Dzielniki wiązki

Rozdzielacz dzieli wiązkę na dwie — przechodzącą i odbitą. Brzmi prosto, ale w praktyce trzeba odpowiedzieć na trzy pytania, które w karcie katalogowej bywają ukryte: w jakiej proporcji dzieli, czy zależy to od polaryzacji i co przy okazji robi z wiązką przechodzącą.

Wzory podajemy wraz z założeniami, przy których obowiązują.

Trzy konstrukcje, trzy zestawy kompromisów

Płytkowy

Cienka płytka szklana ustawiona zwykle pod kątem 45°, z powłoką dzielącą na jednej powierzchni.

Za: tani, lekki, mała droga w szkle (istotne przy impulsach krótkich), brak warstwy klejowej ograniczającej moc.

Przeciw: wiązka przechodząca zostaje przesunięta w bok, a druga powierzchnia daje odbicie wtórne, czyli tak zwanego ducha.

Sześcienny (kostka)

Dwa pryzmaty sklejone przeponą, z powłoką dzielącą na przekątnej.

Za: wiązka przechodząca nie jest przesunięta, kierunki wyjściowe są prostopadłe, montaż prosty i powtarzalny. Nie ma wyraźnie odsuniętego ducha, charakterystycznego dla płytki.

Przeciw: droga w szkle jest długa — kilkanaście milimetrów zamiast kilku — co przy impulsach femtosekundowych daje już zauważalną dyspersję. W typowych wykonaniach warstwa klejowa ogranicza też dopuszczalną moc, zakres widmowy i temperaturę pracy (patrz sekcja o mocy; istnieją wykonania do dużych mocy, w których tego ograniczenia nie ma).

Pelikula

Bardzo cienka błona rozpięta na pierścieniu.

Za: praktycznie nie przesuwa wiązki i nie tworzy przestrzennie odsuniętego ducha, bo grubość jest rzędu mikrometrów.

Przeciw: delikatna, wrażliwa na drgania akustyczne i podmuchy powietrza. Do stołu optycznego w spokojnym pomieszczeniu — tak; do układu przemysłowego — raczej nie.

Przesunięcie wiązki w rozdzielaczu płytkowym

Płytka płaskorównoległa o grubości t (mierzonej wzdłuż normalnej) i współczynniku załamania n, oświetlona z powietrza pod kątem θ liczonym od normalnej, przesuwa wiązkę przechodzącą w bok o:

d = t · sin θ · [ 1 − cos θ / √(n² − sin²θ) ]

Dla t = 3 mm, θ = 45° i n = 1,52:

d = 3 × 0,7071 × [1 − 0,7071 / √(2,3104 − 0,5)] = 3 × 0,7071 × 0,474 = 1,01 mm

Czyli około 1 mm dla płytki 3 mm. Kierunek wiązki pozostaje niezmieniony — ale tylko dla płytki naprawdę płaskorównoległej. Rzeczywisty element ma tolerancję równoległości, a płytka klinowa odchyla wiązkę o (n−1)·α, gdzie α to kąt klina. Jeśli sięgasz po wersję klinową, żeby pozbyć się ducha, wpisz to odchylenie do budżetu ustawienia toru.

Płytka pod kątem, wstawiona w wiązkę zbieżną, wprowadza dodatkowo astygmatyzm. W wiązce skolimowanej tego problemu nie ma.

Duch: odbicie od drugiej powierzchni

W rozdzielaczu płytkowym część światła odbija się także od powierzchni tylnej i wychodzi jako druga, słabsza wiązka równoległa do głównej. W układzie pomiarowym potrafi to udawać sygnał, a w układzie obrazującym daje zjawę.

Producenci radzą sobie z tym dwojako:

• Powłoka antyrefleksyjna na tylnej powierzchni — tłumi ducha, ale go nie usuwa.
• Klin — tylna powierzchnia jest lekko nachylona, więc duch odchodzi pod innym kątem i można go odciąć przesłoną. To rozwiązanie skuteczniejsze, jeśli masz miejsce na rozdzielenie wiązek.

Kostka i pelikula nie dają tego wyraźnie odsuniętego ducha — ale nie znaczy to, że nie mają odbić pasożytniczych. W kostce powstają one na ścianach zewnętrznych i z wielokrotnych odbić wewnętrznych; dlatego ściany pokrywa się powłoką antyrefleksyjną i warto sprawdzić w karcie deklarowany poziom odbić. W pelikuli obie powierzchnie leżą tak blisko siebie, że zamiast ducha pojawia się interferencja — transmisja zaczyna zależeć od długości fali i kąta, a drgania błony wprowadzają niestabilność. Przy świetle spójnym bywa to większym kłopotem niż klasyczny duch.

Polaryzujący czy nie: to nie jest szczegół

Rozdzielacz polaryzujący (PBS)

Dzieli wiązkę według polaryzacji: składowa p przechodzi, składowa s odbija się pod kątem prostym. Używa się go do rozdzielania i łączenia polaryzacji, do budowy tłumików o płynnej regulacji (razem z płytką półfalową) oraz jako elementu izolatorów optycznych.

Ważna rzecz, którą łatwo przeoczyć: stopień wygaszenia jest zwykle znacznie lepszy w wiązce przechodzącej niż w odbitej. Karty katalogowe podają często kontrast rzędu 1000:1 dla przechodzącej i o rząd wielkości gorszy dla odbitej. Jeśli potrzebujesz czystej polaryzacji, buduj układ tak, żeby korzystał z wiązki przechodzącej — albo sięgnij po polaryzator o wyższym kontraście.

Rozdzielacz niepolaryzujący (NPBS)

Ma dzielić w tej samej proporcji niezależnie od polaryzacji — i tu trzeba czytać uważnie. „Niepolaryzujący" nie znaczy „obojętny na polaryzację". Typowa specyfikacja dopuszcza kilkuprocentową różnicę między składowymi s i p.

Czy to dużo, zależy wyłącznie od Twojego budżetu błędu. Przy zwykłym rozdzieleniu wiązki na podgląd — nieistotne. Przy stabilizacji mocy, sprzęganiu do światłowodu, detekcji zrównoważonej albo interferometrii kilka procent wchodzi wprost do niepewności wyniku, zwłaszcza gdy polaryzacja w układzie dryfuje.

Dodatkowo powłoka może wprowadzać względne przesunięcie fazy między składowymi s i p — zależne od kąta, długości fali i konstrukcji powłoki (przy padaniu prostopadłym obie składowe są równoważne). Skutek pojawia się wtedy, gdy wiązka zawiera obie składowe: światło spolaryzowane liniowo pod kątem do płaszczyzny padania może stać się eliptyczne. Czysta polaryzacja s albo p pozostaje liniowa. Jeśli stan polaryzacji ma znaczenie, sprawdź w karcie dane fazowe, a nie tylko podział mocy.

Proporcja podziału jest warunkowa

Wartość „50:50" albo „30:70" obowiązuje dla określonej długości fali, określonego kąta padania i określonej polaryzacji. Poza tymi warunkami proporcja się zmienia, czasem znacznie.

Trzy rzeczy warto sprawdzić przed zamówieniem:

• Zakres długości fali — czy Twoja linia mieści się w gwarantowanym paśmie.
• Kąt padania — rozdzielacz zaprojektowany na 45° użyty pod innym kątem zmienia proporcję. Kąt liczy się zawsze od normalnej do wskazanej powierzchni, a w kostce są dwie różne wartości: wiązka pada zwykle prostopadle na ścianę wejściową i pod 45° na wewnętrzną przekątną. Sprawdź w karcie, do której powierzchni odnosi się podana wartość.
• Czy R + T = 100% — nie musi. Powłoka i szkło część światła pochłaniają albo rozpraszają; przy powłokach metalicznych strata bywa kilkunastoprocentowa. Jeśli robisz pomiar ilościowy, potrzebujesz zmierzonych wartości R i T, a nie założenia, że jedno dopełnia drugie.

Moc i impulsy

Przy dużych mocach kolejność preferencji zwykle się odwraca względem wygody montażu:

• Typowa kostka klejona bywa ograniczona warstwą łączącą: absorpcja w kleju, naprężenia cieplne i degradacja pod działaniem promieniowania potrafią ograniczyć zarówno dopuszczalną moc, jak i zakres widmowy oraz temperaturę pracy.
• Płytka nie ma tego ograniczenia, a droga w szkle jest krótka.
• Przy naprawdę dużych mocach stosuje się rozwiązania bez kleju (łączenie optyczne) albo pobór próbki z odbicia od klina zamiast dzielenia wiązki.

Zastrzeżenie: to są tendencje, nie reguła doboru. Istnieją kostki do dużych mocy o progu wyższym niż niejedna zwykła płytka, a słaba powłoka płytki potrafi ulec uszkodzeniu wcześniej niż dobry klej. O wyborze decyduje gwarantowana wartość progu dla konkretnego produktu w warunkach odpowiadających Twojej pracy.

Przy impulsach femtosekundowych liczy się droga w szkle: kostka wprowadza dyspersję odpowiadającą kilkunastu milimetrom szkła, płytka — kilku. Do takich zastosowań pyta się dodatkowo o dyspersję powłoki.

Wartości progu uszkodzenia porównuj tylko przy zgodnych warunkach testu: długość fali, czas i kształt impulsu, średnica wiązki, liczba impulsów na to samo miejsce i kryterium uszkodzenia.

Wiązka, o której nikt nie pamięta

Rozdzielacz z definicji tworzy drugą wiązkę — i w odróżnieniu od filtra nie osłabia jej znacząco. Przy laserze klasy 3B lub 4 obie wychodzące wiązki są niebezpieczne, także ta, której akurat nie potrzebujesz. Każda musi mieć zaplanowane zakończenie: pułapkę, miernik albo osłonę.

Do tego dochodzi duch w rozdzielaczach płytkowych — słabszy, ale przy dużej mocy wejściowej nadal wart uwagi.

Kiedy rozdzielacz nie jest właściwym elementem

• Gdy trzeba pobrać niewielką próbkę wiązki do pomiaru mocy — sensowniejsza jest płytka próbkująca albo odbicie od klina, które oddaje kilka procent.
• Gdy trzeba rozdzielić widmo — to zadanie filtra dichroicznego, nie rozdzielacza szerokopasmowego.
• Gdy potrzebna jest bardzo czysta polaryzacja — warto porównać kostkę PBS z polaryzatorem pryzmatycznym. Zwykłe kostki osiągają kontrast rzędu tysiąca do jednego, wykonania wysokokontrastowe znacznie więcej, a polaryzatory pryzmatyczne bardzo się między sobą różnią. To kwestia porównania konkretnych kart, nie reguły „pryzmat zawsze lepszy".
• Gdy nie może powstać odbicie wsteczne do lasera — sam rozdzielacz tego nie zapewni; potrzebny jest izolator optyczny.

Najczęstsze błędy

• Pominięcie przesunięcia wiązki w rozdzielaczu płytkowym — około 1 mm na każde 3 mm grubości przy 45°.
• Zignorowanie ducha od tylnej powierzchni płytki, zwłaszcza w układach pomiarowych.
• Założenie, że rozdzielacz niepolaryzujący jest obojętny na polaryzację — dopuszczalna różnica między s i p bywa kilkuprocentowa, a przy padaniu ukośnym dochodzi zwykle także różnica faz. Istnieją powłoki o kontrolowanej, minimalnej retardacji — do interferometrii warto ich szukać wprost.
• Korzystanie z wiązki odbitej z PBS tam, gdzie potrzebna jest czysta polaryzacja — kontrast jest tam zwykle wyraźnie gorszy niż w przechodzącej.
• Założenie, że R + T = 100% — część światła znika w absorpcji i rozproszeniu.
• Brak pułapki na drugą wiązkę wyjściową.
• Kostka klejona przy dużej mocy impulsowej — klej jest najsłabszym ogniwem.

Jeśli nie masz pewności, która konstrukcja pasuje do Twojego układu, podaj nam długość fali, polaryzację, wymaganą proporcję podziału, moc i charakter pracy lasera oraz to, czy zależy Ci na braku przesunięcia wiązki. Dobór komponentów jest częścią naszej pracy.