Un divisor de haz polarizante (PBS) es un componente óptico de precisión diseñado para dividir un único haz de luz incidente en dos haces distintos con polarizaciones ortogonales.
Mientras que un divisor de haz estándar (no polarizante) divide la luz según su intensidad, por ejemplo, enviando 50% de la luz en una dirección y 50% en otra independientemente de su estado de polarización, un divisor de haz polarizante dirige la luz estrictamente según la orientación de su campo eléctrico.
Conceptos fundamentales & Terminología
Para comprender cómo funciona un PBS dentro de un sistema óptico, es esencial definir los principios físicos fundamentales que rigen su funcionamiento.
Plano de incidencia
El plano de incidencia es el plano geométrico formado por la dirección de propagación del haz de luz entrante (el rayo incidente) y la línea perpendicular (normal) a la superficie óptica sobre la que incide. Un divisor de haz polarizante separa la luz según la orientación de los campos eléctricos con respecto a este plano específico.
Polarización S y polarización P
Estos términos describen los dos estados ortogonales de polarización lineal de la luz con respecto al plano de incidencia:
- Polarización P: El campo eléctrico de la luz oscila en dirección paralela al plano de incidencia. En un PBS estándar, la luz con polarización p se transmite directamente a través del recubrimiento dieléctrico.
- Polarización S: El campo eléctrico de la luz oscila en dirección perpendicular al plano de incidencia. La letra procede de senkrecht, la palabra alemana para perpendicular. En un PBS estándar, la luz con polarización s es reflejada por el recubrimiento dieléctrico con un ángulo de 90 grados.
Relación de extinción (relación de contraste)
La relación de extinción ($ER$) es una métrica utilizada para cuantificar la eficiencia y la pureza de polarización de un PBS. Mide la capacidad del componente para aislar el estado de polarización deseado mientras bloquea el estado no deseado.
Para el haz transmitido, que idealmente debería tener polarización p pura, la relación de extinción se calcula como la relación entre la transmisión del estado de polarización deseado y la transmisión del estado no deseado:
ER = Tp / Ts
Donde Tp es la transmisión de la luz con polarización p y Ts es la transmisión de la luz residual con polarización s. Una relación de extinción alta (p. ej., >1000:1) es fundamental para evitar la contaminación de la señal en sistemas sensibles.
Aplicaciones prácticas
Los divisores de haz polarizantes son componentes fundamentales de muchos diseños ópticos avanzados. Se citan con frecuencia en la literatura de patentes de EE. UU. para sistemas que requieren un direccionamiento preciso de la luz y reducción de ruido.
Aisladores ópticos (conmutadores de transmisión/recepción)
En sistemas como LiDAR o de interferometría, un aislador óptico actúa como una válvula unidireccional para la luz e impide que las reflexiones de retorno desestabilicen o dañen una fuente láser. Esto se consigue combinando un PBS con una placa de cuarto de onda (QWP).
- Transmisión: Un haz láser con polarización p se transmite directamente a través del PBS. A continuación, atraviesa la QWP, que lo convierte en luz con polarización circular antes de que se propague hacia el objetivo.
- Aislamiento: Cuando la luz polarizada circularmente se refleja en el objetivo, su «sentido de giro» se invierte. Al volver a atravesar la QWP, se convierte en luz polarizada linealmente, pero su eje queda girado 90 grados, por lo que pasa a tener polarización s.
- Desviación: Cuando esta luz con polarización s que regresa incide en el PBS, el recubrimiento dieléctrico la refleja con un ángulo de 90 grados, desviándola de forma segura de la cavidad láser.
Iluminación coaxial para visión artificial
En los sistemas de inspección óptica automatizada (AOI), la inspección de superficies planas y altamente reflectantes, como obleas semiconductoras o metales mecanizados, con iluminación estándar genera un deslumbramiento intenso que oculta los defectos microscópicos. La combinación de un PBS y una QWP permite crear una configuración de iluminación coaxial que resuelve este problema.
- Iluminación selectiva: Un LED no polarizado emite luz hacia un lateral del PBS. El revestimiento interno refleja únicamente la luz con polarización s hacia abajo, en dirección al objeto, y la hace pasar por una QWP para convertirla en luz polarizada circularmente.
- Reducción del deslumbramiento: La luz se refleja en la superficie plana y brillante, invirtiendo el sentido de su polarización circular. Vuelve a atravesar la QWP y se convierte en luz con polarización p limpia.
- Captura de imagen: Como el reflejo de la superficie plana ahora está perfectamente polarizado en p, se transmite directamente a través del PBS hasta el sensor de la cámara, creando un fondo uniformemente brillante. La luz dispersada por un defecto pierde esta polarización estricta, queda bloqueada por el PBS y aparece como un punto oscuro de alto contraste para el software de visión artificial.
