Разделитель луча света: устройство и типы

Введение

Оптическое устройство, которое разделяет световой луч на два.

Разделитель луча (или расщепитель луча) – это оптическое устройство, разделяющее световой луч на проходящий и отраженный лучи. Он является важной частью многих оптических экспериментальных и измерительных систем, таких как интерферометры, и широко применяется в волоконно-оптических системах связи.

Конструкции

В своей наиболее распространенной форме, кубический разделитель лучей изготавливается из двух треугольных стеклянных призм, склеенных вместе по основанию с использованием клеев на основе полиэстера, эпоксидной смолы или полиуретана. (До появления этих синтетических смол использовались натуральные, например, бальзам Канады.) Толщина слоя клея регулируется таким образом, чтобы (для определенной длины волны) половина света, падающего через один "порт" (то есть грань куба), отражалась, а другая половина передавалась благодаря ФПГО (фрагментированному полному внутреннему отражению). Поляризующие разделители лучей, такие как призма Волластона, используют бирефракционные материалы для разделения света на два пучка с ортогональными состояниями поляризации. Другой конструкцией является использование полупрозрачного зеркала. Оно состоит из оптической подложки, часто листа стекла или пластика, с частично прозрачным тонким металлическим покрытием. Тонкое покрытие может быть выполнено из алюминия, осажденного из паров алюминия методом физического осаждения из паровой фазы. Толщина покрытия контролируется таким образом, чтобы часть (обычно половина) света, падающего под углом 45 градусов и не поглощаемого покрытием или материалом подложки, передавалась, а остальная часть отражалась. Очень тонкое полупрозрачное зеркало, используемое в фотографии, часто называют зеркалом Пелликулы. Для уменьшения потерь света из-за поглощения отражающим покрытием использовались так называемые зеркала-разделители лучей типа "швейцарский сыр". Изначально это были листы высокополированного металла, перфорированные отверстиями для получения желаемого соотношения отражения к прохождению. Позже металл распылялся на стекло, образуя прерывистое покрытие, или небольшие участки сплошного покрытия удалялись химическим или механическим воздействием, создавая буквально "полупрозрачную" поверхность. Вместо металлического покрытия может использоваться дихроическое оптическое покрытие. В зависимости от его характеристик, отношение отражения к прохождению будет меняться в зависимости от длины волны падающего света. Дихроические зеркала используются в некоторых эллипсоидальных прожекторах для отсечения нежелательного инфракрасного (теплового) излучения, а также в качестве выходных муфт в конструкции лазеров. Третий вариант разделителя лучей – дихроическая зеркальная призма, использующая дихроические оптические покрытия для разделения входящего светового луча на ряд спектрально различных выходных лучей. Такое устройство использовалось в трехтрубковых цветных телевизионных камерах и трехпленочной кинокамере Technicolor. В настоящее время оно используется в современных трехматричных камерах CCD. Оптически аналогичная система используется в обратном порядке в качестве объединителя лучей в трех LCD-проекторах, в которых свет от трех отдельных монохромных LCD-дисплеев объединяется в одно полноцветное изображение для проекции. Разделители лучей с одномодовым волокном для PON-сетей используют одномодовое поведение для разделения луча. Разделение осуществляется путем физического сращивания двух волокон "вместе" в форме буквы X. Конструкции из зеркал или призм, используемые в качестве насадок для камер для съемки стереоскопических пар изображений с одним объективом и одной экспозицией, иногда называют "разделителями лучей", но это неверно, поскольку они фактически представляют собой пару перископов, перенаправляющих лучи света, которые уже не совпадают. В некоторых очень редких насадках для стереоскопической фотографии зеркала или призмальные блоки, подобные разделителям лучей, выполняют обратную функцию, накладывая изображения объекта с двух разных точек зрения через цветные фильтры для непосредственного создания анаглифного 3D-изображения или через быстро чередующиеся затворы для записи последовательного 3D-видео.

In its most common form, a cube, a beam splitter is made from two triangular glass prisms which are glued together at their base using polyester, epoxy, or urethane based adhesives. (Before these synthetic resins, natural ones were used, e. g. Canada balsam.) The thickness of the resin layer is adjusted such that (for a certain wavelength) half of the light incident through one "port" (i. e., face of the cube) is reflected and the other half is transmitted due to FTIR (frustrated total internal reflection). Polarizing beam splitters, such as the Wollaston prism, use birefringent materials to split light into two beams of orthogonal polarization states. Another design is the use of a half silvered mirror. This is composed of an optical substrate, which is often a sheet of glass or plastic, with a partially transparent thin coating of metal. The thin coating can be aluminium deposited from aluminium vapor using a physical vapor deposition method. The thickness of the deposit is controlled so that part (typically half) of the light, which is incident at a 45 degree angle and not absorbed by the coating or substrate material, is transmitted and the remainder is reflected. A very thin half silvered mirror used in photography is often called a pellicle mirror. To reduce loss of light due to absorption by the reflective coating, so called "Swiss cheese" beam splitter mirrors have been used. Originally, these were sheets of highly polished metal perforated with holes to obtain the desired ratio of reflection to transmission. Later, metal was sputtered onto glass so as to form a discontinuous coating, or small areas of a continuous coating were removed by chemical or mechanical action to produce a very literally "half silvered" surface. Instead of a metallic coating, a dichroic optical coating may be used. Depending on its characteristics, the ratio of reflection to transmission will vary as a function of the wavelength of the incident light. Dichroic mirrors are used in some ellipsoidal reflector spotlights to split off unwanted infrared (heat) radiation, and as output couplers in laser construction. A third version of the beam splitter is a dichroic mirrored prism assembly which uses dichroic optical coatings to divide an incoming light beam into a number of spectrally distinct output beams. Such a device was used in three pickup tube color television cameras and the three strip Technicolor movie camera. It is currently used in modern three CCD cameras. An optically similar system is used in reverse as a beam combiner in three LCD projectors, in which light from three separate monochrome LCD displays is combined into a single full color image for projection. Beam splitters with single mode fiber for PON networks use the single mode behavior to split the beam. The splitter is done by physically splicing two fibers "together" as an X. Arrangements of mirrors or prisms used as camera attachments to photograph stereoscopic image pairs with one lens and one exposure are sometimes called "beam splitters", but that is a misnomer, as they are effectively a pair of periscopes redirecting rays of light which are already non coincident. In some very uncommon attachments for stereoscopic photography, mirrors or prism blocks similar to beam splitters perform the opposite function, superimposing views of the subject from two different perspectives through color filters to allow the direct production of an anaglyph 3D image, or through rapidly alternating shutters to record sequential field 3D video.

Фазовый сдвиг

Сплиттеры луча иногда используются для рекомбинации лучей света, как в интерферометре Маха — Цендера. В этом случае имеется два входящих луча и, потенциально, два исходящих луча. Однако амплитуды двух исходящих лучей являются суммами (комплексных) амплитуд, рассчитанных для каждого из входящих лучей, и может случиться так, что амплитуда одного из двух исходящих лучей станет равной нулю. Для обеспечения сохранения энергии (см. следующий раздел) необходимо наличие сдвига фазы хотя бы в одном из исходящих лучей. Например (см. красные стрелки на рисунке справа), если поляризованная световая волна в воздухе падает на диэлектрическую поверхность, такую как стекло, и электрическое поле световой волны лежит в плоскости поверхности, то отраженная волна будет иметь сдвиг фазы в π, а передаваемая волна – нет; синяя стрелка не приобретает сдвиг фазы, поскольку отражается от среды с более низким показателем преломления. Такое поведение определяется уравнениями Френеля. Это не относится к частичному отражению от проводящих (металлических) покрытий, где на всех путях (отраженном и переданном) возникают иные сдвиги фазы. В любом случае, конкретные детали сдвигов фазы зависят от типа и геометрии сплиттера луча.