Polarisationsprisma

Grundidee

Polarisationsprismen sind optische Prismen, mit denen der Polarisationszustand von Licht geändert oder ausgewählt wird. Als polarisierende Funktionselemente gehören sie zu den Polarisatoren. Sie dienen insbesondere zum Nachweis und zur Untersuchung von linear polarisiertem Licht.

Ihre Wirkung beruht darauf, dass ein einfallender Lichtstrahl in einem geeigneten Kristall in zwei Teilstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen aufgespalten wird. Je nach Aufbau wird einer dieser Strahlen weitergeleitet und der andere ausgeblendet oder aus dem ursprünglichen Strahlengang herausgeführt.

Doppelbrechung und Strahlaufspaltung

Die Funktionsweise beruht auf der Doppelbrechung, also der Eigenschaft bestimmter, meist schwach absorbierender Kristalle, Licht je nach Polarisation und Ausbreitungsrichtung unterschiedlich auszubreiten. Verwendet werden vorwiegend optisch einachsige Materialien wie Calcit, Quarz und Turmalin. Calcit ist sehr stark doppelbrechend. Auch synthetische Kristalle aus Ammoniumdihydrogenphosphat (ADP) und Kaliumdihydrogenphosphat (KDP) kommen zum Einsatz.

Trifft ein Lichtstrahl auf die Schnittfläche eines doppelbrechenden Kristalls, spaltet er sich in zwei Teilstrahlen auf. Beide sind senkrecht zueinander polarisiert. Sie werden entsprechend ihrem optischen Verhalten als ordentlicher und außerordentlicher Strahl bezeichnet. Ursache der Aufspaltung sind unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten und damit unterschiedliche Brechungsindizes für die beiden Polarisationsrichtungen. Der konkrete Strahlverlauf wird vor allem durch die Lage der Grenzflächen zur optischen Achse des doppelbrechenden Materials bestimmt.

Bei einem einfachen Prisma mit parallelen Ein- und Austrittsflächen, beispielsweise einem Rhomboeder aus Kalkspat, würden nach dem vollständigen Durchgang zwei parallel versetzte Strahlen mit unterschiedlicher linearer Polarisation entstehen. Einer davon könnte etwa durch eine Spaltblende ausgewählt werden. Die seitliche Aufspaltung ist jedoch relativ gering und liegt im Bereich kleiner 10°. Bei Lichtbündeln mit größerem Querschnitt wären daher sehr dicke Prismen nötig, um die Strahlen vollständig zu trennen.

Das ist problematisch, weil die Kristalle möglichst homogene optische Eigenschaften besitzen müssen und deshalb meist nur Einkristalle mit vergleichsweise geringem Durchmesser verfügbar sind. Da es sich überwiegend um natürliche Materialien handelt, sind sie verhältnismäßig teuer. Größere Kristalle können außerdem Schwierigkeiten beim Einbau verursachen.

Bauformen und typische Prismen

Um eine größere Trennung der beiden Teilstrahlen zu erreichen, werden in gängigen Polarisationsprismen im Wesentlichen zwei Methoden eingesetzt:

• Eine stärkere seitliche Trennung wird durch die Kombination zweier doppelbrechender Prismen erzeugt. Dadurch kann einer der beiden Strahlen ausgeblendet werden.
• Einer der Strahlen wird durch Totalreflexion an einer Zwischenschicht aus dem ursprünglichen Strahlengang herausgeleitet.

Zur ersten Gruppe gehört das 1801 von Alexis-Marie de Rochon vorgestellte Rochon-Prisma. Es besteht aus zwei winkelgleichen Calcit-Teilprismen, also Teilprismen aus Isländischem Spat. Die optische Achse des einen liegt senkrecht zur Eintrittsfläche, die des anderen parallel zur Austrittsfläche. Die beiden Prismen sind an ihren schrägen Seiten zusammengefügt. Beim senkrechten Einfall auf die optische Achse im ersten Teilprisma wird der Lichtstrahl weder hinsichtlich seiner Polarisation noch seiner Wellenlänge aufgespalten. Erst im zweiten Teilprisma wird der außerordentliche Strahl abgelenkt. Der Grad dieser Ablenkung hängt auch von der Wellenlänge des Lichts ab. Abwandlungen dieses Prinzips sind das Wollaston-Prisma von 1820 und das Sénarmont-Prisma von 1857; bei ihnen sind die optischen Achsen der Teilprismen anders orientiert.

Bei der zweiten Gruppe wird ein doppelbrechendes Prisma in einer bestimmten Orientierung in zwei Teile geschnitten und anschließend wieder zusammengefügt. Als Verbindung dient beispielsweise Kanadabalsam. Schnitt und Ausbreitungsrichtungen können so gewählt werden, dass einer der beiden Strahlen wegen seines Einfallswinkels und seines Brechungsindex an der Schnittfläche totalreflektiert wird, während der andere in den zweiten Prismenteil transmittiert, also hindurchtritt.

William Nicol veröffentlichte 1828 erstmals ein entsprechendes Prisma: das nicolsche Prisma. Es besteht aus einem Calcitrhomboeder, das durch eine dünne Schicht Kanadabalsam zusammengefügt wird. Bei diesem Aufbau sind beide Teilprismen gleich orientiert. Der Brechungsindex des Kanadabalsams beträgt ungefähr n ≈ 1,54 und liegt damit zwischen dem Brechungsindex des ordentlichen und des außerordentlichen Strahls in Calcit.

Weitere Varianten beruhen meist auf leicht veränderten Aufbauten und erreichen dadurch andere optische Eigenschaften. Beispielsweise kann festgelegt werden, welcher Strahlteil im ursprünglichen Strahlengang weiterläuft. Die Varianten verwenden unter anderem Luft als Schicht zwischen den Teilprismen, veränderte Schnitte zur optischen Achse oder Teilprismen, deren optische Achsen gegeneinander verdreht sind. Die Trennung erfolgt dabei häufig nicht durch Totalreflexion, sondern durch eine passende Strahlablenkung im Kristall. Neben dem nicolschen Prisma sind insbesondere das Glan-Thompson-Prisma von 1880, das Ahrens-Prisma und dessen Abwandlung, das Nomarski-Prisma, zu nennen. Das Nomarski-Prisma wird unter anderem in Polarisationsmikroskopen eingesetzt und ermöglicht Verfahren wie den Differentialinterferenzkontrast.

Eine dünne Zwischenschicht aus Luft hat gegenüber einer Kleberschicht Vorteile bei höherer Laserleistung, weil die Funktion des Prismas nicht durch die Zerstörung des Klebers beeinträchtigt wird. Außerdem begrenzt das optische Verhalten des Klebers den nutzbaren Spektralbereich; im UV-Bereich sind solche Prismen meist nicht einsetzbar. Für Leistungsanwendungen verwendet man deshalb Prismen mit Luftspalt statt einer Kleberschicht, beispielsweise das Glan-Taylor-Prisma.