分束器

什么是光束分离器？

光束分离器或功率分离器是一种光学设备，可以将入射光束（例如激光束）分成两个或多个光束，这些光束的光学功率可能相同，也可能不同。光束分离器有多种类型；最重要的有平面分离器和立方体分离器，如下图所示。光束分离器在各种干涉仪、自相关仪、照相机、投影仪和激光系统中都是必需的。广泛的应用意味着有着各异的要求，这些要求可以通过不同类型的分离器来满足。

基于介质镜的平面光束分离器

任何部分反射镜都可以用于分离光束，如上图所示。在激光技术中，通常使用介质镜来实现这一目的，这些镜子被称为平面光束分离器。介质镜是由薄层介质涂层沉积在光学基材上的光学镜子。入射角可以是45°，导致一个输出光束的偏转为90°，这通常是方便的。然而，可以为其他偏转角设计这样的光束分离器；它们通常只在有限的角度范围内工作。通过不同的介质涂层设计，可以实现广泛的功率分离比。

传输光束总是会经历空间偏移，其大小取决于基材的厚度和折射率。这对某些应用来说是一个问题。折射率是根据真空中光速与另一种更高密度介质中光速的比值计算得出的。一般来说，二色镜的反射率在很大程度上取决于光束的偏振状态。这样的设备甚至可以优化为功能性薄膜偏振器，在某些波长范围内，某种偏振的光束可以几乎完全反射，而不同偏振的光束则大部分透过。另一方面，也可以优化以最小化偏振依赖性，从而在有限的波长范围内获得非偏振光束分离器。

介质光束分离器通常具有强烈的波长依赖性反射率。这可以用于二色光束分离器，例如二色镜，可以分离光束的光谱成分。分离可能基于波长或偏振的差异。上述光束分离器将总是导致传输光束的横向偏移，这与所用基材的厚度成正比。有一些具有非常薄基材的膜光束分离器，可以最小化该光束偏移。然而，即使该侧经过抗反射涂层处理，从背面产生的寄生反射可能会导致干扰，因此通常最好使用更大的厚度，以便两个反射在空间上得到良好的分离。

光束分离器立方体

许多光束分离器呈立方体形状，光束的分离发生在立方体内部的界面，如上图所示。这样的立方体由两个三角形玻璃棱镜粘合在一起，使用一些透明树脂或水泥。该层的厚度可用于调节给定波长的功率分离比。还可以在一个或两个棱镜上使用介质多层涂层或薄金属涂层来修改光学特性，例如在操作带宽或偏振特性方面。由于棱镜之间的界面通常非常薄，因此传输光束的横向偏移仅为最小。对某些应用来说，这是一种优势，这可能是为什么不使用如图所示的45°部分透明镜的原因。光束分离器立方体可用于简单的光束，也可用于携带图像的光束，例如在各种类型的相机和投影仪中。

尽管光学接触立方体也可以显示出相当大的功率处理能力，但立方体光束分离器无法承受高光学功率，而平面光束分离器则可以。就耐用性和处理而言，立方体光束分离器通常优于平面分离器。

非偏振光束分离器立方体

非偏振通常并不意味着这样的立方体是保持偏振的。非偏振光束分离器立方体可以通过改进设计来制造，通常通过在棱镜之间使用多层涂层。显著的入射角自然会引入显著的偏振依赖性，但某些设计原则可以用于最小化这些效果，至少在一些有限的光学带宽内。例如，如果输入光束在与轴成45°的角度偏振，则通常不能期望输出光束仍然是线性偏振的，因为两个偏振分量通常会有不同的相位延迟，除了幅度略有不同。

偏振光束分离器立方体

可以使用晶体介质而不是玻璃，这些介质可以具有两个不同的折射率。这允许构造各种类型的偏振光束分离器立方体，例如沃拉斯顿棱镜和诺马尔斯基棱镜，其中两个输出光束从同一面射出，这两个光束之间的角度通常在15°到45°之间。其他类型包括格兰-汤普森棱镜和尼科尔棱镜，后者具有菱形结构。

几何分离的光束分离器

也可以通过几何方式分离光束，例如通过将一个高度反射的镜子部分插入光束，使得部分光可以通过。还可以使用其他手段，例如在玻璃表面上反射条纹或点的图案。常见的设计是波点平面光束分离器。与二色光束分离器相比，这种分离器的优点是分离比的小波长依赖性。由此产生的强度分布的修改在某些应用中可以被接受（但通常不适用于成像）。

具有多个输出的光束分离器

虽然大多数光束分离器只有两个输出端口，但也有具有多个输出的光束分离器。它们是通过多个级联的光束分离器制造的。一些设备产生一定数量的输出光束，其光学功率非常相似，并具有特定的空间模式，例如所有在一行中，四个在正方形的边缘等。

光纤光束分离器

各种类型的光纤耦合器可以用作光纤光束分离器。这样的设备可以通过熔融组合光纤制成，并可能具有两个或多个输出端口。与大多数设备一样，分离比可能会或可能不会强烈依赖于输入的波长和偏振。光纤光束分离器在光纤干涉仪中是必需的，例如用于光学相干断层扫描。上述光纤光束分离器具有一个输入端口和两个输出端口。具有多个输出的分离器在光纤网络中从单一源分配数据到多个用户时是必需的，例如有线电视。

其他类型的光束分离器包括：

• 金属涂层镜，例如半银镜，其中金属涂层薄到可以获得部分反射
• 膜，薄膜有时在相机中使用
• 微光学光束分离器，通常用于生成多个输出光束
• 波导光束分离器，用于光子集成电路

重要特性

除了光束分离器基本功能的特性——分离比，光束分离器的其他特性在应用中也可能很重要：

• 某些光束分离器是偏振的，而另一些则是非偏振的。还有一些设备设计用于仅与一个偏振方向一起使用——例如，当激光光束作为输入时，在大多数情况下是线性偏振的。
• 虽然某些设备仅在狭窄的波长区域内工作，例如围绕共同的激光线，其他设备则设计为宽带操作，例如在整个可见波长区域内工作。同样，光束分离器可能仅在有限的入射角范围内正常工作。
• 不同类型设备之间的光学损耗差异显著。例如，具有金属涂层的光束分离器表现出相对较高的损耗，而具有二色涂层的设备可能几乎没有损耗：总输出功率几乎等于输入功率。损耗也可能与损伤阈值相关，这在使用Q开关激光器时尤为重要。
• 空间配置可能对应用很重要。某些应用要求输出端口相对于输入光束位于0°和90°，而其他应用则要求两个平行输出或其他配置。
• 对于体光学设备，有时需要较大的开放孔径。

分离器应用

光束分离器的两个主要应用示例是：

发射图像分离器

发射图像分离器允许单个相机在多个波长下成像，通过将相机传感器分成多个部分，并将发射的光投射到传感器的每一部分。发射图像分离器内部的光学结构如下图所示。

上图显示了发射图像分离器的内部工作原理。光从左到右在此图中流动，如大箭头所示。来自样本的发射光通过显微镜进入分离器，并根据波长分成两个通道。这些通道由镜子操控到同一相机传感器，但偏移，使得每个通道占据传感器的一半。传感器被垂直分成两半，从一个样本观察到两幅图像。

这些分离器充当显微镜和相机之间的接口，来自样本的发射光从显微镜传递到分离器，并根据波长分离后投射到相机传感器的各个部分。分离器可以根据波长将图像分成两、三甚至四次，允许研究人员同时成像多个荧光探针，而不必手动或电子切换通道。发射图像分离器的示例可以在上图中看到。

这些分离器都附加到显微镜的标准C型接口上，并为相机提供标准输出端口。这使得这些分离器成为无缝接口，允许在单个相机上获得多个图像。

发射图像分离器具有广泛的用途，因为它们可以根据波长、偏振或幅度在相机传感器上分离图像。主要优点是能够在多个波长下同时成像。如果研究人员想成像两个不同的荧光探针，典型的成像系统涉及手动或电子切换过滤器以在所需波长下成像。使用分离器时，两个波长同时成像，适合长期实验、快速动态事件以及涉及多个荧光探针的任何成像设置。如果需要，可以同时成像明场和荧光，基于偏振的分离允许灵活的实验设置。先进的显微技术，例如电压/钙成像、福斯特共振能量转移（FRET）、旋转盘共聚焦和全内反射荧光（TIRF）都可以从发射图像分离器中受益。

尽管发射图像分离器可以通过允许在2/3/4个不同波长下同时成像来极大增强任何成像系统，但其主要缺点是每个通道占用相机传感器的空间。使用双向分离器时，相机传感器被一分为二，以同时解析两幅图像。由于每个通道仅能访问传感器的一半，因此两幅图像的分辨率和视场都减半。对大相机传感器来说，这不是一个问题，但如果在较小的相机传感器上使用四向分离器，图像可能无法正确解析，因为只能与传感器的很小一部分进行交互。

多相机适配器

虽然发射图像分离器允许单个相机上获得多个图像，但多相机适配器则相反：允许多个相机成像同一样本。如下面的图所示，单个分离器将显微镜反射的光的一半传送到一台相机，而另一半（透射的）则传送到第二台相机，基于波长、偏振或幅度进行分离。此设置允许在一个显微镜端口上使用多个相机。

不同的多相机适配器允许在同一端口上增加相机的数量，最多可达到四台相机同时成像同一样本。这些设备可以在下面的图中看到。

上图显示的多相机适配器，顶部的分离器是TwinCam，使用单个镜子分离器允许在一个显微镜端口上使用最多两台相机。底部的分离器是MultiCam，使用两个镜子分离器允许在一个显微镜端口上使用最多四台相机。这些多台相机可以同时成像同一样本。

这些分离器充当显微镜和相机之间的接口，为尽可能多的相机打开单个显微镜端口。使用发射图像分离器涉及减少每个图像的相机传感器尺寸以同时获取图像，而多相机适配器没有这样的折扣，两台相机都保留其完整的视场和分辨率，但可以在不同波长下成像同一样本。这使得每台相机的全部潜力得以利用。此外，如果在具有挑战性的波长（如紫外线（UV）或近红外（IR））下成像，一台相机可以用于覆盖这些波长，而另一台相机则仍在常规荧光波长下成像。

主要缺点是需要购买多台相机以及分离器，使得多相机适配器成为更昂贵的选择。尽管有这笔额外费用，但分辨率和视场的显著提升使得多相机适配器成为同时成像的有吸引力的选择。