לוחית גל

בירוק - רכיב השדה החשמלי המקביל לציר האופטי. בכחול - רכיב השדה החשמלי הניצב לציר. באדום - השדה הכולל (סכום שני הרכיבים). [[אור מקוטב קווית נכנס ללוחית חצי גל בזווית של 45 מעלות ביחס לציר האופטי, וניתן לחשוב עליו כמורכב משני גלים: גל בקיטוב מקביל לציר האופטי של הלוחית, וגל המקוטב בניצב לציר האופטי של הלוחית. בתוך הלוחית, הגל בעל הקיטוב המקביל מתקדם לאט יותר מהגל עם הקיטוב הניצב. בקצה הרחוק של הלוחית, הגל בעל הקיטוב המקביל צבר מופע (פאזה) של חצי אורך גל יותר מהגל עם הקיטוב הניצב, וכתוצאה מכך הקיטוב של הגל המשולב במוצא הוא בניצב לקיטוב הגל הנכנס.]]

לוחית גל (באנגלית: Waveplate או Wave plate, וכן Retarder, מילולית: "מעכב") היא רכיב אופטי שטוח המשנה את הקיטוב של גל האור העובר בתוכו.

== עקרון הפעולה ==
בשימוש באור בלתי מקוטב, לוחית גל מתפקדת כחלון פשוט, דהיינו כאלמנט אופטי שטוח דרכו עובר אור ללא שינוי מהותי.<ref name=":0"></ref> כאשר האור מקוטב, לוחית הגל (האידיאלית) משנה את המופע (פאזה) בין רכיבי הקיטוב של הגל באופן שונה לכל אחד מרכיבי הקיטוב מבלי להנחית את עוצמתו או לשנות את כיוונו.<ref name=":0" /><ref name=":4"></ref> בשילוב עם רכיבים אופטיים השולטים בקיטוב, כמו חלונות ברוסטר, מקטבים על בסיס מפצלי קרניים קובייתיים או מקטבים ליניאריים, לוחיות גל יכולות ליצור מגוון רכיבים אופטיים כמו שסתום, מסנן, מכוון או מתג אופטי.<ref name=":5"></ref> לוחיות גל נמצאות בשימוש במגוון תחומים, כמו בלייזרים לחיתוך תעשייתי, בלייזרים המשמשים לניתוחים, לתקשורת, בביולוגיה ומינרולוגיה ואפילו למדידת ריכוז סוכר ביצור אלכוהול.<ref name=":5" />

לוחית גל עשויה מחומר אנאיזוטרופי, חומר שמקדם השבירה שלו בציר אחד שונה ממקדם השבירה בציר אחר.<ref name=":2"></ref> לוחית גל בדרך כלל מורכבת מגביש עם שבירה כפולה ליניארית, שעוביו והאוריינטציה שלו במרחב נבחרו היטב להשגת התוצאה הרצויה. הגביש נחתך כך שהציר האופטי שלו מקביל למשטח של הלוחית. הציר האופטי נקרא גם הציר הבלתי רגיל, בהיותו הציר בעל מקדם השבירה הבלתי-רגיל, ונהוג לסמן מקדם שבירה זה כ־n<sub>e</sub>. מקדם השבירה בציר הניצב מסומן n<sub>o</sub>, ונקרא מקדם שבירה רגיל. בחומר בעל שבירה כפולה, מקדמי השבירה הללו שונים זה מזה. כיוון שמקדם השבירה פרופורציונלי להופכי של מהירות התקדמות האור בתווך, הציר בעל מקדם השבירה הנמוך יותר, בו האור מתקדם מהר יותר בתווך, נקרא הציר המהיר, ובהתאמה הציר בעל מקדם השבירה הגבוה יותר נקרא הציר האיטי.<ref name=":1"></ref> הפרש המהירות הזה גורם לרכיבי הגל המקוטבים לאורך כל אחד משני הצירים להתקדם במהירות שונה במעבר דרך לוחית הגל, דבר היוצר הפרש מופע (נקרא גם הפרש פאזה או רטרדציה) בין רכיבי הקיטוב.<ref name=":1" />

כאשר מקדם השבירה הבלתי-רגיל קטן יותר ממקדם השבירה הרגיל, כמו בקלציט, הציר הבלתי-רגיל נקרא "הציר המהיר" והכיוון המאונך לו (שנמצא על מישור משטח הלוחית) נקרא "הציר האיטי".

אור מקוטב הנכנס ללוחית הגל ייצא במצב קיטוב התלוי בעובי הגביש ובקיטוב ההתחלתי. הרטרדציה בין שני רכיבי הקיטוב (ביחידות של גל) מסומנת כ-<math>\Gamma</math>, וקשורה להפרש בין מקדמי השבירה Δn, לעובי הגביש L ולאורך הגל λ לפי הנוסחה הבאה:<ref name=":1" /><ref></ref>

<math display="block">\Gamma = \frac{2 \pi\, \Delta n\, L}{\lambda}
 \quad \quad \biggl(\Delta n\equiv n_e-n_o \biggr)</math>רטרדציה יכולה לקרות במשטחים המצופים בציפויים אופטיים, בהחזרה ממראה מוטה, בהחזרה פנימית מלאה או בהתקדמות דרך חומר בעל שבירה כפולה.<ref name=":3"></ref>

לוחית גל יכולה להיות עבה על מנת לאפשר עמידות בטיפול וניקוי, והפרש המופע שהיא גורמת הוא מספר שלם של אורכי גל ועוד הפרש המופע הרצוי. לוחית כזו נקראת לוחית מסדר גבוה (multiple order).<ref name=":0" /> דרך אחת לחשוב על השפעתו של מספר שלם של אורכי גל הוא האלגוריה לשעון: שעון המראה את השעה שתים עשרה היום או בעוד שבוע נראה בדיוק אותו דבר למרות הזמן שחלף בין שתי הדגימות.<ref name=":0" />

== רגישות לאורך גל ==
הפרש המופע שיוצרת לוחית גל תלוי באורך הגל של האור הנכנס (בגלל היותו במכנה של השבר) ובמידה פחותה הוא משתנה בגלל נפיצה (שהיא שינוי במקדם השבירה כפונקציה של אורך הגל). כתוצאה מכך, לוחיות גל פועלות לפי התכנון רק עבור טווח מסוים של אורכי גל ולעיתים עבור אורך גל מסוים אחד בלבד.

בגלל תלות הרטרדציה באורך הגל, לוחית גל יכולה לגרום בו זמנית (למשל) להפרש פאזה של רבע גל באורך גל מסוים וגם להפרש פאזה של חצי גל באורך גל אחר.<ref name=":3" /> בגלל רגישות מקדם השבירה לאורך הגל (נפיצה), לוחית רבע-גל באורך גל מסוים לא תהייה לוחית חצי-גל בדיוק בחציו של אורך הגל הזה.<ref name=":4" />

עבור לוחית גל יחידה, שינוי אורך הגל גורם לשגיאה ליניארית בפאזה. הטיה של הלוחית בזווית מסוימת משנה את , יוצרת שינוי של הדרך האופטית הפרופורציונלי לאחד חלקי קוסינוס הזווית ולכן משנה בסדר שני (ריבועי) את הפאזה. עבור הקיטוב בציר הבלתי-רגיל, הטיה משנה גם את מקדם השבירה ומערבבת עם מקדם השבירה הרגיל (על ידי קוסינוס) כך שבשילוב עם הדרך האופטית, השינוי בפאזה עבור האור המקוטב בכיוון הבלתי-רגיל הוא אפס.

== יחידות ==
רטרדציה נמדדת במספר מערכות יחידות שונות: בזווית (רדיאן או מעלה), גל (wave) או יחידת אורך כמו ננומטר.<ref name=":0" /><ref name=":2" /> גל אחד של רטרדציה שווה ל-360°, ל-2π או למספר הננומטרים באורך הגל הנמצא בשימוש. לדוגמה, הרטרדציה של לוחית רבע-גל היא λ/4 ± או ±90° או 2/π ± ושל לוחית חצי-גל היא λ/2 ± או ±180° או π ±.<ref name=":2" /><ref name=":3" /> הרטרדציה בין רכיב הקיטוב המוטל על הציר המהיר לבין זה המוטל על הציר האיטי, ביחידת אורך, מוגדרת כ-<math>\Delta n L</math>.<ref name=":2" />

== לוחיות גל נפוצות ==
הקיטוב של גל בעל קיטוב ליניארי אנכי העובר דרך לוחית חצי-גל עם ציר אופטי בזווית של 45 מעלות יסתובב ב-90 מעלות ויהפוך לגל בעל קיטוב אופקי.
הסוגים הנפוצים ביותר של לוחיות גל הם לוחית-חצי גל ולוחית רבע-גל.<ref name=":1" />

לעיתים נחוץ הפרש מופע אחר שאינו חצי גל ואינו רבע גל, למשל במקרה בו יש לבטל את הפרש המופע הנגרם בהחזרה פנימית מלאה במנסרה.<ref name=":0" />

=== לוחית חצי-גל ===
לוחית חצי-גל מעכבת את הפאזה של אחד מרכיבי הקיטוב בחצי אורך גל (או כפולה אי-זוגית של חצי אורך גל) בהשוואה לקיטוב השני.<ref name=":4" /> לוחית גל כזו משמשת בדרך כלל לשינוי זווית הקיטוב של אור: גל בעל קיטוב ליניארי הפוגע בלוחית חצי-גל בזווית מסוימת ביחס לציר האופטי שלה יצא ממנה מקוטב ליניארית אך בזווית כפולה.<ref name=":1" /><ref name=":0" /> מקרה פרטי מוצג באיור משמאל, בפגיעה בזווית של 45°, הקיטוב יסתובב ב-90°. אם לוחית חצי גל מוצבת כך שקיטוב הגל הפוגע מקביל לציר האופטי, הגל יצא ללא שינוי.<ref name=":1" /> אם משתמשים במקור מקוטב ליניארית, אחריו לוחית חצי גל על מחזיק שמאפשר את סיבובה ולאחריה מקטב, מקבלים מנחת עצמה הניתן לכוונון.<ref name=":1" />

לוחית חצי-גל יכולה גם להפוך גל מקוטב מעגלית עם קיטוב ימני לגל מקוטב מעגלית עם קיטוב שמאלי (ולהפך).<ref name=":2" />

=== לוחית רבע-גל ===
לוחית רבע-גל יוצרת הבדל פאזה של רבע אורך גל (או כפולה אי-זוגית של רבע אורך גל) בין רכיבי הקיטוב ויכולה לשנות אור מקוטב ליניארית לאור מקוטב מעגלית.<ref name=":4" /> אפקט זה מושג כאשר קרן מקוטבת ליניארית עוברת דרך לוחית רבע-גל כאשר זווית הקיטוב של הקרן הפוגעת היא 45° ביחס לציר האופטי של הלוחית. כך מתקבל אור עם קיטובים בעלי אותה משרעת בציר הרגיל ובציר הבלתי-רגיל. גם ההפך הוא נכון: אור מקוטב מעגלית הפוגע בלוחית רבע-גל יצא ממנה מקוטב ליניארית.<ref name=":2" />

=== גביש נוזלי (LCD) ===
גבישים נוזליים, שהם אוסף של מולקולות בעלות שבירה כפולה שסידורן במרחב, ולכן הרטרדציה שלהן, נשלטות על ידי שדה חשמלי.<ref name=":3" /> בדרך כלל לא חושבים על גבישים נוזליים כלוחיות גל אבל הם עונים להגדרה של לוחית גל כיוון שהם משנים את קיטוב הגל העובר דרכם. להבדיל מלוחיות גל שהוצגו קודם, במקרה זה החומר אינו הומוגני והשינוי בכוון הקיטוב יכול להשתנות מנקודה אחת למשניה באמצעות הפעלת שדה חשמלי.<ref name=":2" /><ref name=":3" /> כאשר מציבים גבישים נוזליים בעובי הרצוי בין אלקטרודות השולטות בהפרש המופע לכל פיקסל, ומניחים אותם בין מקטבים, ניתן ליצור עבירות אופטית משתנה ונשלטת חשמלית, וזה עיקרון ההפעלה של מסכי LCD.<ref name=":3" />

=== לוחית גל מסדר אפס ===
לוחית גל מסדר אפס היא לוחית גל שגורמת להפרש מופע בשיעור חלק אורך הגל הרצוי בלבד, ללא תוספת של מספר שלם של אורכי גל. ישנם שני סוגים: לוחית גל מסדר אפס אמיתי (True zero order) ולוחית גל מסדר אפס הנקראת גם לוחית גל מרוכבת מסדר אפס (compound zero order waveplate).<ref name=":0" />

לוחית גל מסדר אפס אמיתי היא לוחית דקה מאד, העשויה מחומר בעל שבירה כפולה, למשל מחומר פולימרי.<ref name=":0" /> עובי של לוחית גל מסדר אפס אמיתי שגורמת להפרש פאזה של גל אחד משתנה בהתאם לשינוי במקדם השבירה, Δn. עבור קלציט, מקדם השבירה משתנה רק במקום הראשון אחרי הנקודה העשרונית, כך שלוחית גל מסדר אפס אמיתי עבה פי עשרה מאורך גל אחד. עבור קוורץ ומגנזיום פלואוריד, מקדם השבירה משתנה במקום השני אחרי הנקודה העשרונית ולוחיות גל מסדר אפס אמיתי נפוצות עבור אורך גל מעל מיקרון אחד. למשל, לוחית חצי-גל אמיתית העשויה מקוורץ ומתוכננת ל-800 ננומטר צריכה להיות בעלת עובי של 45 מיקרון.<ref name=":4" /> היותה של לוחית הגל דקה כל כך מקשה על הטיפול והשימוש בה אך משפר את יציבות הפרש המופע המתקבל גם כאשר יש שינויים קלים באורך הגל, בטמפרטורה ובזווית הפגיעה.<ref name=":0" /> לוחית גל פולימרית, בהיותה מסדר אפס אמיתי, יכולה לשנות את הפרש הפאזה בפחות מאחוז כאשר זווית הפגיעה משתנה בתחום של ±10°, ולהשיג יציבות תרמית של אורך הגל האופטימלי בשיעור של 0.15 ננומטר למעלת צלזיוס.<ref name=":4" /> ללוחיות פולימריות יש עוד חסרונות, בנוסף לבעיות המכניות הנובעות מהעובי הזעום: הן לא עומדת בעצמות קרינה גבוהות וטמפרטורה האכסון מוגבלת.<ref name=":5" /> לוחיות סדר אפס אמיתי העשויות ממיקה מתפקדות בתחום אורכי גל רחב בגלל הנפיצה הנמוכה שלהן, ומאותה סיבה יכולות להוות לוחיות חצי-גל או רבע-גל באורכי גל כפולים, אך מצד שני הן מועדות לפגמים טבעיים, רגישות לעוצמת קרינה גבוהה ובעלות בליעה גבוהה יחסית.<ref name=":5" />

לוחית גל מסדר אפס מורכבת משתי לוחיות גל (או יותר), העשויות מאותו חומר אך בעלות עובי שונה במקצת ומונחות בצמוד זו לזו, כאשר הציר המהיר של האחת מקביל לציר האיטי של השנייה.<ref name=":0" /> בסידור זה, ההפרש בין עובי הלוחיות הוא העובי שהיה דרוש ללוחית גל מסדר אפס אמיתי (45 מיקרון בדוגמה שלמעלה), ומאפשר נוחות בטיפול כיוון שהעובי הכולל יכול להיות גדול.<ref name=":4" /> שתי הלוחיות יכולות להיות צמודות אופטית , מודבקות או מופרדות זו מזו.<ref name=":4" /><ref name=":5" /> סידור זה מבטל את הפרשי המופע המצטברים בכל אחת מהלוחיות ומשפר את יציבות הפרש המופע המתקבל גם כאשר יש שינויים קלים באורך הגל ובטמפרטורה, אך לא בזווית הפגיעה.<ref name=":0" />

=== לוחית גל א-כרומטית ===
ניתן למזער את הרגישות לאורך הגל על ידי שימוש בלוחית גל מסדר אפס העשויות משני חומרים שונים, כפי שנהוג לעשות בתכנון עדשות א-כרומטיות (שאינן רגישות לאורך גל).<ref name=":0" /> לדוגמה, משתמשים בלוחית אחת מקוורץ ולוחית שנייה ממגנזיום פלואוריד כדי להשיג הפרש מופע כמעט קבוע לתחום ארכי גל רחב.<ref name=":0" />

== כלים מתמטיים לחישוב ==
לוחיות גל, כמו גם מקטבים, ניתן לתאר באמצעות . בשיטה זו הקיטוב מתואר על ידי וקטורים, ואלמנטים אופטיים המשפיעים ליניארית על הקיטוב (כמו לוחיות גל ומקטבים) מתוארים באמצעות מטריצות.

== ראו גם ==
* גל אור
* קיטוב
* קיטוב ליניארי
* קיטוב מעגלי

== לקריאה נוספת ==
* [https://stwww1.weizmann.ac.il/lasers/?p=2472 קיטוב קרינה אלקטרומגנטית] באתר מכון ויצמן למדע, מאת רמי אריאלי
* [https://sites.astro.caltech.edu/~lah/ay105/pdf/Fundamental-Optics.pdf הסבר על לוחיות גל], כולל גרפים ונוסחאות שימושיות, CVI-MellesGriot,2009 עמ' 1.46-1.48 (באנגלית).
* [https://www.photoniques.com/articles/photon/pdf/2020/05/photon2020104p53.pdf הסבר של עקרונות הפעולה של לוחיות גל הכולל גם מדריך רכש], 2020, מאת Xavier ZAMBRANA-PUYALTO (באנגלית).
* (באנגלית).

==קישורים חיצוניים==

== ביאורים ==

== הערות שוליים ==

קטגוריה:ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
קטגוריה:רכיבים אופטיים
קטגוריה:קיטוב (גלים)