Eine Viertelwellenplatte (häufig als QWP abgekürzt) ist eine optische Komponente aus einem doppelbrechenden Kristall, beispielsweise Quarz, Magnesiumfluorid oder speziellen Polymeren. Sie dient dazu, den Polarisationszustand des durch sie hindurchtretenden Lichts zu verändern.
Kernfunktion und Funktionsweise
Der Hauptzweck einer Viertelwellenplatte besteht darin, zwischen den beiden orthogonalen Polarisationskomponenten einer einfallenden Lichtwelle eine definierte Phasenverschiebung von genau einem Viertel der Wellenlänge (lambda / 4 oder 90 Grad) einzuführen.
Doppelbrechende Materialien besitzen zwei unterschiedliche optische Wege, die als schnelle Achse und langsame Achse bezeichnet werden. Da das Material für jede Achse einen anderen Brechungsindex aufweist, durchläuft entlang der langsamen Achse polarisiertes Licht den Kristall mit einer geringfügig niedrigeren Geschwindigkeit als entlang der schnellen Achse polarisiertes Licht. Eine Viertelwellenplatte wird mit einer hochpräzisen Dicke gefertigt, sodass das Licht auf der langsamen Achse beim Erreichen der gegenüberliegenden Seite genau eine Viertelwellenlänge hinter dem Licht auf der schnellen Achse zurückliegt.
Wesentliche Polarisationstransformationen
Je nach Ausrichtung des einfallenden Lichts relativ zur Wellenplatte führt sie zwei wesentliche Umwandlungen durch:
- Linear zu zirkular: Wenn linear polarisiertes Licht in einem Winkel von genau 45 Grad zu den optischen Achsen in die Wellenplatte eintritt, wird das Licht in zwei gleich große Komponenten aufgeteilt. Durch die Viertelwellenverzögerung verbinden sich diese Komponenten beim Austritt aus dem Kristall und erzeugen zirkular polarisiertes Licht.
- Zirkular zu linear: Umgekehrt hebt die Phasenverschiebung die zirkulare Polarisation praktisch auf, wenn zirkular polarisiertes Licht die Wellenplatte durchläuft. Dadurch wird der Strahl wieder in einen rein linear polarisierten Zustand überführt.
Gängige Typen und Beispiele
Unterschiedliche Anwendungen erfordern unterschiedliche Bauformen von Viertelwellenplatten:
- Zero-Order-Quarz-Viertelwellenplatte: Sie besteht typischerweise aus zwei sehr dünnen Platten aus kristallinem Quarz, wobei die schnelle Achse der einen Platte an der langsamen Achse der anderen ausgerichtet ist. Durch die präzise Kontrolle des Dickenunterschieds erzielen die Hersteller eine exakte Phasenverschiebung von lambda / 4. Sie ist äußerst stabil und weniger empfindlich gegenüber Temperaturänderungen oder geringfügigen Wellenlängenverschiebungen.
- Achromatische Viertelwellenplatte: Standard-Wellenplatten sind auf eine einzelne Wellenlänge abgestimmt. Eine achromatische QWP wird durch Verkitten zweier unterschiedlicher doppelbrechender Materialien hergestellt, üblicherweise Quarz und Magnesiumfluorid. Da sich ihre Dispersionseigenschaften gegenseitig kompensieren, erzeugt dieser Typ über ein breites Lichtspektrum hinweg eine gleichmäßige Viertelwellenverzögerung. Dadurch eignet er sich für Systeme mit breitbandigen Lichtquellen wie Xenonbogen- oder Quecksilberbogenlampen.
- Zirkularpolarisationsfilter (CPL): Wird in der Fotografie häufig zur Reduzierung von Reflexionen eingesetzt. Ein CPL besteht aus einem linearen Polarisator, gefolgt von einer bei 45 Grad ausgerichteten polymeren Viertelwellenplatte. Die QWP wandelt das linear polarisierte Licht wieder in zirkular polarisiertes Licht um, damit die internen, polarisationsempfindlichen Autofokusspiegel der Kamera ordnungsgemäß funktionieren können.
Anwendungen
Über die Alltagsfotografie hinaus sind Viertelwellenplatten für verschiedene wissenschaftliche und industrielle Anwendungen von entscheidender Bedeutung:
- Optische Isolatoren: Werden häufig mit einem Linearpolarisator kombiniert, damit Laserlicht in Vorwärtsrichtung passieren kann, während rücklaufende Streureflexionen blockiert werden, die die Lichtquelle beschädigen könnten.
- Optisches Pumpen und Laser: Wird verwendet, um den Polarisationszustand von Strahlen innerhalb von Laserresonatoren oder bei bestimmten quantenmechanischen Experimenten zu steuern.
- Spannungsanalyse: Wird in der Photoelastizität eingesetzt, um optische Spannungsverteilungen in transparenten mechanischen Komponenten zu analysieren.
Beispiel
Nullter Ordnung Quarz Viertelwellenplatte
Dies ist die bewährte Standardausführung in optischen Laboren und Lasersystemen. Sie besteht üblicherweise aus zwei sehr dünnen Platten aus kristallinem Quarz. Die schnelle Achse der einen Platte ist an der langsamen Achse der anderen ausgerichtet.
- Funktionsweise: Durch eine präzise Steuerung des Dickenunterschieds zwischen den beiden Platten können Hersteller eine exakte Phasenverschiebung von lambda / 4 erzielen.
- Grund für die Verwendung: Sie ist äußerst stabil und reagiert im Vergleich zu dickeren Wellenplatten weniger empfindlich auf Temperaturänderungen oder geringfügige Verschiebungen der Laserwellenlänge.
