Optisk prisme: Sådan fungerer det, typer og valgvejledning

Brydning og afvigelsens geometri

Lys, der kommer ind i et prisme, ændrer hastighed og retning, fordi glasets brydningsindeks overstiger luftens. Forholdet følger n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂ , hvor θ måles fra overfladenormalen. En stråle, der krydser et prisme med spidsvinkel A, oplever en total afvigelse δ = i₁ i₂ – A, hvor i₁ og i₂ er indgangs- og udgangsvinklerne. Ved den minimale afvigelsestilstand passerer strålen symmetrisk, og brydningsindekset kan beregnes direkte ud fra n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2). Denne egenskab muliggør præcis måling af materialespredning.

Materialeevalg styrer både mængden af ​​afvigelse og bølgelængdespredningen. Et almindeligt borosilikat kroneglas (N-BK7 ækvivalent) har n _d = 1,5168 ved 587,6 nm og et Abbe-nummer V _d = 64,17 , hvilket indikerer moderat spredning. Til ultraviolette applikationer, UV-kvalitet smeltet silica (n _d = 1,4585, V _d = 67,8) giver højere transmission under 350 nm og lavere termisk udvidelse. Forskellen i brydningsindeks mellem de to materialer ændrer afvigelsen med flere grader ved den samme spidsvinkel, en kritisk faktor ved design af et system.

Prismetyper og deres funktioner

Hver geometri udnytter enten brydning eller refleksion for at opnå en gentagelig vinkelændring. Tabellen ovenfor fremhæver den definerende topvinkel og det primære optiske job. Mens et ligesidet prisme er optimeret til spredning, udnytter et retvinklet prisme total intern refleksion for at folde en stråle 90° uden belægninger, når det bruges med kollimeret lys.

Spredning og spektral opløsning

Når hvidt lys passerer gennem et prisme, brydes hver bølgelængde i en lidt anden vinkel, fordi brydningsindekset falder med stigende bølgelængde. For en typisk 60° ligesidet prisme lavet af N-BK7, vinkelspredningen fra 400 nm til 700 nm når omkring 0,5° . Ændringshastigheden af afvigelse med bølgelængde, vinkeldispersion dδ/dλ, er ca. 0,08°/nm ved 500 nm for det samme glas. Denne separationskraft er tilstrækkelig til mange kompakte spektrometre, hvor et lineært detektorarray fanger det spredte spektrum uden bevægelige dele.

Den spektrale opløsning afhænger af prismets grundlængde og materialets spredningskurve. En længere optisk vej gennem glasset øger den fysiske adskillelse mellem bølgelængder. For eksempel kan et prisme med en 30 mm base typisk opløse natrium D-linjerne (589,0 nm og 589,6 nm), når det kombineres med en smal indgangsspalte. Dette princip forbliver rygraden i prismemonokromatorer, der anvendes i absorbans- og fluorescensmålingssystemer.

Total intern refleksion og billedkontrol

Reflekterende prismer udnytter total intern refleksion (TIR) for at omdirigere lys uden metalbelægninger. Når lys inde i glas rammer en overflade i en vinkel, der er større end den kritiske vinkel, 100 % refleksion forekommer . For N-BK7 er den kritiske vinkel kun ca. 41,2° til glas-luft-grænsefladen. Et retvinklet prisme modtager kollimeret lys vinkelret på det ene ben, reflekterer det ved 45° ved hypotenusen og sender det ud med det andet ben med en præcis 90° fold. Fordi 45° indfaldet overstiger den kritiske vinkel, er der ikke behov for reflekterende belægning, hvilket bevarer høj gennemstrømning og eliminerer metalabsorption.

Mere specialiserede prismer styrer billedorientering. Et pentaprisme leverer en konstant 90° afvigelse uanset små justeringsfejl og inverterer eller vender ikke billedet – to interne refleksioner, hvoraf den ene skal belægges, opnår dette. Et Dove-prisme roterer et billede med det dobbelte af prismets egen rotationsvinkel, hvilket gør det nyttigt i laserstrålescanning og billedderotation. Hjørnekuberetroreflektorer returnerer lys nøjagtigt langs den indfaldende vej, en egenskab, der udnyttes i månelaserafstandsmåling og industriel justering, med en returnøjagtighed ofte bedre end 5 buesekunder når de er fremstillet til snævre tolerancer.

Angivelse af et prisme: Materiale, størrelse og tolerancer

At vælge det rigtige prisme til en rigtig optisk opsætning kræver, at applikationsbehov oversættes til målbare parametre. Den følgende liste fanger de kritiske specifikationer, der vises på en typisk tegning eller dataark.

• Material : Tilpas transmissionsvinduet til din bølgelængde. BK7 virker fra 350 nm til 2 μm; UV-smeltet silica strækker sig ned til 185 nm; ZnSe er velegnet til 0,6-16 μm infrarøde systemer.
• Overfladeplanhed : λ/4 ved 633 nm er standard for billeddannelse; λ/10 eller bedre er nødvendig til interferometrisk brug for at bevare bølgefrontkvaliteten.
• Overfladekvalitet (Scratch-Dig) : 60-40 er acceptabelt for mange belysningssystemer; 40-20 eller 20-10 reducerer spredning i laserbaner.
• Vinkeltolerance : ±3 bueminutter er en generel værdi; præcisions penta prismer kræver ofte ±30 buesekunder for at garantere ensartet 90° afvigelse.
• Klar blænde : Mindst 80 % af prismets fladedimension er normalt specificeret for at undgå kantfejl og monteringsinduceret forvrængning.
• Belægning : Bredbånds antirefleksbelægninger såsom MgF₂ kan øge transmissionen til over 99 % pr. overflade ; reflekterende ansigter kan bruge beskyttet sølv til >96% reflektivitet i det synlige.

Best Practices for montering og justering

Et prismes optiske ydeevne kan forringes hurtigt, hvis det er stresset eller forkert justeret. Praktiske retningslinjer for håndtering hjælper med at opretholde den strålekvalitet, der er angivet på tegningen.

1. Brug kinematiske eller semi-kinematiske monteringer, der påfører et blidt fjedertryk mod de slebne kanter, ikke de polerede flader. Dette forhindrer spændingsdobbeltbrydning, der ville forvride polarisering.
2. Juster prismet med et autokollimator- eller forskydningsplade-interferometer for at kontrollere, at udgangsstrålevinklen matcher designværdien inden for tolerancen.
3. Rengør overflader med fnugfrit væv og isopropanol af reagenskvalitet; undgå tør aftørring, som kan generere ridser, der spreder lyset.
4. Bloker utilsigtede TIR- og spøgelsesrefleksioner med sort-anodiserede bafler, især i multiprismekæder.

Når et system kræver, at et prisme roteres, som med et Dove-prisme til billedrotation, skal monteringen centrere prismet præcist på rotationsaksen. En radial runout af lige 0,1 mm kan forårsage stråleafgang, der flytter billedet på detektoren, hvilket underminerer målingens repeterbarhed.

Fejlfinding af almindelige problemer

Selv et velspecificeret prisme kan producere uventede artefakter. Spøgelsesrefleksioner fra ubelagte overflader vises ofte som svage forskudte pletter; påføring af en god AR-belægning reducerer deres intensitet med to størrelsesordener. En tilsyneladende stråleafvigelse, der overstiger prismets vinkeltolerance, kommer ofte fra en fastkilet monteringsadapter i stedet for selve prismet - kontrol af monteringen med en måleur viser normalt kilden. I højeffektlasersystemer kan bulkabsorption skabe en termisk linse: et smeltet silicaprisme viser langt lavere termisk drift end BK7 med en termisk brydningsindeks ca. ti gange mindre , bevarer strålepegningsstabiliteten under varierende belastning.

Valg af det rigtige prisme afhænger af forståelsen af ​​dets geometri og materiale. Med omhyggelige specifikationer og montering leverer prismer pålidelig, justeringsfri strålemanipulation i instrumenter lige fra håndholdte spektroskoper til satellitlaserafstandsstationer.