Optička prizma: kako radi, vrste i vodič za odabir

Refrakcija i geometrija devijacije

Svjetlost koja ulazi u prizmu mijenja brzinu i smjer jer je indeks loma stakla veći od indeksa loma zraka. Odnos slijedi n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂ , gdje se θ mjeri od normale površine. Zraka koja prolazi kroz prizmu s vršnim kutom A doživljava ukupno odstupanje δ = i₁ i₂ – A, pri čemu su i₁ i i₂ ulazni i izlazni kutovi. Pod uvjetom minimalnog odstupanja, zraka prolazi simetrično, a indeks loma se može izračunati izravno iz n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2). Ovo svojstvo omogućuje precizno mjerenje disperzije materijala.

Izbor materijala upravlja i količinom odstupanja i širenjem valne duljine. Uobičajeno borosilikatno krunsko staklo (ekvivalent N-BK7) ima n _d = 1,5168 na 587,6 nm i Abbeov broj V _d = 64,17 , što ukazuje na umjerenu disperziju. Za ultraljubičaste primjene, UV stopljeni silicijev dioksid (br _d = 1,4585, V _d = 67,8) nudi veći prijenos ispod 350 nm i manje toplinsko širenje. Razlika u indeksu loma između dva materijala mijenja odstupanje za nekoliko stupnjeva pri istom vršnom kutu, kritičnom čimbeniku pri projektiranju sustava.

Vrste prizmi i njihove funkcije

Svaka geometrija iskorištava lom ili refleksiju za postizanje ponovljive kutne promjene. Gornja tablica ističe određujući vršni kut i primarni optički posao. Dok je jednakostrana prizma optimizirana za disperziju, prizma pod pravim kutom iskorištava potpunu unutarnju refleksiju za presavijanje zrake za 90° bez premaza kada se koristi s kolimiranim svjetlom.

Disperzija i spektralna rezolucija

Kada bijela svjetlost prolazi kroz prizmu, svaka se valna duljina lomi pod nešto drugačijim kutom jer se indeks loma smanjuje s povećanjem valne duljine. Za tipično Jednakostrana prizma od 60° izrađena od N-BK7, kutni raspon od 400 nm do 700 nm doseže oko 0,5° . Brzina promjene odstupanja s valnom duljinom, kutna disperzija dδ/dλ, je približno 0,08°/nm na 500 nm za isto staklo. Ova snaga razdvajanja dovoljna je za mnoge kompaktne spektrometre, gdje linearni detektorski niz hvata disperzirani spektar bez pokretnih dijelova.

Spektralna rezolucija ovisi o duljini baze prizme i disperzijskoj krivulji materijala. Dulji optički put kroz staklo povećava fizičko razdvajanje valnih duljina. Na primjer, prizma s bazom od 30 mm obično može razlučiti natrijeve D-linije (589,0 nm i 589,6 nm) u kombinaciji s uskim ulaznim prorezom. Ovaj princip ostaje okosnica monokromatora s prizmama koji se koriste u sustavima za mjerenje apsorbancije i fluorescencije.

Potpuni unutarnji odraz i kontrola slike

Reflektirajuće prizme koriste totalnu unutarnju refleksiju (TIR) za preusmjeravanje svjetlosti bez metalnih premaza. Kada svjetlost unutar stakla udari površinu pod kutom većim od kritičnog kuta, Dolazi do 100% refleksije . Za N-BK7, kritični kut je samo približno 41,2° za sučelje staklo-zrak. Pravokutna prizma prima kolimiranu svjetlost normalnu na jedan krak, reflektira ga pod kutom od 45° na hipotenuzi i šalje ga van drugog kraka s preciznim naborom od 90°. Budući da upad od 45° premašuje kritični kut, nije potreban reflektirajući premaz, čime se održava visoka propusnost i eliminira upijanje metala.

Specijaliziranije prizme upravljaju orijentacijom slike. Penta prizma daje konstantno odstupanje od 90° bez obzira na male pogreške poravnanja i ne preokreće ili preokreće sliku—dvije unutarnje refleksije, od kojih jedna mora biti obložena, to postižu. Dove prizma rotira sliku za dvostruki kut rotacije prizme, što je čini korisnom u skeniranju laserskom zrakom i derotaciji slike. Kutni kockasti retroreflektori vraćaju svjetlost točno duž upadne putanje, svojstvo koje se iskorištava u lunarnom laserskom mjerenju udaljenosti i industrijskom poravnanju, s preciznošću povrata često boljom od 5 lučnih sekundi kada se izrađuju prema uskim tolerancijama.

Određivanje prizme: materijal, veličina i dopuštena odstupanja

Odabir prave prizme za pravi optički postav zahtijeva prevođenje potreba primjene u mjerljive parametre. Sljedeći popis sadrži kritične specifikacije koje se pojavljuju na tipičnom crtežu ili podatkovnoj tablici.

• Materijal : Uskladite prozor prijenosa s vašom valnom duljinom. BK7 radi od 350 nm do 2 μm; UV stopljeni silicijev dioksid proteže se do 185 nm; ZnSe je prikladan za infracrvene sustave od 0,6–16 μm.
• Ravnost površine : λ/4 na 633 nm je standard za snimanje; Za interferometrijsku upotrebu potreban je λ/10 ili bolji kako bi se očuvala kvaliteta valne fronte.
• Kvaliteta površine (Scratch-Dig) : 60-40 je prihvatljivo za mnoge sustave rasvjete; 40-20 ili 20-10 smanjuje raspršenost na putanji lasera.
• Tolerancija kuta : ±3 kutne minute je vrijednost opće namjene; precizne penta prizme često zahtijevaju ±30 lučnih sekundi kako bi se zajamčilo dosljedno odstupanje od 90°.
• Čisti otvor blende : Obično je specificirano najmanje 80% dimenzija lica prizme kako bi se izbjegle defekti rubova i izobličenje izazvano montažom.
• Premazivanje : Širokopojasni antirefleksni premazi kao što je MgF₂ mogu pojačati prijenos na preko 99% po površini ; reflektirajuća lica mogu koristiti zaštićeno srebro za >96% refleksije u vidljivom dijelu.

Najbolje prakse za montažu i poravnavanje

Optička izvedba prizme može se brzo pogoršati ako je napregnuta ili pogrešno poravnata. Praktične smjernice za rukovanje pomažu u održavanju kvalitete grede navedene na crtežu.

1. Upotrijebite kinematičke ili polukinematske nosače koji primjenjuju blagi pritisak opruge na brušene rubove, a ne na polirane površine. Ovo sprječava dvolomnost naprezanja koja bi iskrivila polarizaciju.
2. Poravnajte prizmu s autokolimatorom ili interferometrom na posmičnu ploču kako biste potvrdili da kut izlazne zrake odgovara projektiranoj vrijednosti unutar tolerancije.
3. Očistite površine maramicom koja ne ostavlja dlačice i izopropanolom čistoće reagensa; izbjegavajte suho brisanje, koje može stvoriti ogrebotine koje raspršuju svjetlost.
4. Blokirajte nenamjerne TIR i dvostruke refleksije crno-eloksiranim pregradama, posebno u lancima s više prizmi.

Kada sustav zahtijeva rotaciju prizme, kao kod Dove prizme za rotaciju slike, nosač mora centrirati prizmu točno na osi rotacije. Radijalno odstupanje od ravnomjernog 0,1 mm može uzrokovati odstupanje snopa koje pomiče sliku na detektoru, narušavajući ponovljivost mjerenja.

Rješavanje uobičajenih problema

Čak i dobro određena prizma može proizvesti neočekivane artefakte. Duhoviti odrazi s površina bez premaza često se pojavljuju kao slabašna pomaknuta mjesta; nanošenje dobrog AR premaza smanjuje njihov intenzitet za dva reda veličine. Očigledno odstupanje snopa koje premašuje toleranciju kuta prizme često dolazi od zaglavljenog adaptera za montažu, a ne od same prizme—provjera montaže indikatorom s brojčanikom obično identificira izvor. U laserskim sustavima velike snage, skupna apsorpcija može stvoriti toplinsku leću: prizma od fuzijskog silicijevog dioksida pokazuje daleko manji toplinski pomak od BK7, s toplinskim koeficijentom indeksa loma oko deset puta manji , čuvajući stabilnost usmjeravanja grede pod promjenjivim opterećenjem.

Odabir prave prizme ovisi o razumijevanju njezine geometrije i materijala. Uz pomnu specifikaciju i montažu, prizme daju pouzdanu manipulaciju snopom bez poravnanja u instrumentima u rasponu od ručnih spektroskopa do satelitskih laserskih stanica za mjerenje udaljenosti.