Lăng kính và bộ tách chùm tia

goài nhiệm vụ tách chùm tia, bộ tách chùm còn có thể dùng làm tái kết hợp hai chùm tia sáng hoặc ảnh phân tách vào một đường đi. Cấu hình đơn giản nhất đối với một bộ tách chùm là một bản thủy tinh phẳng không tráng (như bàn soi kính hiển vi) có năng suất phản xạ bề mặt trung bình khoảng 4%. Khi đặt ở góc 45o, bản sẽ cho truyền qua đa phần ánh sáng, nhưng phản xạ một lượng nhỏ ở góc 90o so với chùm tia tới. Đúng như tên gọi bản tách chùm, bản thủy tinh crown quang được thiết kế tráng bạc một phần nhằm tạo ra tỉ số truyền qua-phản xạ theo yêu cầu. Tỉ số này luôn biến thiên trong khoảng giữa 50:50 và 20:80, phụ thuộc vào từng ứng dụng. Nói chung, một màng kim loại hay lưỡng cực lắng lên mặt trước (đối diện với nguồn rọi sáng tới) của bản tách chùm, còn một lớp phủ chống phản xạ được tráng lên mặt sau (xem hình 7). Chất phủ chống phản xạ được chọn phù hợp với góc tới của ánh sáng nhằm làm giảm tối thiểu lượng ánh sáng phản xạ khỏi mặt sau của bản và làm giảm khả năng tạo ảnh ma. Các chất chống phản xạ tiêu biểu chỉ có hệ số phản xạ khoảng 0,5% ở góc tới 45o. Lớp phủ lưỡng cực cũng phải được xử lí tốt nhằm mang lại năng suất phản xạ, các đặc điểm phân cực, và sự phân bố bước sóng thích hợp ở góc mà bộ tách chùm được thiết kế. Vì cả chất phủ lưỡng cực và chất phủ chống phản xạ đều có sự hấp thụ không đáng kể trong vùng ánh sáng khả kiến (điển hình là 0,5% đối với bộ tách chùm 50:50 ở góc 45o), nên bản tách chùm lí tưởng cho nhiều ứng dụng rộng rãi. Hình 7. Bộ tách chùm dạng đĩa lưỡng cực Một trong hệ quả lớn nhất của việc sử dụng chất phủ lưỡng cực cho việc chế tạo bộ tách chùm là sự truyền và phản xạ không bằng nhau đối với các thành phần phân cực p và s (song song và vuông góc) của chùm tia sáng tới không phân cực. Kết quả là một số bộ tách chùm lưỡng cực chia ánh sáng không bằng nhau theo trạng thái phân cực có thể gây khó khăn trong nhiều ứng dụng. Khi sử dụng lớp phủ lưỡng cực, hiện tượng này thường có thể khắc phục bằng cách thay đổi sự định hướng vectơ phân cực của ánh sáng tới. Ngoài ra, hiệu ứng phân cực có thể làm giảm qua việc sử dụng lớp phủ lưỡng cực màng mỏng nhiều lớp phức tạp hơn, nhưng thường làm tiêu hao các mặt hiệu suất khác. Các lớp phủ bộ tách chùm không phân cực chuyên dụng được thiết kế dành cho dùng với ánh sáng laser phân cực, trong đó bức xạ tới phải duy trì hướng phân cực của nó trong cả chùm truyền qua và chùm phản xạ. Các lớp phủ có thể thực sự mang lại sự tách rõ ràng 50/50 năng lượng laser, bất kể trạng thái phân cực của chùm tia tới. Là một mặt lợi thế, ánh sáng không phân cực tới trên những lớp phủ này có cả thành phần song song lẫn vuông góc truyền qua ở tỉ lệ hầu như bằng nhau. Các bộ tách chùm dạng bản cũng có thể thiết kế để hoạt động như các bộ lọc cạnh sóng dài và sóng ngắn (khi đặt ở góc 45o) cho những ứng dụng yêu cầu việc chọn lọc bước sóng nhất định. Trong trường hợp bộ lọc sóng dài, các bước sóng dài được truyền qua và các bước sóng ngắn bị phản xạ ở góc 90o so với chùm tia tới. Bộ lọc sóng ngắn hoạt động theo kiểu ngược lại (cho truyền qua bước sóng ngắn và phản xạ bước sóng dài). Các bộ tách chùm hoạt động như bộ lọc cạnh thường được gọi là gương lưỡng sắc. Bộ tách chùm hình lập phương được chế tạo bằng cách dán hai mặt cạnh huyền của một cặp lăng kính góc vuông với nhau, có màng phản xạ một phần lắng trên mặt của một lăng kính (hình 8a). Cả bốn mặt của bộ tách chùm hình lập phương được xử lí một lớp phủ chống phản xạ nhằm làm giảm tối thiểu ảnh ma. Trong điều kiện lí tưởng, chùm ánh sáng tới phải đi vào bộ tách chùm qua lăng kính có phủ màng phản xạ sao cho sự phản xạ xảy ra trước khi chùm tia chạm tới chỗ hàn nối khối lập phương lại với nhau. Bộ tách chùm hình lập phương chống chấn động cơ và biến dạng cơ tốt hơn bộ tách chùm dạng bản, chủ yếu do bề mặt phản xạ được bảo vệ bằng cách kẹp giữa các lăng kính thủy tinh. Hình 8. Cấu trúc của những bộ tách chùm thông dụng Bộ tách chùm dạng bản có một số thuận lợi so với bộ tách chùm hình lập phương chủ yếu do không có lớp kết dính quang học trong vùng lân cận màng lưỡng cực hoặc màng kim loại, chúng có thể hấp thụ năng lượng ánh sáng và làm giảm sự truyền qua. Hệ quả là bộ tách chùm dạng bản có thể chịu được mức độ bức xạ cao hơn đáng kể mà không bị phá hủy. Bản thủy tinh cũng nhỏ hơn và nhẹ hơn so với khối lập phương lăng kính song sinh, và có thể dễ dàng lắp vào những không gian chật hẹp trong những cơ cấu quang chật ních. Các chất phủ tiên tiến cho bộ tách chùm hình lập phương gồm có màng kim loại- lưỡng cực lai ghép kết hợp lợi thế của cả hai loại vật liệu. Kết quả là một bộ tách chùm có hiệu suất vừa phải thường có mức hấp thụ khoảng 10% với độ nhạy phân cực rất thấp. Sự hấp thụ làm thất thoát hầu như chia đều giữa chùm truyền qua và chùm phản xạ, và các thành phần phân cực nằm trong 5 đến 10% lẫn nhau. Các lớp phủ băng rộng khác có đặc trưng hấp thụ thấp hơn, nhưng lại cực nhạy với sự phân cực. Các lớp phủ không phân cực lưỡng cực được thiết kế cho hiệu suất cao ở những bước sóng nhất định, thường dùng cho những ứng dụng laser. Loại bộ tách chùm quan trọng thứ ba được chế tạo từ màng đàn hồi mạnh sức căng cao (như nitrocellulose) kéo căng giống như tấm vải bạt trên một khung kim loại phẳng sơn đen. Được gọi là bộ tách chùm màng mỏng (hình 8b), chiều dày màng thay đổi từ 2 đến 10 micromét, quá mỏng nên nó hầu như loại trừ hết ảnh ma. Ngoài ra, sự quang sai, như sắc sai, quang sai cầu, và loạn thị, đã được làm giảm tới mức tối thiểu khi so với bộ tách chùm dạng bản và hình lập phương, mở rộng bất ngờ khả năng sử dụng cả ánh sáng hội tụ lẫn phân kì. Các màng mỏng không phủ chất cho truyền qua khoảng 92% ánh sáng tới trong vùng phổ khả kiến và hồng ngoại gần, nhưng thường biểu hiện độ hấp thụ không thể chấp nhận được trong vùng tử ngoại. Trong đa số ứng dụng, màng mỏng thường được phủ thêm một lớp màng lưỡng cực mỏng lên mặt đối diện với chùm tia sáng tới. Những bộ tách chùm này thường là nạn nhân của hiện tượng giao thoa do trạng thái quá gần của các bề mặt màng, và chúng cũng là đối tượng cho các dao động âm. Các bề mặt màng mỏng phải tránh bị chạm tiếp xúc và có thể lau sạch chỉ bằng một làn gió nhẹ. Bộ tách chùm đục lỗ (thường được gọi là bộ tách chùm chấm polka, xem hình 8c) được chế tạo bằng cách tráng một chất thủy tinh quang với một lớp nhôm mỏng có những lỗ hình vuông kích thước đều đặn. Bề mặt thu được có diện mạo “chấm polka”, đúng như tên gọi. Bằng cách điều chỉnh cẩn thận kích thước lỗ, tỉ số diện tích bề mặt phủ và không phủ chất trong bộ tách chùm đục lỗ có thể được điều chỉnh sao cho nó tách đều chùm tia tới thành các thành phần truyền qua và phản xạ. Sóng ánh sáng chạm tới bề mặt không phủ chất thì truyền qua (mất mát vài phần trăm do sự phản xạ từ thủy tinh), còn sóng chạm tới lớp nhôm tráng thì bị phản xạ (thường ở góc 45o). Bộ tách chùm đục lỗ biểu hiện độ nhạy không đáng kể trong một phạm vi góc rộng, và có ích cho việc tách chùm tia sáng từ các nguồn bức xạ băng rộng, phân kì, như đèn hồ quang thủy ngân và đèn volfram-halogen. Ngoài ra, cấu trúc dạng lưới biểu hiện sự phân kì không đáng kể của chùm tia truyền qua do nhiễu xạ và không chịu sự phân cực. Những bộ lọc này cũng có ích với đèn deuterium và xenon, và tìm thấy ứng dụng trong máy đo ảnh phổ và nhiều quang hệ khác. Hình 9. Sự lái chùm tia qua lăng kính hình nêm Các lăng kính tròn có các bề mặt phẳng đặt hơi sớt qua nhau được gọi là nêm quang học, và làm lệch ánh sáng bằng sự khúc xạ chứ không phản xạ. Mặc dù các nêm về bản chất là hợp bởi lăng kính, nhưng chúng có thể được điều chỉnh để hoạt động như bộ tách chùm hoặc bộ lái chùm tia. Góc mà một nêm làm lệch ánh sáng tới phụ thuộc vào góc giữa mặt vào và mặt ra và chiết suất của thủy tinh chế tạo nên các bản đó. Góc nêm thay đổi từ 2 đến 25 độ và có khả năng chọn lọc kép tương ứng làm lệch chùm tia khúc xạ từ 2 đến 20 cm trên mỗi mét khoảng cách tính từ lăng kính. Hướng ánh sáng khúc xạ sau khi đi qua nêm có thể điều khiển bằng cách quay lăng kính tròn (xem hình 9). Trong nhiều trường hợp, hai nêm ghép đôi và đường đi ánh sáng bị thay đổi đến mức độ còn lớn hơn nữa trong phạm vi 360 độ bằng cách quay các nêm theo hướng ngược nhau. Lăng kính hình nêm hoạt động như bộ tách chùm linh hoạt ngăn cản ảnh ma và lái chùm tia sáng qua đường đi có thể điều chỉnh trong quang hệ. Cả lăng kính và bộ tách chùm đều là những thành phần quan trọng trong ống ngắm của kính hiển vi, trong đó chúng làm nhiệm vụ làm lệch ánh sáng từ vật kính tới thị kính hoặc cổng camera. Trong những chiếc kính hiển vi hiện đại trang bị ống ngắm hai mắt nhìn, lăng kính cũng được sử dụng để làm thay đổi đường ngắm từ thẳng đứng sang góc 45o tiện lợi hơn. Gương tách chùm lưỡng sắc cũng quan trọng trong kính hiển vi huỳnh quang, mang lại sự rọi sáng kích thích cho mẫu vật và cho phép huỳnh quang thứ cấp đi vào thị kính, đồng thời chặn lại các bước sóng kích thích bị phản xạ. Những thiết bị quang khác, như kính thiên văn, kính định tâm, và dụng cụ trắc địa cũng dựa trên lăng kính và bộ tách chùm để thực hiện chức năng của chúng. Tác giả: Kenneth R.Spring, Thomas J. Fellers, Michael Davidson ( davidson@magnet.fsu.edu )