Filtry szarości (ND)

Filtr szarości osłabia wiązkę, nie zmieniając jej barwy — przynajmniej w założeniu. Używa się go, żeby nie przesycić detektora, obniżyć moc do bezpiecznego poziomu albo dobrać ekspozycję.

Dwie rzeczy decydują o tym, czy filtr zadziała zgodnie z oczekiwaniem: jak osłabia (pochłaniając czy odbijając) i jak bardzo jest naprawdę neutralny. Obie bywają pomijane przy zamawianiu.

Gęstość optyczna: co oznacza liczba w nazwie

Osłabienie podaje się jako gęstość optyczną OD:

OD = −log₁₀(T)        oraz        T = 10^(−OD)

gdzie T to transmisja jako ułamek. Stąd:

Gęstości optyczne się dodają. Filtr OD 1,0 i filtr OD 0,6 ustawione jeden za drugim dają nominalnie OD 1,6, czyli transmisję 2,5%. To reguła użyteczna i najczęściej wystarczająca — ale patrz niżej, bo przy filtrach odbiciowych odbicia między nimi wprowadzają błąd.

Dwa rodzaje filtrów i różnica, która naprawdę ma znaczenie

Filtr absorpcyjny (szkło barwione w masie)

Pochłania nadmiar światła w objętości szkła.

Zalety: mechanizm tłumienia nie tworzy silnej wiązki odbitej — nadmiar energii zostaje w szkle, a nie leci w bok. Osłabienie jest mniej czułe na niewielkie zmiany kąta niż w filtrach interferencyjnych.

Ale uwaga, i to jest kwestia bezpieczeństwa: filtr absorpcyjny też odbija. Nieporyta powierzchnia szkła zwraca około 4% padającej mocy — przy laserze 100 W to 4 W wracające dokładnie do lasera, jeśli filtr stoi prostopadle. Taka wiązka nadal jest niebezpieczna. Odbicie od powierzchni tylnej jest już osłabione przejściem przez szkło, ale przednie nie. Dlatego również przy filtrach absorpcyjnych stosuje się powłokę AR, lekkie pochylenie i zaplanowaną pułapkę na odbicia.

Wady: pochłonięta energia zamienia się w ciepło. Przy większych mocach filtr się nagrzewa, co daje soczewkowanie termiczne, a w skrajnym przypadku pęknięcie szkła. Neutralność bywa gorsza niż w filtrach odbiciowych, zwłaszcza na krańcach zakresu.

Filtr odbiciowy (cienka warstwa metaliczna na szkle)

Odbija nadmiar światła zamiast go pochłaniać.

Zalety: nadmiar energii odchodzi z wiązką odbitą, a nie zamienia się w ciepło w elemencie. Charakterystyka bywa bardziej płaska widmowo.

Nie jest to jednak reguła doboru mocy: warstwa metaliczna też pochłania część energii, bywa cienka i miejscowo silnie nagrzewana, a jej próg uszkodzenia przy impulsach potrafi być niższy niż grubego szkła absorpcyjnego. O dopuszczalnej mocy decydują dane konkretnego elementu — LIDT, moc średnia i fluencja — a nie sam mechanizm tłumienia.

Wady, i to poważne: odbita wiązka gdzieś leci. Przy filtrze ustawionym prostopadle wraca dokładnie do źródła — czyli do rezonatora lasera, ze wszystkimi skutkami dla stabilności. Ustawiony pod kątem odsyła ją w bok, gdzie zwykle nikt jej nie planował.

Ile w niej mocy? Bilans to R + T + A = 1, więc odbita wiązka niesie R·P — mniej niż pełna moc, bo część pochłania warstwa. Przy projektowaniu pułapki przyjmij jednak pełną moc wejściową: to margines, który nic nie kosztuje, a przy laserze klasy 3B lub 4 odbita wiązka jest równie groźna jak pierwotna.

Osłabienie filtra odbiciowego zależy też od kąta padania — wartość katalogowa obowiązuje dla kąta, dla którego ją podano.

„Neutralny" znaczy „w przybliżeniu neutralny"

Nazwa sugeruje jednakowe osłabienie na każdej długości fali. W rzeczywistości OD zmienia się z długością fali i wartość z nazwy produktu odnosi się do określonego zakresu albo do konkretnej długości fali.

Ma to znaczenie wszędzie tam, gdzie wynik zależy od stosunku sygnałów przy różnych barwach — w fotometrii, spektroskopii, kalibracji detektorów. Jeśli mierzysz ilościowo, sprawdź krzywą OD w funkcji długości fali dla konkretnego modelu, a nie samą liczbę z nazwy. Podamy ją na zapytanie.

Przy pracy z jedną linią lasera znika potrzeba neutralności w szerokim paśmie, ale nie problem sam w sobie: OD musi być podane dla tej długości fali i dla rzeczywistego kąta padania oraz polaryzacji. Pamiętaj też, że laser rzadko emituje wyłącznie jedną linię — harmoniczne i emisja spontaniczna też przechodzą przez filtr, a tam OD bywa zupełnie inne.

Filtr to również płytka szklana

Łatwo zapomnieć, że filtr ND, poza osłabianiem, robi wszystko to, co zwykłe okno:

• Przesuwa ognisko, gdy stoi w wiązce zbieżnej, o w przybliżeniu t·(1 − 1/n). Dla filtra 3 mm ze szkła o n ≈ 1,52 daje to około 1 mm. To przybliżenie parakslalne dla płytki ustawionej prostopadle; przy pochyleniu dochodzi przesunięcie boczne i astygmatyzm, a przy wiązce o dużej aperturze numerycznej trzeba policzyć bieg promieni.
• Odbija część światła na powierzchniach — w filtrze absorpcyjnym bez powłoki są to typowe około 4% na powierzchnię.
• Zniekształca czoło fali. I tak jak przy oknach: decyduje o tym nie sama płaskość jednej powierzchni, lecz zniekształcenie czoła fali w transmisji, równoległość powierzchni i jednorodność szkła. Dwie deformacje mogą się zsumować albo częściowo znieść.

Jeśli filtr ma pracować w torze pomiarowym o wysokich wymaganiach, specyfikuj zniekształcenie czoła fali w transmisji przez używaną aperturę — tak samo jak przy oknie optycznym.

Zestawianie filtrów

Gęstości dodają się, ale są dwa zastrzeżenia:

Odbicia między filtrami. Dwa filtry ustawione równolegle tworzą wnękę: część światła odbija się tam i z powrotem, a rzeczywista transmisja odbiega od iloczynu. Dotyczy to zwłaszcza filtrów odbiciowych, ale przy dokładnych pomiarach także absorpcyjnych.

Pomaga lekkie wzajemne pochylenie albo klin — ale to nie usuwa energii odbitej, tylko rozdziela ją na kilka wiązek biegnących w różne strony. Każdą z nich trzeba objąć osłoną lub pułapką, a przy pomiarze ilościowym i tak zweryfikować rzeczywistą transmisję zestawu, zamiast ufać sumie OD.

Kolejność przy dużych mocach. Jeśli jeden z filtrów jest absorpcyjny, a wiązka jest mocna, wstaw jako pierwszy filtr odbiciowy — zdejmie większość mocy bez zamiany jej na ciepło, a filtr absorpcyjny dostanie już osłabioną wiązkę.

Kiedy filtr ND nie jest właściwym rozwiązaniem

• Duża moc lasera. Ani absorpcyjny (nagrzewa się i daje soczewkowanie termiczne na długo przed uszkodzeniem), ani odbiciowy (odsyła większość mocy w bok) nie jest wygodny. Lepszym rozwiązaniem bywa tłumik oparty na polaryzacji — półfalówka plus polaryzator — który pozwala płynnie regulować moc, a nadmiar kieruje do zaplanowanej pułapki. Dwa warunki: wiązka wejściowa musi być spolaryzowana liniowo (przy niespolaryzowanej obrót płytki niczego nie reguluje), a polaryzator musi być rozdzielający — kostka PBS albo Glan laserowy. Polaryzator absorpcyjny nadmiaru nie odprowadza, tylko go pochłania i sam się grzeje.
• Płynna regulacja. Filtry o skokowych wartościach OD tego nie dają; są do tego filtry klinowe i tarcze o zmiennej gęstości.
• Osłabienie tylko w części widma. To zadanie filtra spektralnego, nie szarości.
• Ochrona wzroku. Filtr ND nie jest okularami ochronnymi i nie zastępuje certyfikowanej ochrony laserowej. Okulary dobiera się według normy, długości fali i wymaganej wartości OD dla danego zagrożenia.

Najczęstsze błędy

• Jakikolwiek filtr ustawiony prostopadle do wiązki lasera — odbicie wraca do rezonatora. Filtr odbiciowy odsyła większość mocy, absorpcyjny około 4% z samej powierzchni; przy dużych mocach oba są problemem.
• Brak pułapki na wiązkę odbitą od filtra odbiciowego ustawionego pod kątem. Przy doborze pułapki licz ją jak pełną moc wejściową.
• Założenie, że OD z nazwy obowiązuje na każdej długości fali — przy pomiarach ilościowych trzeba sprawdzić krzywą.
• Filtr absorpcyjny w mocnej wiązce — nagrzewa się, daje soczewkowanie termiczne, może pęknąć.
• Pominięcie przesunięcia ogniska przy wstawieniu filtra w wiązkę zbieżną.
• Traktowanie filtra ND jako ochrony wzroku — to nie jest jego funkcja.

Jeśli potrzebujesz osłabienia w konkretnym układzie, podaj nam długość fali, moc i charakter pracy lasera, wymagany poziom osłabienia oraz to, czy pomiar jest ilościowy. Wskażemy właściwy typ filtra albo — przy większych mocach — sensowniejsze rozwiązanie niż filtr.