Ein Polarisationsstrahlteiler (PBS) ist eine optische Präzisionskomponente, die einen einzelnen einfallenden Lichtstrahl in zwei getrennte, orthogonal polarisierte Strahlen aufteilt.
Während ein standardmäßiger, nicht polarisierender Strahlteiler das Licht nach Intensität aufteilt, beispielsweise indem er unabhängig vom Polarisationszustand 50% des Lichts in eine Richtung und 50% in eine andere Richtung leitet, lenkt ein polarisierender Strahlteiler das Licht ausschließlich entsprechend der Ausrichtung seines elektrischen Feldes.
Grundkonzepte & Terminologie
Um zu verstehen, wie ein PBS innerhalb eines optischen Systems funktioniert, müssen die grundlegenden physikalischen Prinzipien seiner Funktionsweise definiert werden.
Einfallsebene
Die Einfallsebene ist die geometrische Ebene, die durch die Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichtstrahls und die Senkrechte (Normale) auf die getroffene optische Oberfläche gebildet wird. Ein polarisierender Strahlteiler trennt Licht danach, wie die elektrischen Felder relativ zu dieser Ebene ausgerichtet sind.
S-Polarisation und P-Polarisation
Diese Begriffe beschreiben die beiden orthogonalen linearen Polarisationszustände des Lichts relativ zur Einfallsebene:
- P-Polarisation: Das elektrische Feld des Lichts schwingt parallel zur Einfallsebene. In einem Standard-PBS wird p-polarisiertes Licht direkt durch die dielektrische Beschichtung transmittiert.
- S-Polarisation: Das elektrische Feld des Lichts schwingt senkrecht zur Einfallsebene, abgeleitet von senkrecht, dem deutschen Wort für „perpendicular“. In einem Standard-PBS wird s-polarisiertes Licht durch die dielektrische Beschichtung in einem Winkel von 90 Grad reflektiert.
Extinktionsverhältnis (Kontrastverhältnis)
Das Extinktionsverhältnis ($ER$) ist eine Kenngröße zur Quantifizierung der Effizienz und Polarisationsreinheit eines PBS. Es gibt an, wie gut die Komponente den gewünschten Polarisationszustand isoliert und gleichzeitig den unerwünschten Zustand blockiert.
Für den transmittierten Strahl, der idealerweise rein p-polarisiert sein sollte, wird das Extinktionsverhältnis als Verhältnis der Transmission des gewünschten Polarisationszustands zur Transmission des unerwünschten Zustands berechnet:
ER = Tp / Ts
Dabei ist Tp die Transmission von p-polarisiertem Licht und Ts die Transmission des verbleibenden s-polarisierten Lichts. Ein hohes Extinktionsverhältnis (z. B. >1000:1) ist entscheidend, um eine Verunreinigung des Signals in empfindlichen Systemen zu verhindern.
Praktische Anwendungen
Polarisierende Strahlteiler sind grundlegende Bausteine vieler anspruchsvoller optischer Systeme. In der US-Patentliteratur werden sie häufig für Systeme genannt, die eine präzise Lichtführung und Rauschunterdrückung erfordern.
Optische Isolatoren (Sende-/Empfangsumschalter)
In Systemen wie LiDAR oder Interferometern wirkt ein optischer Isolator wie ein Einwegventil für Licht und verhindert, dass Rückreflexionen eine Laserquelle destabilisieren oder beschädigen. Dies wird durch die Kombination eines PBS mit einer Viertelwellenplatte (QWP) erreicht.
- Transmission: Ein p-polarisierter Laserstrahl wird geradlinig durch den PBS transmittiert. Anschließend durchläuft er die QWP, die ihn in zirkular polarisiertes Licht umwandelt, bevor er zum Ziel gelangt.
- Isolation: Wenn das zirkular polarisierte Licht vom Ziel reflektiert wird, kehrt sich seine „Händigkeit“ um. Beim erneuten Durchgang durch die QWP wird es in linear polarisiertes Licht umgewandelt. Seine Achse ist nun jedoch um 90 Grad gedreht, sodass es s-polarisiert ist.
- Strahlumlenkung: Wenn dieses zurücklaufende s-polarisierte Licht auf den PBS trifft, reflektiert die dielektrische Beschichtung es in einem Winkel von 90 Grad und lenkt es sicher vom Laserresonator weg.
Koaxiale Beleuchtung für die industrielle Bildverarbeitung
Bei automatisierten optischen Inspektionssystemen (AOI) erzeugt die Prüfung stark reflektierender, ebener Oberflächen wie Halbleiterwafer oder bearbeiteter Metalle mit Standardbeleuchtung eine starke Blendung, die mikroskopische Defekte verdeckt. Ein PBS in Kombination mit einer QWP ermöglicht einen koaxialen Beleuchtungsaufbau, der dieses Problem löst.
- Selektive Beleuchtung: Eine unpolarisierte LED strahlt seitlich in den PBS. Die interne Beschichtung reflektiert nur das s-polarisierte Licht nach unten zum Objekt und leitet es durch eine QWP, wodurch es zirkular polarisiert wird.
- Blendungsreduzierung: Das Licht wird an der glänzenden ebenen Oberfläche reflektiert, wodurch sich die Händigkeit seiner Zirkularpolarisation umkehrt. Es läuft erneut durch die QWP und wird dabei in sauber p-polarisiertes Licht umgewandelt.
- Bilderfassung: Da das von der ebenen Oberfläche ausgehende Streulicht nun vollständig p-polarisiert ist, wird es direkt durch den PBS auf den Kamerasensor transmittiert und erzeugt einen gleichmäßig hellen Hintergrund. Licht, das an einem Defekt gestreut wird, verliert diesen klar definierten Polarisationszustand, wird vom PBS blockiert und erscheint der Bildverarbeitungssoftware als dunkler Fleck mit hohem Kontrast.
