Laineplaat (optika)

Laineplaat on optiline element, mis lahutab mõtteliselt valguse kaheks risttasandis lineaarselt polariseeritud komponendiks, tekitab nende vahel faasivahe ning seejärel ühendab need.

Kaks kõige levinumat laineplaaditüüpi on pool- ja veerandlaineplaat, aga kasutatakse ka täislaineplaati. Üldjuhul on laineplaadist väljuv valgus elliptiliselt polariseeritud. Erijuhtudel võib valgus olla kas lineaarselt polariseeritud või ringpolariseeritud.

• 
  Lineaarne polarisatsioon
• 
  Ringpolarisatsioon
• 
  Elliptiline polarisatsioon

Laineplaat valmistatakse kakskikmurdvast materjalist (näiteks kvartsklaasist või vilgukivist) ning laineplaaditüüp sõltub mitmest tegurist, näiteks plaadi paksusest, materjali murdumisnäitajast ning langeva valguse lainepikkusest. Tänu loetletud omadustele on võimalik tekitada faasinihe kahe komponendi vahel, mis põhjustab valguse polarisatsioonioleku muutuse.

Tööpõhimõte

Laineplaadi töö põhineb kaksikmurdumisel. Laineplaat valmistatakse kaksimurdvast materjalist, millest on lõigatud tasaparalleelsete külgedega plaat või nn optiline aken nii, et kristalli optiline telg oleks paralleelne plaadi tasapinnaga (vaatleme üheteljelist kristalli). See lahutab mõtteliselt valguse kaheks risttasandist lineaarselt polariseeritud laineks: e- ja o-laineks. E-laineks nimetatakse lainet, milles elektriväli võngub ehk on polariseeritud risti kristalli optilise telje (e-telje) sihiga, kusjuures murdumisnäitaja on $n_{e}$. O-laineks nimetatakse lainet, mis on polariseeritud paralleelselt kristalli optilise telje (o-telje) sihiga, kusjuures murdumisnäitaja on $n_{o}$. Kuigi need eri polarisatsiooniga lained levivad ühes ja samas kristallis, samas suunas, on nende kiirused erinevad: $v_{e}={\frac {c}{n_{e}}}$ ja $v_{o}={\frac {c}{v_{o}}}$. Plaadi paksusega $d$ läbimisel tekib optiline käiguvahe $\Delta =d(n_{o}-n_{e})$ ning faasivahe $\delta =2\pi {\frac {\Delta }{\lambda _{0}}}=2\pi {\frac {d(n_{o}-n_{e})}{\lambda _{0}}}$, kus $\lambda _{0}$ on lainepikkus vaakumis.

Poollaineplaati läbiv lineaarselt polariseeritud valgus jagatakse mõtteliselt kaheks laineks - kristalli optilise teljega paralleelselt (roheline) ja risti polariseeritud (sinine) komponendiks. Optilise teljega paralleelses sihis polariseeritud laine levib aeglasemalt, mistõttu tekib lainete vahele faasivahe. Väljuv valgus on lineaarselt polariseeritud, selle polarisatsioonitasand on 90 kraadi pöördunud.

Laineplaaditüübid

Veerandlaineplaat

Laineplaati, mis tekitab e- ja o-laine vahele faasivahe $\delta ={\frac {\pi }{2}}$ ning optilise käiguvahe $\Lambda ={\frac {\lambda }{4}}$, nimetatakse veerandlaineplaadiks. Kui lineaarselt polariseeritud valgus, mille e- ja o-komponentide amplituudid on võrdsed, langeb veerandlaineplaadile, siis $90^{\circ }$ faasinihe muudab valguse ringpolariseerituks. Kui amplituudid ei ole võrdsed, väljub plaadist elliptiliselt polariseritud valgus.

Poollaineplaat

Laineplaati, mis tekitab e- ja o-laine vahele faasivahe $\delta =\pi$ ning optilise käiguvahe $\Lambda ={\frac {\lambda }{2}}$, nimetatakse poollaineplaadiks. Kui polariseeritud valgus läbib poollaineplaati, siis $180^{\circ }$ faasinihe muudab väljunud valguse ristuvas sihis polariseerituks.

Täislaineplaat

Laineplaati, mis tekitab e- ja o-laine vahele faasivahe $\delta =2\pi$ ning optilise käiguvahe $\Lambda =\lambda$, nimetatakse täislaineplaadiks. Sõltumata langeva valguse polarisatsioonitasandist on täislaineplaadist väljunud valgus alati lineaarselt polariseeritud.

Rakendus optilise isolaatori näitel

Laineplaate kasutatakse valguse polarisatsioonitasandi muutmiseks. Näiteks kui lineaarselt polariseeritud valgus läbib veerandlaineplaati, siis komponentide võrdsete amplituudide korral on tulemuseks ringpolariseeritud valgus. Toimub ka vastupidine protsess: kui ringpolariseeritud valgus läbib veerandlaineplaati, on tulemuseks lineaarselt polariseeritud valgus. Seda nähtust kasutatakse ära optilises isolaatoris. Lineaarselt polariseeritud valgus läbib veerandlaineplaadi, mis tõttu on valgus ringpolariseeritud. Seejärel valgus peegeldub ning läbib uuesti sama veerandlaineplaadi, mistõttu on valgus uuesti lineaarselt polariseeritud, aga võrreldes algsega vastassuunas. Vastassuunas lineaarselt polariseeritud valgus polarisaatorit ei läbi.