Strahlteiler

Ein Strahlteiler ist ein optisches Bauelement, das einen einzelnen Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen trennt. Durch diese Eigenschaft wird der Strahlteiler unter anderem zum zentralen Bauelement unterschiedlicher Interferometertypen. Ferner finden sich Strahlteiler u. a. in Binokular-Aufsätzen, bei optischer Entfernungsmessung, in Justierlasern oder in Laserteleskopen der Satellitengeodäsie.

Schematische Darstellung eines Strahlteilerwürfels:
1 – Einfallendes Licht
2 – 50 Prozent durchgelassenes Licht
3 – 50 Prozent reflektiertes Licht

Strahlteiler

Ein sehr einfacher Strahlteiler ist eine Glasscheibe, die in einem Winkel von 45° in den Strahlengang eingebracht wird. Ein Teil des Lichts wird an der Oberfläche der Scheibe im Winkel von 90° reflektiert, ein weiterer Teil durchdringt die Scheibe. Durch Aufbringung einer geeigneten teilreflektierenden Beschichtung auf die Oberfläche der Scheibe kann der Strahl auf diese Weise in zwei Strahlen gleicher Intensität geteilt werden (halbdurchlässiger Spiegel).

In seiner verbreiteten Form besteht ein Strahlteiler aus zwei Prismen, die an ihrer Basis (z. B. mit Kanadabalsam) zusammengekittet werden. Das Prinzip, nach dem ein Strahlteilerwürfel funktioniert, ist die verhinderte Totalreflexion. Das Teilungsverhältnis ist daher abhängig von der Wellenlänge des Lichts. Die Dicke der Harzschicht bestimmt das Verhältnis, mit dem der einfallende Lichtstrahl geteilt wird.

Neben nicht-polarisierenden Strahlteilern gibt es auch polarisierende Strahlteiler (auch Polwürfel genannt). Das Teilungsverhältnis wird hier durch den Polarisationswinkel des eintretenden Lichts bestimmt. Anwendung finden Polwürfel in der Lasertechnik um genaue Teilerverhältnisse einzustellen. Umgekehrt können zwei polarisierte Lichtstrahlen miteinander vereint werden.

Jones-Formalismus

Schema eines Strahlteilers

Wie alle optischen Bauteile besitzt der Strahlteiler eine zugehörige Matrix im Jones-Formalismus.

Für einen verlustlosen Strahlteiler (weder Dispersion noch Absorption) gilt:[1]

${\begin{pmatrix}E_{3}\\E_{4}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}t_{31}&r_{32}\\r_{41}&t_{42}\\\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}E_{1}\\E_{2}\end{pmatrix}}$

wobei r und t (im Allgemeinen komplexe) Reflexions- bzw. Transmissionskoeffizienten sind. E₁, E₂ bzw. E₃, E₄ sind komplexe Zahlen, die Phase und Amplitude der eingehenden bzw. ausgehenden Lichtstrahlen beschreiben. Aus der Energieerhaltung folgt, dass die Matrix ${\begin{pmatrix}t_{31}&r_{32}\\r_{41}&t_{42}\\\end{pmatrix}}$ unitär sein muss.

Für den rechtwinkligen Spezialfall (50:50-Aufteilung der Intensität)[1]:

${\begin{pmatrix}E_{3}\\E_{4}\end{pmatrix}}={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1&i\\i&1\\\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}E_{1}\\E_{2}\end{pmatrix}}$

Reflexionsstrahlteiler

Prinzipzeichnung eines Reflexionsstrahlteilers in einem pyroelektrischen Sensor (vier optische Kanäle)

Reine Reflexionsstrahlteiler reflektieren jeweils Teile der auftreffenden Strahlung in verschiedene Richtungen. Durch geeignete Gestaltung der Reflektoren können exakt gleiche Intensitäten der einzelnen Teilstrahlungsbündel erreicht werden. Anwendung finden solche Strahlteiler unter anderem in optischen Strahlungsdetektoren. Die durch die Aperturöffnung des abgebildeten Detektors eintretende Strahlung wird an hochreflektierenden Mikrostrukturen innerhalb des Detektors in mehrere Strahlungsbündel gleicher Intensität aber unterschiedlicher Richtung getrennt. Anschließend treffen die Bündel jeweils auf ein Sensorelement mit einem vorgeschalteten optischen Filter. Dadurch werden Unterschiede zwischen den Messkanälen und der notwendige Strahlquerschnitt minimiert.[2]

Literatur

Eugene Hecht: Optik. 4. Auflage. Oldenbourg, München, Wien 2005, ISBN 3-486-27359-0, S. 214 ff. (amerikanisches Englisch: Optics. Übersetzt von Anna Schleizer).

Einzelnachweise

Frank Träger: Springer Handbook of Lasers and Optics. Springer, Berlin Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-19409-2, S. 1265 (englisch, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
Beamsplitter. www.infratec.de, abgerufen am 16. Juni 2023.

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[Trager-1] Frank Träger: Springer Handbook of Lasers and Optics. Springer, Berlin Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-19409-2, S. 1265 (englisch, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).

[2] Beamsplitter. www.infratec.de, abgerufen am 16. Juni 2023.