Okna i substraty

Okno optyczne ma jedno zadanie: rozdzielić dwie przestrzenie, nie zmieniając wiązki. Oddziela próżnię od atmosfery, chroni optykę przed zanieczyszczeniem, zamyka komorę pomiarową — i przy tym powinno być optycznie jak najbardziej niewidoczne.

„Jak najbardziej niewidoczne" nie znaczy jednak „bez wpływu". Okno zawsze coś zmienia i warto wiedzieć co, zanim trafi do układu.

Wzory podajemy wraz z założeniami, przy których obowiązują.

Co okno robi z wiązką, nawet gdy jest idealne

Przesuwa ognisko

Płytka płaskorównoległa o grubości t i współczynniku załamania n, wstawiona w wiązkę zbieżną, przesuwa ognisko dalej od soczewki o w przybliżeniu:

Δ ≈ t · (1 − 1/n)

Dla okna z N-BK7 o grubości 5 mm (n ≈ 1,52):

Δ ≈ 5 mm × (1 − 1/1,52) = 5 × 0,342 = 1,71 mm

To przybliżenie parakslalne — obowiązuje dla wiązek o niedużej zbieżności i padania blisko prostopadłego. Przy szybkich wiązkach albo padaniu pod kątem płytka wprowadza dodatkowo aberrację sferyczną i astygmatyzm, i przesunięcie trzeba policzyć dokładniej.

Praktyczny wniosek: jeśli dokładasz okno do gotowego układu, ognisko ucieknie o ułamek grubości okna. Przy oknie 10 mm to już ponad 3 mm — więcej, niż wynosi głębia ostrości wielu układów.

Traci część światła na odbiciach

Na każdej powierzchni szkło–powietrze przy padaniu prostopadłym odbija się:

R = ((n − 1) / (n + 1))²

Dla n ≈ 1,52 daje to R = (0,52 / 2,52)² = 0,0426, czyli około 4,3% na powierzchnię. Okno bez powłoki przepuszcza więc 0,957² ≈ 0,916 — traci około 8%.

To transmisja pierwszego przejścia. Jeśli uwzględnić wielokrotne odbicia wewnątrz okna, sumowane niekoherentnie i bez absorpcji:

T = (1 − R) / (1 + R) = 0,957 / 1,043 = 0,918

czyli około 92%. Dla światła spójnego wartość zależy dodatkowo od fazy i okno zachowuje się jak etalon — o tym niżej.

Powłoka antyrefleksyjna te straty istotnie zmniejsza, ale nie do dowolnie małej wartości i nie w każdych warunkach. Katalogowe powłoki szerokopasmowe mają typowo odbicie rzędu 0,5–1,75% na powierzchnię w swoim zakresie; powłoki wąskopasmowe schodzą niżej. Wartość zawsze odnosi się do określonego zakresu długości fali, kąta padania i polaryzacji — i do jednej powierzchni albo do całego elementu, co trzeba sprawdzić w karcie.

Może odbić światło z powrotem do lasera

To pomijany, a poważny problem. Okno płaskorównoległe ustawione prostopadle do wiązki odbija część światła dokładnie wzdłuż drogi wejściowej — czyli z powrotem do rezonatora lasera. Skutkiem bywa niestabilność mocy albo skoki długości fali.

Dwa rozwiązania:

• Okno klinowe (wedged) — powierzchnie nie są równoległe, więc odbicie od powierzchni tylnej odchyla się od osi, a oba odbicia rozdzielają się kątowo. To tłumi efekt etalonu i usuwa prążki z użytecznej apertury, o ile rozdzielenie jest dostateczne względem średnicy wiązki i drogi propagacji.

Uwaga: sam klin nie eliminuje odbicia od powierzchni przedniej. Jeśli pierwsza powierzchnia stoi prostopadle do wiązki, jej odbicie wraca do lasera niezależnie od klina. Żeby żadne odbicie zwierciadłowe nie wracało, trzeba pochylić cały element albo zastosować izolator optyczny. Powłoka AR zmniejsza sprzężenie zwrotne, ale go nie usuwa.

• Ustawienie okna pod kątem do osi wiązki — proste i skuteczne. Przesuwa wiązkę poprzecznie i zmienia transmisję zależnie od polaryzacji (współczynniki Fresnela rozdzielają się dla polaryzacji s i p). W wiązce skolimowanej płytka płaskorównoległa nie psuje kolimacji; astygmatyzm i przesunięcie ogniska pojawiają się dopiero, gdy pochylona płytka stoi w wiązce zbieżnej lub rozbieżnej albo w układzie obrazującym.

Klin: co dokładnie robi

Okno o kącie klina α odchyla przechodzącą wiązkę o w przybliżeniu:

δ ≈ (n − 1) · α

Dla klina 0,5° i n = 1,52: δ ≈ 0,52 × 0,5° = 0,26°, czyli około 4,5 mrad. Na drodze 1 m daje to przesunięcie plamki o około 4,5 mm.

Klin rozwiązuje więc problem efektu etalonu i odbicia od tylnej powierzchni — znosi równoległość, więc to odbicie odchodzi w bok zamiast wracać w tor. Nie usuwa natomiast odbicia od powierzchni przedniej: ono wraca zgodnie z prawem odbicia i przy ustawieniu prostopadłym trafia wprost do źródła. Żeby pozbyć się i tego, całe okno trzeba dodatkowo pochylić.

Klin wprowadza przy tym własny problem: wiązka za oknem nie biegnie tam, gdzie przed nim. W układach wymagających zachowania kierunku trzeba to skompensować albo wybrać okno płaskorównoległe i poradzić sobie z odbiciami inaczej.

Okna płaskorównoległe mają za to określoną równoległość powierzchni, podawaną w sekundach lub minutach kątowych. Im mniejsza wartość, tym mniejsze odchylenie wiązki.

Parametry, na które trzeba patrzeć

Płaskość jednej powierzchni to nie to samo, co jakość okna w transmisji. Okno o płaskości λ/10 na każdej powierzchni nie gwarantuje błędu czoła fali λ/10 w transmisji: liczy się wzajemne dopasowanie obu powierzchni, jednorodność współczynnika załamania w objętości, grubość oraz naprężenia od montażu. Jeśli okno ma pracować w interferometrze albo w układzie obrazującym, specyfikuj zniekształcenie czoła fali w transmisji (TWD) przez używaną aperturę, z podaną długością fali — a nie samą płaskość powierzchni.

Do zamknięcia komory z detektorem wystarczy zwykle płaskość λ/2 i nie ma po co płacić więcej.

Rysy i wżery (scratch–dig) to specyfikacja dopuszczalnych defektów wizualnych, a nie miara rozproszenia ani progu uszkodzenia laserowego. Jeśli zależy Ci na niskim rozproszeniu, pytaj o chropowatość powierzchni; jeśli o pracę z dużą mocą — o LIDT w porównywalnych warunkach.

Materiał

Zakresy podane w tabeli dotyczą przepuszczania materiału. Rzeczywisty zakres gotowego okna zależy dodatkowo od grubości, gatunku materiału, powłoki oraz od tego, jaki poziom transmisji uznasz za wystarczający.

Przy materiałach o wysokim współczynniku załamania powłoka przestaje być opcją. Odbicie liczone ze wzoru Fresnela dla n = 3,4 (krzem) wynosi około 30% na powierzchnię, a dla n = 4,0 (german) około 36% — okno bez powłoki przepuszczałoby wtedy — po uwzględnieniu odbić wielokrotnych, tym samym wzorem co wyżej — odpowiednio około 54% i 47% światła. Dla ZnSe (n ≈ 2,4) to około 17% na powierzchnię. W podczerwieni pytanie nie brzmi więc „czy powłoka", tylko „jaka powłoka".

Okna do zastosowań próżniowych

Tu przestaje to być wyłącznie zagadnienie optyczne. Grubość okna próżniowego musi być dobrana do różnicy ciśnień i średnicy swobodnej apertury, z zapasem bezpieczeństwa — okno zbyt cienkie pęka do wnętrza komory, niszcząc przy okazji to, co jest w środku.

Nie podajemy tu wzoru na minimalną grubość i celowo. Dobór okna próżniowego zależy od geometrii kołnierza, sposobu uszczelnienia, obecności obciążeń cieplnych i wymaganego współczynnika bezpieczeństwa; wartość policzona z uproszczonego wzoru może być groźnie zaniżona. Jeśli okno ma pracować pod różnicą ciśnień, napisz nam, jaka jest średnica apertury i różnica ciśnień — wskażemy element o potwierdzonym przeznaczeniu próżniowym.

Poza grubością liczy się też sposób montażu: okno docisnięte punktowo albo nierównomiernie doznaje naprężeń, które wprowadzają dwójłomność wymuszoną i zniekształcają czoło fali, nawet jeśli samo okno jest doskonałe.

Kiedy okno to nie jest właściwy element

• Gdy trzeba rozdzielić wiązkę — do tego służy rozdzielacz wiązki, nie okno.
• Gdy trzeba odfiltrować część widma — filtr, nie okno; okno ma przepuszczać wszystko w swoim zakresie.
• Gdy element ma jednocześnie ogniskować — wtedy szukamy soczewki, ewentualnie okna z jedną powierzchnią zakrzywioną (element dedykowany).
• Gdy potrzebna jest wysoka płaskość na dużej aperturze przy niskiej cenie — tego się nie da pogodzić; trzeba zdecydować, który parametr ustępuje.

Najczęstsze błędy

• Dołożenie okna do gotowego układu bez korekty położenia ogniska — przesunięcie wynosi około jednej trzeciej grubości okna dla typowego szkła.
• Okno płaskorównoległe prostopadle do wiązki lasera — odbicie wraca do rezonatora i destabilizuje pracę lasera.
• Zamówienie okna klinowego tam, gdzie kierunek wiązki musi być zachowany — klin odchyla wiązkę o (n−1)·α.
• Założenie, że klin sam wystarczy przeciw odbiciu do lasera — odbicie od powierzchni przedniej wraca, jeśli stoi ona prostopadle do wiązki.
• Pominięcie kąta padania i polaryzacji przy doborze powłoki AR — powłoka zaprojektowana na padanie prostopadłe pod dużym kątem zachowuje się inaczej.
• Zamówienie okna z krzemu lub germanu bez powłoki — traci się wtedy większość światła na samych odbiciach.
• Przepłacenie za płaskość, która nie jest potrzebna — albo, częściej, oszczędzenie na niej tam, gdzie jest krytyczna.
• Dobór okna próżniowego „na oko" — grubość musi wynikać z różnicy ciśnień i apertury, nie z tego, co było dostępne.
• Założenie, że powłoka rozszerza zakres pracy materiału — nie rozszerza.

Jeśli okno ma pracować w konkretnych warunkach — próżnia, wysoka moc, UV, podczerwień, wymagana płaskość — opisz nam zastosowanie wraz z długością fali, średnicą apertury i różnicą ciśnień, jeśli występuje. Dobór komponentów jest częścią naszej pracy.