Частично отражающие оптические элементы

Потери на отражение (от входной и выходной грани) в оптическом элементе без просветляющего покрытия можно найти по формулам Френеля:

(1.6)

где R _s – коэффициент отражения s -поляризованной компоненты излучения (ориентированной в плоскости падения), R_p – коэффициент отражения p -поляризованной компоненты излучения (ориентированной ортогонально плоскости падения). При нормальном падении (α = 0) выражения (1.6) приводятся к виду

, (1.7)

так, например, для кронового стекла марки К8 в видимом диапазоне n _ст ≈ 1.5, тогда R _норм ≈ 4 %, для более тяжелых стекол (n _ст > 1.5) соответственно R _норм > 4 %.

Большие потери на поглощение в стекле возникают в среднем ИК диапазоне, поэтому в качестве отражающей оптики здесь используются полированные металлические поверхности, имеющие высокие коэффициенты отражения (R > 99 %) в этом диапазоне частот. Однако для этого диапазона существуют и доступные оптические материалы большой прозрачности – это щелочно-галоидные кристаллы, имеющие к тому же малые потери на отражение – R _норм < 4 %, и малый показатель преломления (согласно (1.7) их показатель преломления менее 1.5). Самым распространенным материалом является соль KCl (показатель преломления 1.457 на длине волны 10 мкм). Из выражения (1.3) однако следует, что фториды LiF, NaF, BaF₂ и CaF₂ в диапазоне длин волн 8–12 мкм, имеющие показатель преломления менее 1.42, не могут быть использованы для изготовления призм ПВО вида рис.1.1 для нормального падения (α_пад = 0), т.к. критический угол ПВО α_кр < 45°, но даже из этих материалов элемент ПВО с α_пад = 0, поворачивающий ось распространения излучения на выходе на 60°, можно выполнить в виде, боковая проекция которого есть правильный треугольник, а для поворота излучения назад можно использовать элемент ПВО с боковой проекцией в виде половины правильного шестиугольника (в таком элементе осуществляется три ПВО, однако он не будет являться ретроотражателем).

В среднем ИК диапазоне также становятся прозрачными полупроводниковые и керамические материалы с большим показателем преломления более 2.3 и соответственно большим коэффициентом отражения от границы раздела (см. формулу (1.7)) более 15 %. Это используется для создания частично отражающих оптических элементов, таких как полупропускающие светоделители без нанесения интерференционных покрытий, что повышает лучевую стойкость таких элементов без увеличения их стоимости. Примером используемых полупроводниковых материалов могут служить чистые полупроводники – Si (n _Si = 3.4), Ge (n _Ge = 4.0) и соединения – ZnSе (n _ZnSe = 2.4), ZnS (n _ZnS = 2.2).

Рис.1.2. Оптическая схема призмы с углом Брюстера

Для создания элементов силовой оптики можно использовать также закон Брюстера (1.2). На рис.1.2 показана боковая проекция поворотной поляризационной призмы с углом при основании, равным углу Брюстера α_Бр, при котором производится падение на призму р -поляризованного излучения, что полностью устраняет его потери на отражение (1.6). Данная призма поворачивает направление распространения пропущенного излучения на угол (4α_Бр – 180°), величина которого согласно (1.2) зависит только от показателя преломления материала призмы. Так при использовании стекла из тяжелого флинта (ТФ3 или ТФ5 в различных частотных диапазонах) с n _ст = 1.73 угол поворота равен 60° (угол Брюстера и угол при основании призмы равны 60°), тогда согласно (1.6) однопроходные потери излучения s -поляризованного излучения составят R _s = 25 %; при использовании оптического материала (в среднем ИК диапазоне) с показателем преломления около 2.4 (например, ZnSе) угол поворота равен 90° (эквивалент уголкового отражателя ПВО) с однопроходными потерями для s -поляризованного излучения R _s = 50 % (угол Брюстера и угол при основании призмы равны 67° 30’) – данный материал можно использовать и для равного деления s -поляризованного излучения.