Auswahlhilfe für Polarisationsfilter

Weitere Informationen zur Polarisation finden Sie unter Grundlagen der Polarisation.

Die Polarisation ist eine wichtige Eigenschaft des Lichts. Polarisationsfilter oder Polarisatoren sind wesentliche optische Elemente zur Steuerung der Polarisation. Sie übertragen einen gewünschten Polarisationszustand und reflektieren, absorbieren oder lenken den Rest ab. Es gibt eine Vielzahl von Polarisatoren, die jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Um Ihnen bei der Auswahl des geeignetsten Polarisators für Ihre Anwendung zu helfen, stellen wir hier die Spezifikationen von Polarisatoren sowie die verschiedenen Arten von Polarisator-Designs vor.

Eigenschaften von Polarisatoren

Polarisatoren werden durch einige wesentliche Parameter definiert, von denen einige spezifisch für die Polarisationsoptik sind. Die wichtigsten Merkmale sind:

Auslöschungsverhältnis und Polarisationsgrad: Die Polarisationseigenschaften eines linearen Polarisators werden in der Regel durch den Polarisationsgrad oder die Polarisationseffizienz, P, und das Auslöschungsverhältnis, ρ_p; definiert. Nach dem im Handbook of Optics beschriebenen Formalismus sind die Hauptwerte der Transmission des Polarisators T₁ und T₂. T₁ ist die maximale Transmission des Polarisators und tritt auf, wenn die Achse des Polarisators parallel zur Polarisationsebene des einfallenden polarisierten Strahls liegt. T₂ ist die minimale Transmission des Polarisators und tritt auf, wenn die Achse des Polarisators senkrecht zur Polarisationsebene des einfallenden polarisierten Strahls steht.

Polarisationsebenen

(1)$$ P = \frac{\left( T_1 - T_2 \right)}{\left( T_1 + T_2 \right)} \, \, \text{und} \, \, \rho_p = \frac{T_2}{T_1} $$

Die Auslöschungsleistung eines linearen Polarisators wird häufig als 1 / ρ_p ausgedrückt: 1. Dieser Parameter reicht von weniger als 100:1 für preiswerte Folienpolarisatoren bis zu 10⁶:1 für hochwertige doppelbrechende kristalline Polarisatoren. Das Auslöschungsverhältnis variiert in der Regel mit der Wellenlänge und dem Einfallswinkel und muss zusammen mit anderen Faktoren wie Kosten, Größe und polarisierter Übertragung für eine bestimmte Anwendung bewertet werden.

Transmission: Dieser Wert bezieht sich entweder auf die Transmission von linear in Richtung der Polarisationsachse polarisiertem Licht oder auf die Transmission von unpolarisiertem Licht durch den Polarisator. Parallele Transmission ist die Übertragung von unpolarisiertem Licht durch zwei Polarisatoren mit parallel ausgerichteten Polarisationsachsen, während gekreuzte Transmission die Übertragung von unpolarisiertem Licht durch zwei Polarisatoren mit gekreuzten Polarisationsachsen ist. Bei idealen Polarisatoren beträgt die Transmission für linear polarisiertes Licht parallel zur Polarisationsachse 100%, für paralleles Licht 50% und für gekreuztes Licht 0%. Dies kann mit dem Malusschen Gesetz, wie in Grundlagen der Polarisation beschrieben, berechnet werden.

Akzeptanzwinkel: Der Akzeptanzwinkel ist die größte Abweichung vom geplanten Einfallswinkel, bei der der Polarisator noch innerhalb der Spezifikationen funktioniert. Die meisten Polarisatoren sind für einen Einfallswinkel von 0° oder 45° oder für den Brewster-Winkel ausgelegt. Der Akzeptanzwinkel ist wichtig für die Ausrichtung, hat aber besondere Bedeutung bei der Arbeit mit nicht kollimierten Strahlen. Wire-Grid- und dichroitische Polarisatoren haben die größten Akzeptanzwinkel, bis zu einem vollen Akzeptanzwinkel von fast 90°.

Konstruktion: Polarisatoren gibt es in vielen Formen und Ausführungen. Dünnschichtpolarisatoren sind dünne Schichten, die optischen Filtern ähneln. Polarisierende Strahlteilerplatten sind dünne, flache Platten, die in einem Winkel zum Strahl angeordnet sind. Polarisierende Strahlteilerwürfel bestehen aus zwei rechtwinkligen Prismen, die an der Hypotenuse zusammengefügt sind. Doppelbrechende Polarisatoren bestehen aus zwei zusammengesetzten kristallinen Prismen, wobei der Winkel der Prismen durch das spezifische Design des Polarisators bestimmt wird.

Freie Apertur: Die freie Apertur ist in der Regel bei doppelbrechenden Polarisatoren der limitierendste Faktor, da die Verfügbarkeit optisch reiner Kristalle die Größe dieser Polarisatoren begrenzt. Dichroitische Polarisatoren haben die größten verfügbaren freien Aperturen, da ihre Herstellung sich für größere Größen anbietet.

Optische Weglänge: Die Länge, die das Licht durch den Polarisator zurücklegen muss. Die optische Weglänge kann bei doppelbrechenden Polarisatoren beträchtlich sein, während sie bei dichroitischen Polarisatoren in der Regel kurz ist, was für die Dispersion, die Zerstörschwellen und den Platzbedarf wichtig ist.

Zerstörschwelle: Die Laserzerstörschwelle wird durch das verwendete Material und das Design des Polarisators bestimmt, wobei doppelbrechende Polarisatoren in der Regel die höchste Zerstörschwelle aufweisen. Kleber ist oft das Element, das am empfindlichsten auf Laserschäden reagiert, weshalb Strahlteiler mit optischem Kontakt oder doppelbrechende Polarisatoren mit Luftspalt höhere Zerstörschwellen aufweisen.

Kosten: Einige Polarisatoren benötigen große, sehr reine Kristalle, die teuer sind, während andere aus gestrecktem Kunststoff hergestellt werden, was sie wirtschaftlicher macht.

Auswahlhilfe Diagramme Polarisation

	Auslöschungsverhältnis	Laserinduzierte Zerstörschwelle (LIDT)	Wellenlängenbereich (nm)	Dicke	Kosten
Dichroitische Polarisationsfilter
Lineare Polarisationsfilter im Glasverbund mit hohem Kontrast	Gering bis mittel	Gering	400 - 700	Dünn (laminiert)	\$
Lineare Polarisationsfilter aus Kunststoff mit hohem Kontrast	Gering bis mittel	Gering	400 - 700	Dünn (laminiert)	\$
Linearer Polarisationsfilm mit hohem Kontrast	Gering bis mittel	Gering	400 - 700	Sehr dünn (Polymerfilm)	\$
Zirkulare Polarisationsfilter	Gering bis mittel	gering	400 - 700	Sehr dünn (Polymerfilm)	\$
Polarisationsfilter mit hohem Kontrast für UV, VIS-NIR und NIR	Hoch	Gering bis mittel	360 - 1700	Dünn	\$$$
Reflektierende Polarisatoren
Brewsterfenster	Gering	Mittel bis hoch	200 - 2200	Dünn	\$ - \$\$
Breitbandige polarisierende Strahlteilerplatten	Mittel	Mittel	420 - 670	Sehr dünn	\$\$
Breitbandige polarisierende Strahlteilerwürfel	Gering bis mittel	Mittel bis hoch	420 - 1100	Sehr dick	\$\$ - \$$$
Wire-Grid-Polarisationsfilter	Gering bis mittel	Mittel	300 - 15.000	Sehr dünn bis dünn	\$\$ - \$$$
Polarisierende Wire-Grid-Strahlteilerwürfel	Mittel	Mittel	400 - 700	Sehr dick	\$\$
Doppelbrechende Polarisatoren
Glan-Thompson-Polarisationsfilter	Hoch	Hoch	350 - 2200	Sehr dick	\$$$
Glan-Taylor-Polarisationsfilter	Hoch	Hoch	220 - 2200	Sehr dick	\$$$
Glan-Laser Polarisationsfilter	Hoch	Hoch	220 - 2200	Sehr dick	\$$$
Wollaston-Polarisationsfilter	Hoch	Hoch	190 - 4000	Sehr dick	\$$$
Rochon-Polarisationsfilter	Hoch	Hoch	130 - 4000	Sehr dick	\$$$
Dünnfilm-Polarisatoren
Dünnfilm-Polarisatoren für Ultrakurzpulslaser	Gering	Mittel bis hoch	750 - 1090	Mittel	\$$$
Laserpolarisationsfilter für hohe Leistung & Plattenpolarisatoren	Mittel	Mittel bis hoch	Einzelne Laserlinien zwischen 355 und 1064	Dick	\$$$

Auswahlhilfe Dichroitische Polarisationsfilter

Dichroitische Polarisationsfilter übertragen die gewünschte Polarisation und absorbieren den Rest. Dies wird durch Anisotropie im Polarisator erreicht; gängige Beispiele sind orientierte Polymermoleküle und gestreckte Nanopartikel. Es handelt sich um eine breite Klasse von Polarisatoren, die von preiswerten laminierten Kunststoffpolarisatoren bis hin zu hochpreisigen präzisen Nanopartikelpolarisatoren aus Glas reicht. Die meisten dichroitischen Polarisationsfilter haben ein gutes Auslöschungsverhältnis im Verhältnis zu ihren Kosten. Ihre Zerstörschwelle und Umgebungsstabilität sind oft begrenzt, obwohl dichroitische Polarisationsfilter aus Glas in dieser Hinsicht besser sind als solche aus Kunststoff. Dichroitische Polarisationsfilter eignen sich gut für Mikroskopie, Bildverarbeitung und Displayanwendungen und sind oft die einzige Wahl, wenn sehr große Aperturen erforderlich sind.

Abbildung 1: Dichroitische Polarisationsfilter absorbieren den unerwünschten Polarisationszustand

Typ

Anwendungen

Substrat

Wellenlängenbereich (nm)

Auslöschungsverhältnis

Transmission (%)

Kosten

Lineare Polarisationsfilter im Glasverbund mit hohem Kontrast

Bildverarbeitung, Mikroskopie, Display, Intensitätsanpassung

B270 & Polymerfolie

400 - 700

10.000:1

\$$$

Lineare Polarisationsfilter aus Kunststoff mit hohem Kontrast

Bildverarbeitung, Mikroskopie, Display, Intensitätsanpassung

PMMA und Polymerfolie

400 - 700

9.000:1

Einzeln: 42
Parallel: 36
Gekreuzt: <0,004

\$\$

Linearer Polarisationsfilm mit hohem Kontrast

Bildverarbeitung, Mikroskopie, Display, Intensitätsanpassung

Polymerfolien

400 - 700

9.000:1

Einzeln: 42
Parallel: 36
Gekreuzt: <0,004

Lineare Glaspolarisationsfilter

Bildverarbeitung, Mikroskopie, Display, Intensitätsanpassung

B270 & Polymerfolie

400 - 700

100:1

Einzeln: 30
Parallel: 20
Gekreuzt: 0,15

Gefasste lineare Glaspolarisationsfilter

Bildverarbeitung, Mikroskopie, Display, Intensitätsanpassung

Floatglas

400 - 700

19:1

Einzeln: 30
Gekreuzt: 0,15

Zirkulare Polarisationsfilter

Bildverarbeitung, Mikroskopie, Display, Intensitätsanpassung

PMMA und Polymerfolie

400 - 700

\$\$

Lineare Polarisationsfilter für NIR

NIR-Laser, LEDs, Telekommunikation

B270 & Polymerfolie

450 - 750
1000 - 2000

1000:1

30
33

\$$$

Auswahlhilfe: Dünnfilm-Polarisatoren

Dünnfilm-Polarisatoren arbeiten auf der Grundlage der Dünnfilmtechnologie.

Typ

Substrat

Wellenlängenbereich / Design-Wellenlänge (nm)

Auslöschungsverhältnis

Transmission (%)

Kosten

Dünnfilm-Polarisatoren für Ultrakurzpulslaser

UV-Quarzglas

750 - 850
980 - 1090

Transmittierend 20:1
Reflektierend 60:1

T_p >85 / T_s <4

Laserpolarisationsfilter für hohe Leistung

UV-Quarzglas

355, 532, 633, 1064

10.000:1

T_p >98

Auswahlhilfe: Reflektierende Polarisatoren

Reflektierende Polarisatoren lassen die gewünschte Polarisation durch und reflektieren den Rest. Sie nutzen entweder ein Drahtgitter, den Brewster-Winkel oder Interferenzeffekte. Der Brewster-Winkel ist der Winkel, bei dem nach den Fresnelschen Gleichungen nur s-polarisiertes Licht reflektiert wird. Da das p-polarisierte Licht nicht reflektiert wird, während das s-polarisierte Licht teilweise reflektiert wird, ist das durchgelassene Licht hauptsächlich p-polarisiert.

Reflektierende Polarisatioren reflketieren den unerwünschten Polarisationszustand

Abbildung 2: Reflektierende Polarisatoren, die als Strahlteilerwürfel, Strahlteilerplatten oder dünne Folien erhältlich sind, reflektieren den unerwünschten Polarisationszustand

Typ

Anwendungen

Wellenlängenbereich (nm)

Laserzerstörschwelle

Kosten

Brewsterfenster

Laserresonatoren

200 - 2200

Hoch

Breitbandige polarisierende Strahlteilerplatten

Anwendungen mit Platz- und Gewichtsbeschränkungen, Anwendungen mit geringen Kosten und niedrigem Auslöschungsverhältnis, Femtosekundenlaser-Anwendungen

250 - 1550

Niedrig bis hoch

Breitbandige polarisierende Strahlteilerwürfel

Strahlenkombination

400 - 1100

Niedrig bis hoch

Wire-Grid-Polarisationsfilter

Anspruchsvolle Umgebungen, Breitbandanwendungen, Infrarot, nicht kollimiertes Licht

300 - 15000

Niedrig bis hoch

\$\$ - \$$$

Polarisierende Wire-Grid-Strahlteilerwürfel

Breitbandanwendungen, nicht kollimiertes Licht

400 - 700

Niedrig bis hoch

\$\$

Auswahlhilfe: Doppelbrechende Polarisatoren

Doppelbrechende Polarisatoren lassen die gewünschte Polarisation durch und reflektieren den Rest. Sie basieren auf doppelbrechenden Kristallen, bei denen der Brechungsindex des Lichts von seiner Polarisation abhängt. Unpolarisiertes Licht bei nicht normalem Einfall wird beim Eintritt in den Kristall in zwei separate Strahlen aufgeteilt, da die Brechung für s- und p-polarisiertes Licht unterschiedlich ist. Die meisten Konstruktionen bestehen aus zwei miteinander verbundenen doppelbrechenden Prismen, wobei der Winkel, in dem sie verbunden sind, und die relative Ausrichtung ihrer optischen Achsen die Funktionalität des Polarisators bestimmen. Da diese Polarisatoren optisch reine Kristalle erfordern, sind sie teuer, haben aber eine hohe Laserzerstörschwelle, ein ausgezeichnetes Auslöschungsverhältnis und einen großen Wellenlängenbereich.

Kristalline Polarisatoren lassen die gewünschte Polarisation durch und reflektieren den Rest

Abbildung 3: Kristalline Polarisatoren, wie der Glan-Taylor-Polarisationsfilter, übertragen eine gewünschte Polarisation und lenken den Rest ab, indem sie die doppelbrechenden Eigenschaften ihrer kristallinen Materialien nutzen

Abbildung 4a: Glan-Taylor-Polarisationsfilter

Abbildung 4b: Glan-Laser Polarisationsfilter

Abbildung 4c: Glan-Thompson-Polarisationsfilter

Typ

Anwendungen

Wellenlängenbereich (nm)

Laserzerstörschwelle

Kosten

Glan-Thompson

Laseranwendungen, hochwertige Bildverarbeitung und Mikroskopie

220 - 2200

Mittel

\$$$

Glan-Taylor

Laseranwendungen, Spektroskopie

220 - 2200

Hoch

\$$$

Glan-Laser

Laseranwendungen, Q-Switch-Laser

220 - 2200

Sehr hoch

\$$$

Wollaston-Polarisationsfilter

Laborversuche, bei denen auf beide Polarisationen zugegriffen werden muss

190 - 4000

Hoch

\$$$

Rochon-Polarisationsfilter

Laborversuche, bei denen auf beide Polarisationen zugegriffen werden muss

130 - 7000

hoch

\$$$

ITOS GmbH ist ein Unternehmensbereich von Edmund Optics, der seit 1993 sowohl kundenspezifische als auch Standard-Polarisationslösungen für den deutschen und europäischen Markt anbietet. Der Unternehmensbereich ITOS erweitert die Ressourcen von EO im Bereich der Fertigung von Polarisatoren und Messtechnik, sodass Kunden ein größeres Portfolio an handelsüblichen und kundenspezifischen Polarisationsoptiken zur Verfügung steht.

Literatur

Bass, Michael, Casimer DeCusatis, Jay Enoch, Vasudevan Lakshminarayanan, Guifang Li, Carolyn MacDonald, Virendra Mahajan, and Eric Van Stryland, eds. Handbook of Optics: Geometrical and Physical Optics, Polarized Light, Components and Instruments. 3rd ed. Vol. 1. New York, NY: McGraw-Hill Education, 2010.
Goldstein, Dennis. Polarized Light. 2nd ed. New York, NY: Marcel Dekker, 2003.