[lasers_Technic47]

Основы

Небольшой ликбез по оптике. Основные виды оптических деталей, их задачи и исполнения. Расскажу про покрытия, те которые у нас встречаются.

Что такое свет?
-Это электромагнитное излучение в видимом диапазоне 380-720нм. Цифры не строгие, т.к. для каждого человека могут различаться на +\- пару нанометров, из-за особенностей глаза.
Что такое цвет?
-Это определённая длинна волны излучения.

Оптический диапазон длин волн: от 1нм до 100000нм.
Уф: 1-380нм, видимый: 380-720нм, ик: 720 - 100000нм.

Нас интересует монохроматическое излучение (лазерное, только одного цвета - одной длинны волны).
Такое излучение почти всегда линейно поляризовано. 100:1 Это обозначает, что излучение распространяется вдоль оптической оси только в одной плоскости.


Все оптические детали предназначены для преобразование пучков излучения, отклонения оптической оси и оборачивания изображения (отзеркаливания). Изготавливаются, в основном, из оптического стекла. Не путать с оконным! Оптическое стекло отличается наивысшим коэффициентом пропускания по сравнению с промышленными и другими типами стёкл. У каждой детали есть 3 разных типа поверхностей:
1. Исполнительные.
Те поверхности, которые взаимодействуют с излучением на прямую.
2. Дополнительные.
Поверхности которые служат базой для крепления детали. К примеру боковая цилиндрическая поверхность у линзы, боковые поверхности у призм или пластин. Они обычно шлифованные и матовые. У линз по этим поверхностям осуществляется центрирование.
3. Свободные
Они не играют ни какой роли в построении изображения. К примеру фаски. Они служат для того, чтобы упрочнить кромки детали и защитить пользователя от порезов.

Оптические детали
Рассмотрим основные виды оптических деталей:

Линза сферическая.
Они бывают разные. Основные типы на рисунке:

Слева на право, положительные:
Положительные миниск, плоско-выпуклая, двояко-выпуклая, обозначение в схемах.
... отрицательные:
Отрицательный миниск, плоско-вогнутая, двояко-вогнутая, обозначение в схемах.

Это самые распространённые типы линз, т.к. они легко изготавливаются.
Но у них есть свои минусы - сферические аберрации. О них позже.


Линза цилиндрическая:
На рисунке наглядно показаны 2 вида цилиндрических линз: двояко-вогнутая и двояко-выпуклая.

Основная задача таких линз - преобразования пучка излучения только в одной плоскости.
Типы форм исполнительных поверхностей аналогичны сферическим линзам, только представляют из себя часть цилиндра.
Такие линзы сложнее изготавливать и у них также присутствуют аберрации.

Асферическая линза.
По сути то же самое, что и сферическая линза. Различие лишь в том, что её исполнительные поверхности представляют из себя не сферы, а поверхности 2-ого, 3-его и т.д. порядков. (параболы, элипсоиды, гиперболы)
Эти линзы очень сложно и долго изготавливать. К ним предъявляются самые жёсткие требования по качеству.
У них есть один плюс, который оправдывает их использование: практически полное отсутствие сферических аберраций. То есть, к примеру, если на такую линзу направить параллельный пучёк, то она соберёт его в почти идеальную, бесконечно малую точку, в то время, как при использовании сферической линзы, мы бы получили пятно.

Соответственно применяется там, где нужно получить самое высокое качество изображения.


Плоско параллельная пластина (ППП)

Самая обычная пластина с 2-мя параллельными исполнительными поверхностями.
Так же самая распространённая деталь. Видов её использования множество. В основном пластины служат, как подложки для нанесения на них разных покрытий. А от покрытия уже и зависит область применения.
К примеру: зеркала, разделения света, защитные стёкла, перекрестия, сетки и т.д.
Очень проста в изготовлении, но дорога в покрытии.
Главная особенность таких пластин - очень высокая параллельность исполнительных поверхностей и их чистота.

Оптический клин.
То же самое, что и пластинка, только исполнительные поверхности не параллельны, а имеют какой то угол схождения (до 5-ти градусов).
Применение тоже разнообразное.

Призма.
призм огромное множество. Все они делятся на 2 класса: дисперсионные и оборачивающие.
Дисперсионные призмы служат для разделения, к примеру, белого цвета на радугу. применяются для спектральных анализов или разделения излучения на разные каналы (УФ, видимый, ИК).
Оборачивающие призмы применяются для поворота оптической оси на определённый угол и отзеркаливание изображения по определённой оси. К примеру в каждом более - менее дорогом бинокле есть призма на каждый глаз. Если её убрать, то мы будем видеть всё кверх тормашками.
вообщем-то призмы в лазеро-строении не особо нужны, по этому расписывать их не буду. Если надо - распишу основные.

Отдельно хочу рассмотреть оптический кубик.
Это склеенные гипотенузными гранями 2 треугольные, равнобедренные призмы. На склеиваемые грани наносят покрытие.

Аберрации оптических деталей. (кратко)
Делятся на 2 группы: сферические и хроматические.
Сферические оберации возникают из-за несовершенства формы исполнительной поверхности (плохо обработана, неправильно рассчитана). Есть везде, кроме асферических поверхностей.
Они представляют из себя искривления изображения, получаемое линзой. (расплывчатость, не чёткость как всего изображения, так и по краям, не правильность формы изображения простой геометрии - заместо квадрата получаем "подушку" и т.д.).
Хроматические аберрации приводят к неправильному изображению цветов. то есть как в дисперсионных призмах белый свет будет разлагаться на составляющие.
Не буду их расписывать, т.к. у нас монохроматическое излучение и разлагаться нечему.


Оптические покрытия.

Покрытие представляет из себя тонкую плёнку на оптической детали. Может состоять из 1-го или множества слоёв.
Видов покрытий великое множество. Распишу те, которые нам могут встретиться.

Зеркальные покрытия.
Они предназначены для отражения излучения или его какой то части.
Зеркала бывают разные:
Металлические,
Металл-диэлектрические,
Диэлектрические.
Металлические зеркала применяются для отражения всего того, что на них падает. Не высокий коэффициент отражения. В зависимости от материала - 80-95% без дополнительных диэлектрических плёнок.
Если металлическое покрытие имеет недостаточный коэффициент отражения, то на него наносят слабое диэлектрическое покрытие. Оно доводит отражения до 98-100% в узком спектральном диапазоне.
С диэлектрическими всё гораздо сложнее.
Дихроичное зеркальное покрытие - предназначено для разделения подающего пучка на 2 составляющие или наоборот, для собирания одного пучка из 2-х.
Принцип действия: такие зеркала отражают одну длину волны и пропускают другую.
На графике пропускается всё, что больше 1160нм, а отражается в диапазоне 740-860


Монохроматическое зеркальное покрытие - сложное, многослойное зеркальное покрытие для отражения одной единственной длины волны. Коэффициент отражения может вплотную приближается к 100%


Зеркала вообщем то зачастую используются, как фильтры. Пара основных видов:
Отрезающие фильтры - покрытие, которое, к примеру, отрезает УФ спектр от всего подающего на него излучения. Эту же роль исполняют и простые цветные стёкла. только стёкла поглащают то что отсекают, а покрытия отражают. Получается что то наподобие дихроических зеркал, только с более резким переходом.


Диэлектрические зеркальные покрытия рассчитываются на определённый угол, т.к. имеют сильную зависимость коэффициента отражения от угла падения. Вот пример спектральных характеристик отражения зеркала на 532нм при 30, 45 и 60 градусах:




Красная и синяя линии - S и P поляризация.
Заметьте, что P поляризация очень сильно зависит от угла падения.
Так же можно сказать, что чем меньше угол, тем больше отражается и тем шире спектральная характеристика отражения.


Просветляющие покрытия.
Диэлектрические многослойные покрытия. Качество просветления зависит от материала слоёв. Работают на принципе многолучевой интерференции.
Суть просветления - улучшение пропускания оптической детали. Хорошее просветление даёт коэффициент пропускания до 99,99%.
Так же есть и дешёвые просветляющие покрытия, которые, к сожалению, сильно распространены. Это простые смеси кислот, которые позволяют увеличить пропускание до 98%.
Покрытие не способствует оптике лучше пропускать всё излучение видимого диапазона, к примеру. Для улучшения пропускания зелёного цвета приходится жертвовать пропусканием фиолетового и красного. Не на много. На практике убедился, что на широкий спектр сложно нанести хорошее просветление.
Просветление можно нанести не только на весь спектр, но и на определённые длины волн. Оно получается более качественное. по сути, как монохроматическое зеркало, только не отражает, а пропускает очень хорошо. Уже 2 слоя просветления дают близкий к 0 коэф. отражения(0,1-0,01).


Поляризационные покрытия.
Специальные покрытия для разделения пучка на два с разной поляризацией или наоборот для совмещения 2-х пучков в один.
Принцип действия заключается в том, что само покрытие отражает излучение с одной поляризацией и пропускает с другой. Поляризация отражённого излучения и прошедшего линейная.
У такого покрытия максимум пропускания при поляризации в одной плоскости, а максимум отражения строго перпендикулярен плоскости поляризации пропускания. Если излучение с одной поляризацией повернуть к примеру на 45 градусов относительно другого, а не на 90, то покрытие будет половину отражать, а половину пропускать. В итоге на выходе у нас получится только половина излучения.


Светоделительные покрытия
Сложные многослойные плёнки. Рассчитываются для того, чтобы к примеру сделать соотношение отражённого света к пропущенному 1:1, 2:1, 10:1. Их достаточно трудно получить.


В голову больше пока ничего не лезет. Но это ещё не конец. Буду пополнят по мене познания и вспоминания.
Если кого то интересует что то ещё, то говорите - дополним.
Думаю, может сюда вообще всю информацию из кучи тем перенести? Буду этим понемногу заниматься.
Если кто заметит ошибки, буду признателен за замечания...

[nevil]

спасибо интересная статейка)