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2024-11-06T21:27:49Z

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[[Datei:Beam-splitter.svg|250px|mini|Schematische Darstellung eines Strahlteilerwürfels:<br />
'''1''' – Einfallendes Licht<br /> '''2''' – 50 Prozent durchgelassenes Licht<br /> '''3''' – 50 Prozent reflektiertes Licht]]

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 [[Interferometer]]typen. Ferner finden sich Strahlteiler u. a. in [[Binokular]]-Aufsätzen, bei optischer [[Entfernungsmessung]], in Justierlasern oder in [[Laserteleskop]]en der Satellitengeodäsie.

== Bauformen ==
Ein sehr '''einfacher Strahlteiler''' ist eine Glasscheibe, die in einem Winkel von 45° in den [[Strahlengang]] eingebracht wird. Ein Teil des [[Licht]]s wird an der Oberfläche der Scheibe im Winkel von 90° [[Reflexion (Physik)|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]])''. Durch die Verwendung [[Interferenzfilter#Spiegel|dichroitischer Spiegel]] als Strahlteiler ist es möglich, das eingehende Licht gezielt nach definierten [[Elektromagnetisches Spektrum#Die Bereiche des elektromagnetischen Spektrums|Wellenlängenbereichen]] bzw. [[Farbkanal|Farbkanälen]] aufzuteilen.<ref name="🧊💍💍💍" /><ref name="💃📸🂢🂴" /> Diese kommen u. a. bei [[Fluoreszenzmikroskopie#Aufbau von Fluoreszenzmikroskopen|Fluoreszenzmikroskopen]], [[Videoprojektor#LCD-Projektor|LCD-Projektoren]] und [[Bildsensor|bildgebenden]] Spektrometern zum Einsatz.<ref name="🌈🔭" />

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 ({{enS|split ratio}}) ist daher abhängig von der [[Wellenlänge]] des Lichts. Die Dicke der Harzschicht bestimmt das Verhältnis, mit dem der einfallende Lichtstrahl geteilt wird. Ein aus einzelnen Prismen zusammengesetzter Strahlteilerwürfel, der das eingehende Licht in zwei Wellenlängenbereiche bzw. Farbkanäle aufteilen kann, wird als [[dichroitisches Prisma]] bezeichnet. Werden zwei dichroitische Prismen an der Basis verbunden, von denen eine Basis dichroitisch beschichtet ist, erhält man ein trichroitisches Prisma, das zwei Farbkanäle im 90° und 270°-Winkel reflektiert und einen transmittiert.<ref name="🌈💠" /><ref name="🌈💠💠" /><ref name="🌈💠💠💠" /> Strahlteilerwürfel bieten den Vorteil, dass die optische Weglänge für die ausgehenden Strahlen gleich ist und es nicht zu einem Strahlversatz des transmittierten Lichtes wie bei [[Planplatte]]n kommt.<ref name="🧊💍💍" />

'''Polka-Dot-Strahlteiler''' erreichen im Gegensatz zu teilreflektierenden Spiegeln oder dichroitischen Filtern die Strahlteilung durch ein definiertes Muster einer reflektiven Beschichtung ([[Spiegel#Formen und Verwendung|Oberflächenspiegel]], {{enS|first-surface mirror}}) auf einem dünnen Glassubstrat, das z. B. durch [[Sputtern]] aufgebracht wird. Das Teilungsverhältnis wird hierbei über das [[Blende (Optik)|Flächenverhältnis]] aus beschichteter und unbeschichteter Oberfläche bestimmt. Ihre Vorteile bestehen darin, dass ihr Teilungsverhältnis unabhängig von der Wellenlänge ist und keine nennenswerte [[Divergenz (Optik)|Divergenz]] durch Brechung auftritt.<ref name="🧊💍💍💍" /><ref name="💃⠧⠊⠅⠞⠕⠗⠊⠁🂹🂺" /> Nachteilig ist, dass der Strahldurchmesser bzw. die Strahlquerschnittsfläche einer Lichtquelle immer zur Dimensionierung des Musters passen muss. Bei Lasern mit geringen Strahldurchmessern < 100 µm, ist eine reproduzierbare Strahlteilung mit einem „groben“ Punktmuster unmöglich. Außerdem ist ihre Anwendung für bildgebende Mess- oder Projektionsverfahren stark eingeschränkt.<ref name="💃📸🂢🂴" /> Polka-Dot-Strahlteiler lassen sich u. a. in (Spektral-)Photometern finden, bei denen ein breiter Strahl (z. B. einer Lichtquelle) auf verschiedene (Referenz-)Photodetektoren aufgeteilt werden soll.<ref name="🧊💍💍💍" />

Neben nicht-polarisierenden Strahlteilern gibt es auch '''polarisierende Strahlteiler''' (auch '''Polwürfel''' genannt). Das Teilungsverhältnis wird hier durch den [[Polarisation]]swinkel des eintretenden Lichts bestimmt. Anwendung finden Polwürfel in der [[Laser]]technik um genaue Teilungsverhältnisse einzustellen. Umgekehrt können zwei polarisierte Lichtstrahlen miteinander vereint werden.

<gallery>
Flat metal-coated beamsplitter.png|Strahlengang eines Lasers durch einen teildurchlässigen Spiegel (80:20 Split Ratio)
Beamsplitter-2.jpg|Strahlteilerwürfel
Kuup-kiirejagaja.jpg|Strahlengang durch einen Strahlteilerwürfel
Polka Dot Beamsplitter 40-60.JPG|Polka-Dot-Strahlteiler mit (40:60 Split Ratio)
Optical-beam-splitter big.jpg|[[Polarisator|Polarisierender]] Strahlteilerwürfel
Dichroic color combiner.jpg|Trichroitischer Strahlteilerwürfel aus 2 [[Dichroitisches Prisma|dichroitischen Prismen]] (4 einzelnen Prismen)
</gallery>

== Jones-Formalismus ==
[[Datei:BeamSplitterSketch.png|mini|250px|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:<ref name="Trager">{{Literatur |Autor=Frank Träger |Titel=Springer Handbook of Lasers and Optics |Verlag=Springer |Ort=Berlin Heidelberg |Datum=2012 |ISBN=978-3-642-19409-2 |Seiten=1265 |Sprache=en |Online={{Google Buch |BuchID=Ad5G1HWtDRgC |Seite=45 |Hervorhebung=plane-parallel plate}}}}</ref>
<div class="center">
<math>\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}
</math>
</div>
wobei r und t (im Allgemeinen komplexe) Reflexions- bzw. Transmissionskoeffizienten sind. E<sub>1</sub>, E<sub>2</sub> bzw. E<sub>3</sub>, E<sub>4</sub> sind komplexe Zahlen, die Phase und [[Amplitude]] der eingehenden bzw. ausgehenden Lichtstrahlen beschreiben. Aus der Energieerhaltung folgt, dass die Matrix <math>\begin{pmatrix}
t_{31} & r_{32} \\
r_{41} & t_{42} \\
\end{pmatrix}
</math> [[Unitäre Matrix|unitär]] sein muss.

Für den rechtwinkligen Spezialfall (50:50-Aufteilung der Intensität)<ref name="Trager" />:
<div class="center">
<math>\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}
</math>
</div>

== Reflexionsstrahlteiler ==
[[Datei:InfraTec Beamsplitter Prinzip.jpg|mini|250px|Prinzipzeichnung eines Reflexionsstrahlteilers in einem [[Pyroelektrischer Sensor|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 [[Strahlungsdetektor]]en. 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.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.infratec.de/sensorik/service-support/glossar/beamsplitter/ |titel=Beamsplitter |hrsg=www.infratec.de |abruf=2023-06-16}}</ref>

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor=[[Eugene Hecht]]
|Titel=Optik
|Auflage=4.
|Verlag=Oldenbourg
|Ort=München, Wien
|Datum=2005
|ISBN=3-486-27359-0
|Seiten=214ff
|Originaltitel=Optics
|Originalsprache=en-US
|Übersetzer=Anna Schleizer}}

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="🧊💍💍">
{{Internetquelle
|url=https://www.edmundoptics.de/knowledge-center/application-notes/optics/what-are-beamsplitters/
|titel=Was sind Strahlteiler?
|hrsg=Edmund Optics Inc.
|datum=2024
|sprache=en
|abruf=2024-07-14}}
</ref>
<ref name="🧊💍💍💍">
{{Internetquelle
|autor=Matthew J. Parry-Hill & Michael W. Davidson
|url=https://www.olympus-lifescience.com/en/microscope-resource/primer/java/prismsandbeamsplitters/beamsplitters/
|titel=Transmission and Reflection by Beamsplitters
|hrsg=EVIDENT Europe GmbH, 20355 Hamburg
|sprache=en
|abruf=2024-07-14}}
</ref>
<ref name="🌈🔭">
{{Internetquelle
|autor=David L. Aronstein
|url=https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20140009178/downloads/20140009178.pdf
|titel=Optical Testing of the James Webb Space Telescope
|hrsg=NASA STI Compliance and Distribution Services
|datum=2014-03-21
|seiten=12
|format=PDF
|sprache=en
|abruf=2024-07-14}}
</ref>
<ref name="🌈💠">
{{Internetquelle
|autor=J. Chen
|url=https://www.onelectrontech.com/the-colorful-world-of-dichroic-cubes/
|titel=The Colorful World of Dichroic Cubes
|hrsg=OnElectronTech
|datum=2020-06-19
|sprache=en
|abruf=2024-07-14}}
</ref>
<ref name="🌈💠💠">
{{Internetquelle
|url=https://www.vyoptics.com/25mm-optical-glass-x-cube-prism-rgb-dispersion-prisms.html
|titel=25mm Optical Glass X-Cube Prism RGB Dispersion Prisms – P22R6N0901B
|hrsg=VY Optoelectronics Co., Ltd., 130062 Changchun
|datum=2022
|sprache=en
|abruf=2024-07-14}}
</ref>
<ref name="🌈💠💠💠">
{{YouTube |id=GkvgkrCSIX0 |titel=What is a Dichroic Cube? |abruf=2024-07-14 |uploader=Thunderf00t |upload=2017-11-30 |sprache=en |laufzeit=7:10 min}}
</ref>
<ref name="💃📸🂢🂴">
{{Internetquelle
|autor=Rüdiger Paschotta
|url=https://www.rp-photonics.com/beam_splitters.html
|titel=Beam Splitters
|werk=RP Photonics Encyclopedia
|hrsg=RP Photonics AG
|sprache=en
|abruf=2024-07-14}}
</ref>
<ref name="💃⠧⠊⠅⠞⠕⠗⠊⠁🂹🂺">
{{YouTube |id=zaUJDRaCBiI |titel=Selecting the Right Beamsplitter |abruf=2024-07-14 |time=174 |uploader=Edmund Optics |upload=2011-10-11 |sprache=en |laufzeit=4:38 min}}
</ref>
</references>

[[Kategorie:Optisches Bauteil]]
[[Kategorie:Physikalisches Prinzip eines Optischen Bauteils]]

Strahlteiler - Versionsgeschichte

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