Un espejo dicroico (del griego dikhroos, «de dos colores»), también conocido como espejo de doble banda, divisor de haz dicroico o filtro de película delgada, es un componente óptico que refleja selectivamente la luz de un intervalo específico de longitudes de onda mientras transmite otras longitudes de onda.
A diferencia de los espejos metálicos convencionales (que reflejan toda la luz visible) o del vidrio coloreado absorbente (que filtra la luz absorbiendo las longitudes de onda no deseadas), los espejos dicroicos funcionan según el principio de la interferencia óptica de películas delgadas. Esto les permite alcanzar niveles extremadamente altos de reflexión y transmisión con una absorción insignificante, por lo que son adecuados para aplicaciones láser de alta potencia y sistemas ópticos de precisión.
Principio de funcionamiento
El funcionamiento de un espejo dicroico se basa en la interferencia constructiva y destructiva. El espejo no está recubierto de metal, sino de múltiples capas microscópicas de materiales dieléctricos transparentes.
Interferencia óptica
Cuando la luz incide sobre la interfaz entre dos materiales con índices de refracción diferentes, una parte se refleja y el resto se transmite. Al apilar varias capas con índices de refracción alternos, el espejo se diseña de modo que:
- Longitudes de onda reflejadas: Las ondas luminosas del color objetivo se alinean «en fase» en las interfaces, creando una interferencia constructiva que refleja la luz con una eficiencia cercana a 100%.
- Longitudes de onda transmitidas: Otras longitudes de onda interfieren destructivamente en la dirección de reflexión, anulando la reflexión y permitiendo que la luz atraviese el sustrato.
Ángulo de incidencia (AOI)
Los espejos dicroicos son sensibles al ángulo. El rendimiento espectral, es decir, los colores específicos que se reflejan o transmiten, cambia según el ángulo con el que la luz incide sobre la superficie. La mayoría de los espejos dicroicos estándar están diseñados para un ángulo de incidencia (AOI) de 45°, lo que les permite desviar un haz 90° con respecto a la trayectoria óptica.
Construcción y materiales
Un espejo dicroico consta de dos componentes ópticos principales: el sustrato y el conjunto de capas dieléctricas.
Sustrato
El sustrato proporciona la estructura mecánica del filtro. Debe ser ópticamente plano y altamente transparente para minimizar la dispersión y la distorsión del frente de onda. Entre los materiales habituales se incluyen:
- Vidrio óptico (BK7): estándar para aplicaciones de luz visible.
- Sílice fundida (grado UV): Es la opción preferida para microscopía de fluorescencia y láseres de alta potencia debido a su bajo coeficiente de expansión térmica (alta resistencia al calor) y su baja autofluorescencia.
Recubrimientos dieléctricos de película delgada
La superficie funcional del «espejo» está compuesta por decenas, y a veces cientos, de capas alternas de materiales dieléctricos depositadas mediante evaporación al vacío o pulverización por haz de iones.
- Capas de alto índice de refracción: dióxido de titanio (TiO2), pentóxido de tantalio (Ta2O5).
- Capas de bajo índice de refracción: dióxido de silicio (SiO2), fluoruro de magnesio (MgF2).
El espesor de cada capa suele controlarse para que sea igual a un cuarto de la longitud de onda objetivo (λ/4), lo que se conoce habitualmente como apilamiento de cuarto de onda.
Tipos y terminología
Los espejos dicroicos suelen clasificarse según cómo dividen el espectro:
- Filtro de paso largo: Transmite longitudes de onda más largas que el punto de corte y refleja las longitudes de onda más cortas. (Por ejemplo, transmite el rojo y refleja el azul).
- Filtro de paso corto: Transmite longitudes de onda más cortas que el punto de corte y refleja las longitudes de onda más largas. (Por ejemplo, transmite el azul y refleja el rojo).
- Espejo caliente: Refleja la radiación infrarroja (calor) mientras transmite la luz visible. Se utiliza en sistemas de proyección para proteger los componentes de la acumulación de calor.
- Espejo frío: Refleja la luz visible y transmite la radiación infrarroja (calor). Se utiliza en iluminación médica y dental para proporcionar una iluminación intensa sin calentar al paciente.
Especificaciones principales
Al seleccionar un espejo dicroico, las siguientes especificaciones son fundamentales:
- Inicio de transmisión / Corte Longitud de onda: La longitud de onda a la que la transmisión aumenta hasta 50% (el punto de transición).
- Rango de transmisión: La banda espectral en la que se transmite la luz (normalmente con una transmisión de >90%).
- Intervalo de reflexión: La banda espectral en la que se refleja la luz (normalmente una reflexión de >98%).
- Umbral de daño: la densidad máxima de potencia láser que el recubrimiento puede soportar antes de fallar.
- Planitud superficial: Medida de la uniformidad de la superficie del espejo, expresada normalmente en fracciones de una longitud de onda (p. ej., λ/10).
Aplicaciones
Microscopía de fluorescencia
En la obtención de imágenes biológicas, el espejo dicroico, que suele estar alojado en un «cubo de filtros», es el componente esencial que separa la luz de excitación de la luz de emisión.
- Refleja la luz de excitación de alta energía (p. ej., azul) hacia la muestra.
- Transmite la fluorescencia de emisión de menor energía (p. ej., verde) que regresa de la muestra hasta el ocular o la cámara.
- Esta separación evita que la débil fluorescencia quede eclipsada por la intensa fuente de excitación.
3Proyectores LCD
Los proyectores de alta calidad utilizan una serie de espejos dicroicos para dividir una fuente de luz blanca en componentes rojo, verde y azul (RGB).
- Un espejo refleja el rojo, pero transmite el azul/verde.
- Un segundo espejo refleja el verde, pero transmite el azul.
- Los haces separados atraviesan paneles LCD específicos antes de recombinarse mediante un prisma para proyectar una imagen a todo color.
Separación de armónicos láser
En física láser, los espejos dicroicos se utilizan para separar los armónicos del láser. Por ejemplo, en un sistema láser Nd:YAG, un espejo dicroico puede separar el haz infrarrojo fundamental (1064 nm) del haz verde con frecuencia duplicada (532 nm).
