Hur man väljer rätt optiskt filter: En praktisk valguide

Ett lasersystem är bara så exakt som optiken inuti det. Speglar styr strålen, linser fokuserar den - men när ett system behöver omdirigera, omforma eller spektralt separera ljus med minimal förlust, är ett anpassat optiskt prisma ofta det rätta svaret. Off-the-shelf prismor hanterar stochardgeometrier och vanliga våglängder. Anpassade prismor löser de svårare problemen: icke-standardiserade vinklar, högeffektsmiljöer, UV- eller IR-områden och snäva utrymmesbegränsningar som standardkataloger helt enkelt inte åtgärdar.

Den här artikeln täcker kärnfunktionerna som anpassade prismor utför i lasersystem och de tekniska beslut som avgör om ett prisma utför – eller misslyckas.

Strålstyrning och riktningskontroll

Den mest direkta appliceringen av ett prisma i ett lasersystem är att ändra strålriktningen. Till skillnad från en platt spegel omdirigerar ett prisma strålen genom total intern reflektion (TIR) eller kontrollerad brytning - utan att beläggning krävs på den reflekterande ytan. Detta gör prismor mer hållbara i miljöer med hög upprepningsfrekvens där spegelbeläggningar kan försämras under långvarig laserexponering.

Rättvinkla prismor är standard för 90° avböjningar. Porro prismor retroreflekterande strålar med en 180° vridning. För icke-standardiserade vinklar — 30°, 45°, 60° eller anpassade värden — måste prismageometrin beräknas och tillverkas specifikt för applikationen. Det är här specialtillverkning blir viktig: ett 1–2 bågminutersfel i vinkeltolerans kan felinrikta en hel optisk bana i precisionssystem som interferometrar eller laseravståndsmätare.

För system som kräver justerbar styrning, optiska precisionsprismor för industriellt och vetenskapligt bruk såsom kilprismor är vanligtvis parade i motroterande konfigurationer. Genom att rotera de två kilarna i förhållande till varandra kan strålen styras över en kon av vinklar utan några rörliga speglar - en kompakt, robust lösning som används i laserskanning och målinriktningssystem.

Strålformning: Från elliptisk till cirkulär

Laserdioder matar ut en asymmetrisk stråle - den snabba axeln och den långsamma axeln divergerar med olika hastigheter, vilket ger ett elliptiskt tvärsnitt. För de flesta nedströms optik och fiberkopplingstillämpningar krävs en cirkulär stråle. Anamorfa prismapar löser detta direkt.

Ett par prismor med matchade vinklar expanderar strålen längs en axel utan att påverka den andra och omvandlar den elliptiska profilen till en nästan cirkulär. Strålriktningen förblir oförändrad - ett kritiskt krav i system där pekstabilitet är viktigt. Anpassade anamorfa prismor specificeras av förstoringsförhållandet (vanligtvis 2:1 till 4:1), ingångsstrålens dimensioner och våglängd, vilket gör dem icke-utbytbara mellan olika laserdiodmodeller. Optiska reflektorer designade för tillämpningar för laserstrålestyrning används ofta tillsammans med anamorfa par för att slutföra strålkonditioneringssteget.

Dispersionskontroll och våglängdsseparation

Prismor kan separera en laserstråle med flera våglängder i dess spektrala komponenter - eller exakt kompensera för grupphastighetsdispersion (GVD) i ultrasnabba lasersystem. Dessa två funktioner använder samma fysiska princip (våglängdsberoende brytningsindex) men tjänar motsatta tekniska mål.

In spektroskopi och laseravstämning , liksidiga eller Pellin-Broca prismor sprider strålen i dess ingående våglängder. Ett Pellin-Broca-prisma, till exempel, avböjer en vald våglängd med exakt 90° medan andra avviker — vilket gör det idealiskt för att isolera en enda överton från en flerlinjes laserkälla.

In ultrasnabba lasersystem (femtosekunds- och pikosekundpulser), prismapar används för dispersionskompensation. När en kort puls fortplantar sig genom glas och andra optiska element, färdas olika våglängder med något olika hastigheter, vilket sträcker ut pulsen. Ett prismapar introducerar negativ GVD för att motverka detta, och komprimerar pulsen tillbaka till dess designvaraktighet. Geometrin – prismaseparation, spetsvinkel och material – måste beräknas för det specifika pulsbredds- och våglängdsbandet. Specialtillverkning är inte valfritt här; fel geometri kompenserar helt enkelt inte. Para ihop dessa med optiska linser optimerade för strålkvalitet och systemprestanda säkerställer att hela strålbanan bibehåller pulsintegriteten.

Val av material och beläggning

Ett prisma som fungerar vid 633 nm kan vara helt fel vid 266 nm eller 10,6 µm. Materialvalet bestäms av våglängdsområde och effekttäthet:

N-BK7 täcker 350–2000 nm, erbjuder god homogenitet och kostnadseffektivitet och passar de flesta synliga och nära-IR-lasersystem. Dess laserinducerade skadetröskel (LIDT) är tillräcklig för applikationer med måttlig effekt.
UV smält kiseldioxid förlänger transmissionen ner till 195 nm, bär en högre LIDT än BK7 och har en lägre termisk expansionskoefficient — väsentligt för högeffekts- eller pulsade UV-lasermiljöer.
Kalciumfluorid (CaF₂) and zinkselenid (ZnSe) tjäna IR-system där standardglas är ogenomskinligt.

Beläggningar har lika stor betydelse. Antireflexbeläggningar (AR). Minska Fresnel-förlusterna till under 0,5 % per yta på in- och utgångssidorna – kritiskt i laserkaviteter med hög förstärkning där även små reflektioner orsakar instabilitet. För prismor som används inuti en laserresonator måste beläggningar också matcha laserns specifika våglängd och pulsenergi för att undvika skador på beläggningen. Se hur optiska prismor förbättrar precisionen över vetenskapliga och industriella tillämpningar för en bredare översikt över prestationskrav.

Nyckelparametrar när du anger ett anpassat prisma

Att beställa ett anpassat prisma kräver mer än en skiss av geometrin. Följande parametrar påverkar systemets prestanda direkt och måste specificeras exakt:

Vinkeltolerans : Vanligtvis ±1–5 bågminuter för allmänt bruk; ±10 bågsekunder eller tätare för interferometriska eller kavitetsapplikationer
Ytans planhet : Uttryckt i bråkdelar av en våglängd (t.ex. λ/10 vid 632,8 nm) — snävare toleranser ökar kostnaden och ledtiden avsevärt
Ytkvalitet : Definieras av scratch-dig-specifikation (t.ex. 10-5 för laserkvalitet, 40-20 för industriell användning)
Klar bländare : Det användbara optiska området — vanligtvis ≥80–90 % av den fysiska bländaren
Beläggningsspecifikation : Våglängdsområde, infallsvinkel och lägsta LIDT för den avsedda laserkällan

Ledtiderna sträcker sig från dagar för enkla geometrier i lagermaterial till flera veckor för komplexa former eller exotiska substrat. Att engagera en tillverkare tidigt – innan den optiska layouten slutförs – undviker kostsamma omdesigner och gör det möjligt att utvärdera toleransavvägningar i hela systemet. Utforska hela vårt utbud av högpresterande optiska linser för laserstrålefokusering för att komplettera ditt prismaval i en komplett strålkonditioneringsenhet.