Вращатели поляризации

Вращатели поляризации

Вращение поляризации (или преобразователи формы поляризации) проходящего монохроматического поляризованного пучка света можно реализовать с помощью фазовых пластин на основе нематических жидких кристаллов. Так, например, линейная поляризация пучка при прохождении через такую фазовую пластину может вращаться ровно на 45° или ровно 90°, поскольку матрица молекул жидких кристаллов по виду напоминает спираль. Данный тип матрицы используется при производстве ЖК-мониторов.

Традиционно в оптических системах пользуются кварцевыми фазовыми пластинами (полу- или четвертьволновыми), вносящими задержку (сдвиг) фазы в проходящее излучение. Кварц имеет высокий коэффициент пропускания, особенно в УФ-области, и пластины из этого материала отличаются высоким качеством. Однако кварцевые фазовые пластины довольно дорогие и на практике позволяют наблюдать только узкие спектральные полосы. Поле зрения тоже сильно ограничено, обычно не превышает пары градусов. Параметры пластин на основе жидких нематических кристаллов выше: они имеют больший апертурный угол, рабочий диапазон от видимого света до ближнего ИК (растет пропорционально толщине). 

Вращение поляризации можно «отключить», приложив необходимое напряжение к ЖК-ячейке. Также стоит отметить, что вращатель поляризации можно использовать как оптический модулятор, для этого достаточно расположить его между двумя скрещенными поляризаторами.

Основные преимущества:

• Широкий рабочий диапазон
• Возможность «выключения» преобразования поляризации
• Возможность использования в качестве оптического модулятора
• Совместимость с импульсными и фемтосекундными лазерами

Внешний вид вращателя поляризации на основе жидких кристаллов и их схематическое изображение, показаны на рис. 1.

Рисунок 1. Вращатель поляризации. 

Принцип действия

ЖК-пластина на основе нематических кристаллов по своей сути - молекулы жидкого кристалла, зажатые между стеклянными подложками. Стеклянные подложки имеют толщину примерно 100 нм и служат для выравнивания кристаллов.

На внутренней поверхности стеклянных подложек расположен фильтр и электрод из прозрачного вещества (обычно оксид олова с примесью индия). Таким образом, при подаче напряжения на электроды внутри матрицы создается электростатическое поле, упорядочивающее молекулы ЖК, что соответствует «выключению» преобразования поляризации проходящего излучения.

При отсутствии напряжения и поля кристаллы поворачивают ось поляризации света, прошедшего через первый поляризатор, на 90°, чтобы он оказался в одной плоскости со вторым поляризатором и беспрепятственно прошёл сквозь него.

Выравнивание кристаллов с обеих сторон пластинки происходит еще на этапе изготовления. Благодаря тщательному контролю любой спиральный угол может быть индуцирован в спиральной структуре поперек жидкокристаллического слоя. При угле закручивания в 90° образуется стандартная нематическая ячейка с углом 90°. Углы закручивания менее 90° образуют ячейку с малым поворотом, тогда как по определению ячейки со сверхзакручиванием представляют собой ячейки, которые имеют углы закручивания, превышающие 180°. 

Размер и толщина стеклянных подложек при производстве точно рассчитывается, непосредственно на пластины подложки крепятся с помощью герметика.

Выключенному состоянию вращателя поляризации соответствует схема, показанная  слева на рис. 2. Благодаря спиральной структуре ось поляризации входного излучения поворачивается. Включенный вращатель поляризации (когда на электроды подается напряжение и между ними создается электростатическое поле) изображен на рис. 2 справа. 

Рисунок 2. Принцип работы вращателя поляризации на основе жидких кристаллов.

Стопроцентная эффективность (сохранение профиля лазерного пучка) при вращении оси поляризации линейно поляризованного входного пучка достигается путем увеличения толщины ячейки до предельного значения. Выходное излучение при этом преобразуется в эллиптически поляризованное. Векторы поляризации выходного излучения колеблются перпендикулярно и параллельно молекулам.

Также следует учитывать разность длин оптических путей в ЖК-ячейке. Она определяется параметром Dnd, где Dn - анизотропный коэффициент преломления жидкого кристалла, d - интервал между ячейками. Уравнение ниже иллюстрирует пропускание T ЖК матрицы стандартной конфигурации, выраженной через нормализованный параметр сдвига u (предполагается, что ЖК-ячейка расположена между двумя параллельно ориентированными идеальными поляризаторами):

Высокая эффективность преобразования состояния поляризации достигается при большой разности оптических путей, то есть при высокой анизотропии кристалла. Это соотношение считается наиболее оптимальным и часто используется при производстве вращателей.

Однако большой промежуток между ячейками также приводит к увеличению времени реакции внутри ЖК-структуры. Считается, что мониторы на основе ЖК-матриц остаются идеальным выбором для дизайнеров и других специалистов, работа которых критична к качеству цветопередачи и некритична к скорости переключения ячеек. Это и по сей день остается проблемой ЖК-технологий: поворот большого массива кристаллов с сохранением яркости, контраста и цветопередачи. Поэтому ARCoptix производит не только стандартные, но и кастомизированные продукты для различных приложений.

© ARCoptix

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