Новый класс поляризационной оптики, созданный специально для лазеров

В оптических системах часто необходимо выделить одно состояние поляризации света. Многие интерферометрические и спектроскопические системы чувствительны к поляризации. Поляризация может даже играть роль, например, при лазерной резке, когда форма области резки становится сильно анизотропной при использовании поляризованного света. Линейная и даже круговая поляризация может быть получена с использованием «поляризатора» или компонента, который передает одно состояние поляризации при поглощении, отражении или отклонении света с ортогональным состоянием поляризации. Оптические приложения, которые зависят от хорошего контроля поляризации, включают лазерную обработку материалов, обнаружение поляризационного разнообразия в связи и дальномере, определение характеристик и производство жидкокристаллических устройств, флуоресцентные поляризационные анализы и визуализацию, формирование изображений с генерацией второй гармоники, поляризованную рамановскую спектроскопию и широкий спектр лабораторных лазеров. приложения, основанные на голографии, интерферометрии и т. д., и это лишь некоторые из них.

Существует множество типов поляризаторов и поляризующих светоделителей, но ни один из них не решает всех проблем. Есть важные приложения, для которых еще нет идеальной поляризационной составляющей. В этой статье сравниваются сильные и слабые стороны некоторых из самых популярных компонентных решений, представленных сегодня на рынке, а затем объясняется, как передовая технология оптических фильтров Semrock применяется к новому классу поляризационных компонентов, разработанных специально для лазеров. Этот новый класс фильтров заполняет некоторые ключевые пробелы на рынке компонентов поляризации.

Идеальный поляризатор демонстрирует 100% пропускание желаемого состояния поляризации и полное исчезновение нежелательного состояния. Часто наиболее важным параметром, описывающим настоящий поляризатор, является «коэффициент контрастности» или отношение пропускания через пару идентичных выровненных поляризаторов к пропусканию через ту же пару скрещенных поляризаторов. («Коэффициент экстинкции» является обратной величиной коэффициента контрастности.) Коэффициенты контрастности обычно варьируются от примерно 100:1 до 100 000:1.

Вероятно, наиболее известным типом поляризатора является поляризатор из полимерного листа, основанный на оригинальном «H-Sheet», изобретенном известной корпорацией Polaroid в 1938 году. Поляризаторы на стеклянной пленке – это новый, более эффективный тип поглощающего поляризатора, в котором асимметричные наночастицы серебра внедрены в толстую пленку из известково-натриевого стекла, зажатую между двумя стеклянными подложками (см. Рисунок 1, вверху слева). Наночастицы избирательно поглощают одну ориентацию линейно поляризованного света сильнее, чем другую, что приводит к очень высокой контрастности. Они также имеют большую апертуру и хорошее оптическое качество, но пропускание этих и всех поглощающих поляризаторов имеет тенденцию быть довольно плохим, и они не могут выдерживать очень высокую оптическую интенсивность.

Рисунок 1. Примеры некоторых основных типов поляризаторов и поляризационных светоделителей

В двулучепреломляющих кристаллических поляризаторах (см. Рисунок 1, вверху справа) разные поляризации световых лучей, падающих на границу раздела под косым углом, отклоняются на разную величину. Свет падает под определенными углами на две границы раздела, образованные зазором между двумя кристаллами двойного лучепреломления, так что эти углы близки или эквивалентны углу Брюстера для p-поляризованного света, который поэтому почти полностью проходит, тогда как под этими углами s-поляризованный свет полностью отражается внутри. Например, в поляризационных призмах Глана затухание достигается за счет полного внутреннего отражения s-поляризованного света в зазоре кристалл-воздух (лазер Глана) или зазоре кристалл-эпоксид (Глан-Томпсон). Кристаллические поляризаторы с двойным лучепреломлением обеспечивают высокий коэффициент контрастности, высокое пропускание и высокие пороги оптического повреждения. Однако основные недостатки включают ограниченный размер апертуры из-за высокой стоимости выращивания кристаллов с хорошим оптическим качеством, они очень толстые и, следовательно, склонны к искажению оптического волнового фронта, рассеянию и отклонение луча.

Обычные оптические тонкопленочные поляризаторы обеспечивают расщепление за счет интерференции в диэлектрическом оптическом тонкопленочном покрытии. Эти фильтры обычно работают около края «полосы задерживания» области высокого отражения (в результате четвертьволнового набора слоев или почти четвертьволнового набора слоев). Когда свет падает на такое покрытие под ненормальным углом падения, ширина полосы задерживания для "p" поляризованного света становится уже, чем ширина полосы задерживания при нормальном падении, в то время как ширина полосы для "s" поляризованного света становится шире, так что край «расщепляется», и появляется узкий диапазон длин волн, для которых наблюдается высокое пропускание поляризованного света «p» (сразу за полосой задерживания для «p»), но высокое отражение (затухание) поляризованного света «s» (только внутри полосы задерживания для «s»). Такие покрытия могут быть нанесены на гипотенузу прямоугольной призмы, которая объединена со второй такой призмой для создания компонента кубической формы (так называемые «поляризаторы кубического светоделителя»).

Рисунок 2. Световые волны различной длины избирательно передаются и отражаются тонкопленочным пластинчатым (или призменным) поляризатором

Основной принцип тонкопленочного поляризатора показан на рисунке 2. Стоит обратить внимание, что обычно тонкопленочные поляризаторы работают только в определенном диапазоне длин волн - для длин волн короче этого диапазона отражаются обе поляризации, а для длин волн, превышающих этот диапазон, передаются обе поляризации. Тонкопленочные цементированные или расположенные с воздушным разнесением поляризаторы призматических кубов и поляризаторы с тонкопленочными пластинами предлагают большие апертуры и хорошее оптическое качество, поэтому они хорошо работают для систем точной передачи лазерного излучения и для визуализации, но основным недостатком является то, что контраст, как правило, низкий.

Компания Semrock разработала новые поляризационные компоненты, основанные на геометрии тонкопленочной пластинки поляризатора. Как и все поляризаторы с тонкопленочными пластинами, поляризаторы Semrock обладают превосходными характеристиками с точки зрения высокого пропускания и оптического качества, высокой надежности и порогового значения лазерного повреждения, а также большой апертуры. Но теперь эти фундаментальные преимущества были объединены со способностью Semrock с высокой точностью наносить многие сотни тонкопленочных покрытий с использованием ионно-лучевого распыления, которое считается самой высококачественной технологией тонкопленочного покрытия. Результат - революционное улучшение производительности. Главным из них является контраст: поляризаторы Semrock гарантированно обеспечивают контраст выше 1 000 000 к 1 (ослабление менее 10^-6), с которым могут соперничать только поляризаторы из стеклянной пленки с низким светопропусканием и низким порогом оптического повреждения. А из-за крутых краев и резких спектральных характеристик, достигаемых тонкопленочными покрытиями с многими сотнями точно нанесенных слоев, Semrock также может максимизировать диапазоны длин волн, в которых работают эти поляризаторы, тем самым устраняя другое ключевое ограничение поляризаторов тонкопленочных пластин.

Возможно, самый уникальный поляризационный компонент Semrock – это поляризационный полосовой фильтр. Как следует из названия, этот компонент представляет собой высокоэффективный поляризатор и полосовой фильтр одновременно. В частности, поляризационный полосовой фильтр представляет собой оптический тонкопленочный фильтр, который работает при наклонном падении луча и демонстрирует высокое пропускание света с поляризацией «p» и одновременно глубокое ослабление света с поляризацией «s» в определенном диапазоне длин волн (полоса пропускания), с отношением поляризационного контраста p-s лучше чем 10⁶ : 1. За пределами полосы пропускания фильтр демонстрирует глубокую блокировку – более 6 OD (оптическая плотность) – для света всех состояний поляризации. Следовательно, фильтр фактически является полосовым фильтром для p-поляризации и широкополосным блокирующим фильтром для s-поляризации.

Рисунок 3. Свет разных длин волн избирательно передается и отражается поляризационным полосовым фильтром, все состояния поляризации света за пределами полосы пропускания блокируются

Принцип работы поляризационного полосового фильтра показан на рисунке 3. Сравнивая этот рисунок с рисунком 2, видно, что ключевое отличие состоит в том, что через фильтр проходит только свет желаемой поляризации, тогда как для обычной тонкопленочной пластины свет поляризатора нежелательной поляризации передается на длинах волн, немного превышающих рабочий диапазон (красный луч на рисунке 2). Кроме того, из этой упрощенной схемы не видно, что сам рабочий диапазон (полоса пропускания фильтра) может быть значительно шире для поляризационного полосового фильтра, чем у сопоставимого поляризатора с тонкопленочной пластиной. Более широкий рабочий диапазон позволяет использовать более широкий диапазон длин волн лазера или некогерентных волн, а также обеспечивает очень широкий апертурный угол для данной длины волны в полосе пропускания.

На рисунке 4 показано измеренное пропускание как p-поляризованного (сплошная синяя кривая), так и s-поляризованного (пунктирная красная кривая) света через поляризационный полосовой фильтр, предназначенный для использования с лазерным излучением длиной волны 532 нм. Этот фильтр имеет ширину полосы пропускания около 30 нм и диапазон углового восприятия 45±7º на длине волны 532 нм. Он обеспечивает исключительно высокое пропускание для p-поляризованного света, имеет отличное оптическое качество (качество изображения с низким разбросом, искажением волнового фронта и отклонением луча), а также долговечность и высокий порог лазерного повреждения, ожидаемые от высокопроизводительной оптики лазерного класса. Но, пожалуй, наиболее примечательно то, что контраст, измеренный с помощью скрещенных поляризаторов, гарантированно превышает 1000000: 1. Другими словами, s-поляризованный свет в полосе пропускания блокируется с оптической плотностью (OD) > 6. Блокировка вне полосы пропускания для обеих поляризаций также превышает 6 OD в видимом диапазоне длин волн, и фильтр имеет по крайней мере 2 OD, блокирующий от УФ до 1100 нм (полный диапазон чувствительности Si-детектора).

Рисунок 4. Пример спектральных характеристик поляризационного полосового фильтра. Фактические измеренные данные показаны для фильтра, предназначенного для работы на длине волны 532 нм или около нее

Уникальность этих фильтров заключается в том, что они объединяют поляризатор и полосовой фильтр в один компонент на одной подложке. Линейная поляризация с коэффициентом контрастности лучше 10⁶: 1 реализуется в желаемом диапазоне длин волн (полоса пропускания), за пределами которого фильтр имеет глубокое затухание лучше, чем 6 OD для обеих поляризаций. Такое уникальное спектральное свойство, которое, ранее не было реализовано, имеет множество применений, каждое из которых выигрывает за счет уменьшения сложности оптомеханической системы, более высокой общей передачи, уменьшения веса системы и, как следствие, более низкой общей стоимости. Некоторые конкретные примеры приложений:

Полный очищающий лазерный фильтр, который пропускает один желаемый выход поляризации от лазера на желаемой длине волны, блокируя как излучение на длине волны лазера с ортогональной поляризацией, так и излучение всех состояний поляризации на длинах волн, смежных с рабочей длиной волны. Весь заблокированный свет считается «шумом» в системах, основанных на таких лазерах, и чем лучше эти источники шума могут быть заблокированы, тем лучше отношение сигнал / шум в системе.

Система обнаружения лазерной связи, предназначенная для приема лазерного сигнала с одной поляризацией, в которой необходимо блокировать весь свет на длинах волн, отличных от рабочей длины волны (особенно окружающий свет от солнца и других источников), а также нежелательный ортогонально поляризованный свет на длине волны, которой излучает лазер; в таких системах большое соотношение между пропусканием и блокировкой фильтра, а также высокий коэффициент поляризационного контраста напрямую приводят к улучшенному отношению сигнал / шум в системе связи.

Система одновременной поляризации и мультиплексирования по длинам волн. Для мощных лазерных приложений, таких как лазерная резка и механическая обработка, одной из важных задач является масштабирование мощности лазера – получение все более и более высокой общей мощности без ущерба для яркости (которая представляет собой мощность на единицу площади, на единицу интервала длины волны, на единицу телесного угла пучка). Один из способов увеличения яркости – объединить вместе несколько лазерных пучков, каждый с немного отличающейся длиной волны (так называемое «мультиплексирование по длине волны»), и с использованием двух ортогональных поляризаций на каждой длине волны (так называемое «поляризационное мультиплексирование»). Поляризационные полосовые фильтры идеально подходят для одновременной поляризации и мультиплексирования по длинам волн.

Несмотря на то, что на рынке уже давно присутствует ряд зарекомендовавших себя технологий изготовления поляризаторов, ни одна из них не решает всех проблем поляризации. Применяя передовую технологию оптических фильтров ионно-лучевого распыления для управления поляризацией, Semrock теперь может производить поляризаторы и поляризационные светоделители, которые обеспечивают исключительно высокий контраст (>1000000:1), превосходное качество изображения, высокий порог лазерного повреждения и экологическую надежность. Эта же технология применяется к другим новым поляризационным компонентам, таким как многоволновые поляризаторы с тонкопленочными пластинами, которые будут покрывать основную и первичную гармоники Nd: YAG-лазера в одном компоненте.

© Semrock

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Semrock на территории РФ