Оптические компоненты

раздел охватывает фундаментальные аспекты оптики и информацию о линзах, зеркалах, фильтрах и призмах. А также основные положения о поляризационной и дифракционной оптике.

Линза – оптический элемент из прозрачного материала, способный формировать оптические изображения предметов и ограниченный двумя поверхностями, преломляющими световые лучи.

Материалы

ИК область

Органическое стекло, Ge, ZnSe, BaF2, CaF2, Se

Видимый диапазон

Кварц, флюорит, кремниевое и боросиликатное стекло

УФ область

Плавленный кварц, MgF2, BaF2

Преломляющие свойства линзы зависят от радиусов кривизны сферических поверхностей, толщины линзы и показателей преломления материала.

Способность отклонять лучи от прямолинейного распространения называется оптической силой линзы (D). Оптическая сила линзы обратнопропорциональна фокусному расстоянию.

Виды линз

По характеру преобразования пучка, форме преломляющих и боковых поверхностей различают собирающие и рассеивающие линзы, сферические, асферические, цилиндрические, торические линзы, круглые и некруглые линзы.

Сферические синглетные линзы – планочные, вогнутые, выпуклые, чаще всего применяются в исследованиях и промышленных отраслях.

Аберрация – дефект изображения, полученного с помощью оптической системы (линза или зеркала). Сферическая аберрация возникает, когда лучи, падающие на периферию линзы, не попадают в ту же точку фокуса, что и лучи, находящиеся по центру.

Плоско-выпуклая линза

фокусирует коллимированный пучок. Для минимизации сферической аберрации источник света при фокусировке должен падать на криволинейную поверхность, а точечный источник – на планарную поверхность.

Двояковыпуклая линза

линзы обеспечивают высокое пропускание

в диапазоне от 0,18 мкм до 8 мкм. Выпускаются без покрытия или с AR-покрытием (для спектрального диапазона 2-5 мкм). Обе поверхности сферические и имеют одинаковый радиус кривизны, что минимизирует аберрацию (соотношение расстояний до объекта и изображения – 1:5, 5:1)

AR - покрытие (антибликовое) - просветляющее или антирефлексное покрытие применяется для увеличения прозрачности линзы и уменьшения отражения света от ее поверхности.

При выборе между планово-выпуклой и двояковыпуклой линзами, в которых коллимированный падающий свет сходится, обычно предпочтительнее выбирать планово-выпуклую линзу, если желаемое абсолютное увеличение составляет либо менее 0,2, либо более 5. В промежутке между этими двумя значениями обычно предпочтительнее использовать двояковыпуклые линзы.

Плоско-вогнутая линза

имеет отрицательное фокусное расстояние. Используются для расходимости коллимированного падающего пучка. Коллимированный источник света должен падать на изогнутую поверхность, чтобы минимизировать сферические аберрации.

Двояковогнутая линза

имеет отрицательное фокусное расстояние и лучше всего подходят для рассеяния сходящегося луча. Как и планочно-вогнутая линза, двояковогнутая линза может рассеивать коллимированный пучок до мномого фокуса.

Двояковыпуклая линза с асимметричными гранями

радиус кривизны каждой грани подобран таким образом, чтобы минимизировать сферическую аберрацию и размытость. Теоретически, с помощью таких линз можно достичь дифракционно-ограниченных характеристик при малых диаметрах входного пучка.

Положительная менисковая линза

или выпукло-вогнутая линза предназначена для минимизации сферической аберрации. В сочетании с другими линзами, уменьшают фокусное расстояние и увеличивают числовую апертуру системы, не внося значительных сферических аберраций.

Отрицательная менисковая линза

используется для минимизации сферической аберрации. В сочетании с другими линзами, увеличивают фокусное расстояние и уменьшают числовую апертуру.

Зеркало – оптический элемент, обладающий полированной поверхностью правильной формы, которая способна отражать свет с соблюдением равенства углов падения и отражения, и образующая оптические изображения объектов.

Отражающий слой зеркала обычно выполнен из металла или диэлектрика и имеет шероховатости размером не больше сотых долей длины волны.
Отражающее покрытие диэлектрического зеркала образовано чередующимися тонкими слоями прозрачных диэлектриков. Действие диэлектрического зеркала основано на явлении интерференции света, возникающей в тонких слоях. Вследствие этого диэлектрические зеркала отражают свет в узком спектральном диапазоне.

Интерференция - взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга.

Самыми популярными являются плоские зеркала, однако в оптических системах применяются выпуклые и вогнутые зеркала со сферической, цилиндрической и параболоидальной отражающей поверхностью. Качество зеркала напрямую зависит от его соответствия с математической формой, поэтому плоские зеркала дают безаберрационные мнимые изображения. Неплоские зеркала обладают всеми аберрациями, кроме хроматической.

Металлическое покрытие

Алюминий

УФ, видимый, ИК диапазоны

Серебро

Видимый, ИК диапазон спектра

Золото

ИК область спектра

Зеркало с металлическим покрытием

отражение от любого металла зависит от длины волны – чем больше длина волны, тем выше коэффициент отражения (у некоторых металлов до 99%).

Диэлектрическое плоское зеркало

используется интерференция света в многослойных комбинациях прозрачных диэлектриков и получают отражающие поверхности (в относительно узкой области спектра) с коэффициентом отражения более 99% в видимом и УФ диапазоне.

Оптический резонатор – определенное расположение зеркал и других оптических элементов, при котором формируется стоячая световая волна.

Оптические резонаторы обеспечивают обратную связь для взаимодействия лазерного излучения с активным элементом. Также, они используются в оптических параметрических генераторах и в некоторых интерферометрах. Свет, находящийся в резонаторе, многократно отражается и образует стоячие волны с определенными резонансными частотами.

Плоскопараллельный резонатор

основной вид оптического резонатора. Представляет собой два соосных, параллельно расположенных зеркала, между которыми может формироваться резонансная стоячая оптическая волна. В лазерах одно из зеркал делается пропускающим для вывода излучения.

Концентрический резонатор

образован двумя сферическими зеркалами, оси и центры кривизны которых совпадают. В таких резонаторах дифракционные потери для поперечных мод быстро возрастают, что используется для селекции мод.

Конфокальный резонатор

образован двумя одинаковыми сферическими зеркалами, фокусы которых совпадают. Поле в таком резонаторе концентрируются около оси, что снижает дифракционные потери. Данный тип резонатора мало чувствителен к разъюстировке, однако объем активной области используется неэффективно.

Полуконцентрический резонатор

образован одним сферическим зеркалом, радиус кривизны которого равен длине резонатора, и одним плоским, по своим свойствам близок к концентрическому резонатору

Полуконфокальный резонатор

образован одним плоским и одним сферическим зеркалом, радиус кривизны которого равен удвоенной длине резонатора. По свойствам аналогичен конфокальному резонатору с удвоенной длиной.

Оптический фильтр – устройства, которое пропускает, блокирует или изменяет определенный диапазон длин волн (видимый, ИК-диапазон). Используются в оптических системах для контроля и изменения спектра.

В зависимости от своей конструкции и целей использования, фильтры могут выполнять различные функции:

Полосовой фильтр из цветного стекла

пропускают определенный диапазон частот или цветов, блокируя остальные. Используются для разделения цветов в фотографии и спектроскопии. Полосовые фильтры: с твердым и мягким покрытием, ИК-диапазона, БИК-фильтры, режекторные, жидкокристаллические

Нейтральный фильтр

снижают количество света, достигающего камеры, позволяя сделать более длинную выдержку. Блокирует рассчитанное количество входящего света и делает его равномерным, не влияя на контрастность или четкость изображения.

Фильтры нейтральной плотности (ND) имеют характерный коэффициент пропускания, который определяет степень ослабления света. Фильтр ND2 дает ослабление в 2 раза, ND4 – в 4 раза. Чем выше значение ND, тем больше света блокируется.

Поляризационные фильтры

пропускают свет только в определенной плоскости поляризации и блокируют его в ортогональной плоскости. Используются для контроля поляризации или устранения отражений

По типу взаимодействия с поляризационным светом, фильтры делятся на линейные (PL) и циркулярные (CPL). Наиболее популярными являются CPL, так как они не оказывают негативного влияния на работу оборудования.

Оптические фильтры имеют несколько основных характеристик и параметров, которые определяют их функциональность и использование.

Полоса пропускания

Это диапазон оптических частот, которые фильтр пропускает. Полоса пропускания может быть настроена на пропускание только зеленого и синего цветового спектра.

Блокирующие полосы

Это диапазоны оптических частот, которые фильтр блокирует. Фильтр может блокировать инфракрасное излучение или ультрафиолетовые волны.

Коэффициент пропускания или ослабления

Это показатель того, насколько сильно фильтр изменяет интенсивность света. Нейтральные фильтры, например, имеют коэффициенты пропускания, которые указывают, насколько раз фильтр ослабляет свет.

Угол наклона полосы пропускания

Некоторые фильтры, такие как поляризационные фильтры, имеют угол наклона пропускной полосы, который может быть регулируемым. Это позволяет контролировать направление поляризации света, пропускаемого фильтром.

Размер и тип монтажа

Оптические фильтры могут быть доступны в различных размерах, соответствующих размеру объектива или оптической системы. Они могут иметь различные типы монтажа, такие как винтовые фильтры или прямоугольные фильтры, которые используются с держателями.

Эти параметры и характеристики оптических фильтров могут варьироваться в зависимости от их конкретного назначения и применения. Выбор правильного фильтра зависит от требований конкретной задачи и желаемого эффекта.

Призма – тело из однородного материала, прозрачного для оптического излучения, ограниченное плоскими отражающими и преломляющими свет поверхностями, расположенными под строго определенными углами друг к другу.

Для призм, использующихся в оптических приборах, используется оптическое стекло с разными показателями преломления, зависящими от типа и назначения призмы.

Спектральной призмой называется многогранник, сделанный из прозрачного вещества, обладающего значительной дисперсией. Угол выхода лучей из призмы зависит от длины волны излучения. Прохождение луча через призму связано с преломлением, зависящим от материала. Для изготовления хороших спектральных призм должен использоваться материал, прозрачный для исследуемой области спектра, обладающий большой дисперсией, высокой оптической однородностью и изотропностью.

Спектральная призма

двугранный угол с ребром АВ называется преломляющим. Плоскости ABCD и ABC1D1 называются преломляющими гранями призмы. Плоскость, перпендикулярная ребру призмы и проходящая через его середину, называется плоскостью главного сечения.

Отражательные призмы

основными характеристиками работы отражательных призм являются угол отклонения и смещение светового пучка, а также оборачивание изображения. Углом отклонения называется угол между направлениями осевого луча до и после призмы.

Поляризационные призмы

призмы состоят из двух или более трехгранных призм, одна из которых вырезается из оптически анизотропного кристалла. Проходящее излучение преодолевает наклонную границу раздела двух сред, на которой условия преломления света для компонент светового пучка, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, резко различаются.

Действие оптической призмы похоже на зеркало. Однако в ряде случаев использовать оптические призмы удобнее, чем зеркала.

-Действие одной призмы часто заменяет действие системы зеркал. Углы между зеркалами должны регулироваться с большой точностью при сборке, в то время как углы между гранями призмы неизменны;

-Потери света от граней у призм с полным внутренним отражением равны нулю, тогда как при отражении от поверхностей зеркал потери довольно велики. Кроме того, отражающие покрытия зеркал с течением времени могут портиться

-Конструкция крепления призм в оправах проще чем системы зеркал, так как призма имеет меньшие габариты

Поляризационная оптика, включающая поляризационные элементы и полноценное оборудования, изменяет состояние поляризации падающего излучения, а также контролирует и измеряет ее.

Поляризационная оптика включает в себя поляризаторы, волновые пластины и замедлители, вихревые замедлители, кварцево-клиновые деполяризаторы, жидкокристаллические деполяризаторы, вращатели Фарадея, а также устройства для управления поляризацией волокна.

Поляризация — свойство света, в результате которого векторы напряженности электрического и магнитного полей световой волны ориентируются в плоскости, параллельной плоскости, в которой свет распространяется. Различают линейную, эллиптическую и круговую поляризацию. Она возникает при преломлении, отражении или прохождении света через анизотропную среду.

Поляризационные приборы, предназначаются для обнаружения, анализа, получения и преобразования поляризованного оптического излучения, а также для различных исследований и измерений, основанных на явлении поляризации света.

Поляризатор – устройство, предназначенное для получения полностью или частично поляризованного оптического излучения из излучения с произвольным состоянием поляризации.

Линейный пленочный поляризатор

поляризатор, поворачивающийся в оправе. Направление пропускания линейной поляризации отмечено точками или рисками с диаметрально противоположных сторон вращающейся части оправы.

Поляризаторы на основе проволочной сетки

состоят из массива параллельных металлических проводов, зажатых между подложкой из плавленого кварца или стекла. Обладая высоким пропусканием и высокой максимальной рабочей температурой (200 °C для неустановленных квадратных поляризаторов, 93 °C для установленных круглых поляризаторов), поляризаторы с проволочной сеткой являются альтернативой как традиционным поляризаторам на пленочной основе, так и голографическим проводным поляризаторам. сетчатые поляризаторы.

Циркулярный поляризатор

состоят из поляризационного лучепреломляющего куба и четвертьволновой пластины, размещенных в 30-миллиметровом корпусе. Сборка предварительно выравнивается для получения правосторонней круговой поляризации из неполяризованного или p-поляризованного входного пучка (относительно плоскости расщепления пучка). Эти кубы могут также работать в качестве регулятора поляризации путем отпирания и поворота четвертьволновой пластины.

Волновая пластина — оптический элемент, изменяющий поляризацию электромагнитной волны. На практике часто пользуются полуволновой пластинкой, изменяющей ориентацию линейной поляризации и четвертьволновой пластинкой, которая изменяет линейную поляризацию на круговую или наоборот.

Ахроматическая четвертьволновая пластина

пластинки из оптически анизотропных материалов, вносящие сдвиг фазы между двумя взаимно перпендикулярными компонентами электрического вектора Е проходящего через них излучения (соответствующими двум линейным поляризациям), называют фазовыми, или волновыми, пластинками и предназначены для изменения состояния поляризации излучения.

Приборы для поляризационно-оптических исследований отличает чрезвычайное разнообразие сфер применения, конструктивного оформления и принципов действия. Их используют для фотометрических и пирометрических измерений, кристаллооптических исследований, изучения механических напряжений в микроскопии.

Элементом большинства приборов является схема, состоящая из последовательно расположенных на одной оси линейного поляризатора и анализатора. Если их плоскости поляризации взаимно перпендикулярны, схема не пропускает излучение (установка на гашение). Изменение угла между этими плоскостями приводит к изменению интенсивности проходящего через систему излучения по закону Малюса. Особое удобство этой схемы для сравнения и измерения интенсивностей световых потоков обусловило её преимущественное применение в фотометрических поляризационных приборах — фотометрах и спектрофотометрах (как с визуальной, так и с фотоэлектрической регистрацией).

Закон Малю́са — физический закон, выражающий зависимость интенсивности линейно-поляризованного света после его прохождения через поляризатор от угла между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора. Говорит о том, что интенсивность плоскополяризованного света в результате прохождения плоскополяризующего фильтра падает пропорционально квадрату косинуса угла между плоскостями поляризации входящего света и фильтра.

Дифракционная оптика совокупность специальных оптических элементов, с помощью которых осуществляются преобразования световых полей, аналогичные преобразованиям, происходящим при применении классических оптических элементов (линз, призм, зеркал, фильтров).

В отличие от классических оптических элементов, в которых световые лучи отражаются и преломляются, в дифракционных оптических элементах световые лучи изменяют направление за счёт дифракций.

Такие элементы могут заменять сложные объективы, преобразовывать по заданному закону лазерное излучение, формировать изображение объектов, рассчитанных компьютером. Использование плоских оптических элементов в оптике открывает перспективу создания дешевых, легких, компактных и функционально сложных оптических приборов. Диапазон применения очень широк: от искусственного хрусталиков глаза до оптики космических телескопов.

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. При дифракции световые волны огибают границы непрозрачных тел и могут проникать в область геометрической тени.

Основной целью включения дифракционных оптических элементов (ДОЭ) в изображающие оптические системы является коррекция аберраций и, прежде всего хроматизма.

Преобразование плоско-выпуклой линзы в киноформную

Обычную плоско-выпуклую линзу (1) можно геометрическим способом преобразовать в тонкую дифракционную структуру (2). Для этого линза делится на тонкие слои одинаковой толщины. Число слоев может быть различным. На плоской поверхности их можно объединять в дискретную ступенчатую структуру линиями, параллельными оптической оси. Полученная структура с максимальной высотой h и будет называться дифракционной или киноформной линзой.

Важной особенностью дифракционной линзы является ее очень малая толщина.

Гибридные линзы

Дифракционные элементы можно использовать также при создании так называемых гибридных линз, сочетая их с рефракционными элементами. Так как знаки дисперсии света в дифракционных и рефракционных элементах противоположны, то благодаря такой оптической гибридизации можно построить оптический элемент, практически не имеющий хроматизма, т. е. способный работать в белом свете. Эти свойства используются при создании проигрывателей DVD-дисков, приборов ночного видения и даже искусственного хрусталика глаза.

Простейшие преобразования световых пучков, выполняемые рефракционными и дифракционными оптическими элементами.

Отклонение

призма отклоняет световой пучок на определенный угол, причем у большинства оптических материалов коэффициент преломления увеличивается с уменьшением длины волны: пучок синего света отклонится больше, чем красный. Аналог призмы – дифракционная решетка с пилообразной формой рельефа

Светоделение

если рельеф дифракционной решетки имеет прямоугольную форму и глубину, в два раза меньшую, чем у пилообразной решетки, световой пучок разделится в основном на два, равных по интенсивности. Можно подобрать такую форму рельефа, что дифракционный элемент будет делить входной световой пучок на любое заданное число пучков

Фокусировка

дифракционная линза является не просто аналогом обычной рефракционной линзы, а имеет существенное преимущество: она фокусирует световой пучок в пятно, определяемое только дифракцией на ее апертуре, т. е. свободна от аберраций и может заменить сложный многолинзовый объектив.

Всегда на складе

Широкий ассортимент оборудования для диагностики сверхкоротких импульсов.

Для того, чтобы ознакомиться со всем ассортиментом товара, свяжитесь с нами или задайте вопрос через форму

Свяжитесь с нами

Оставьте свои контактные данные, и наш менеджер свяжется с вами

Всегда на складе

Широкий ассортимент оборудования для диагностики сверхкоротких импульсов.

Для того, чтобы ознакомиться со всем ассортиментом товара, свяжитесь с нами или задайте вопрос через форму

Политика конфиденциальности

Наверх