoren

Dieses spezielle Design bietet einen extrem breiten polarisierenden Wellenlängenbereich (±10 % der Zentralwellenlänge) mit Tp/Ts = 300 bis 1000.