Optisch prisma: hoe het werkt, typen en selectiegids

Breking en de geometrie van deviatie

Licht dat een prisma binnenkomt, verandert van snelheid en richting omdat de brekingsindex van glas groter is dan die van lucht. De relatie volgt n₁ zonde θ₁ = n₂ zonde θ₂ , waarbij θ wordt gemeten vanaf de oppervlaktenormaal. Een straal die een prisma met tophoek A doorkruist, ervaart een totale afwijking δ = i₁ i₂ – A, waarbij i₁ en i₂ de in- en uittreehoeken zijn. Bij de minimale afwijkingsvoorwaarde passeert de straal symmetrisch en kan de brekingsindex rechtstreeks worden berekend op basis van n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2). Deze eigenschap maakt een nauwkeurige meting van de materiaaldispersie mogelijk.

De materiaalkeuze bepaalt zowel de hoeveelheid afwijking als de golflengtespreiding. Een gewoon borosilicaatkroonglas (equivalent van N-BK7) heeft n _d = 1,5168 bij 587,6 nm en een Abbegetal V _d = 64,17 , wat wijst op een gematigde spreiding. Voor ultraviolette toepassingen wordt gesmolten silica van UV-kwaliteit (nr _d = 1,4585, V _d = 67,8) biedt een hogere transmissie onder 350 nm en een lagere thermische uitzetting. Het verschil in brekingsindex tussen de twee materialen verandert de afwijking met verschillende graden bij dezelfde tophoek, een kritische factor bij het ontwerpen van een systeem.

Prismatypen en hun functies

Elke geometrie maakt gebruik van breking of reflectie om een herhaalbare hoekverandering te bereiken. De bovenstaande tabel belicht de bepalende tophoek en de primaire optische taak. Terwijl een gelijkzijdig prisma is geoptimaliseerd voor spreiding, maakt een rechthoekig prisma gebruik van de totale interne reflectie om een ​​bundel zonder coatings 90° te vouwen bij gebruik met gecollimeerd licht.

Dispersie en spectrale resolutie

Wanneer wit licht door een prisma gaat, breekt elke golflengte onder een iets andere hoek omdat de brekingsindex afneemt met toenemende golflengte. Voor een typisch 60° gelijkzijdig prisma gemaakt van N-BK7, de hoekspreiding van 400 nm tot 700 nm bereikt ongeveer 0,5° . De snelheid waarmee de afwijking verandert met de golflengte, hoekspreiding dδ/dλ, is bij benadering 0,08°/nm bij 500 nm voor hetzelfde glas. Dit scheidingsvermogen is voldoende voor veel compacte spectrometers, waarbij een lineaire detectorarray het verspreide spectrum opvangt zonder bewegende delen.

De spectrale resolutie hangt af van de basislengte van het prisma en de dispersiecurve van het materiaal. Een langer optisch pad door het glas vergroot de fysieke scheiding tussen golflengten. Een prisma met een basis van 30 mm kan bijvoorbeeld doorgaans de natrium-D-lijnen (589,0 nm en 589,6 nm) oplossen in combinatie met een smalle ingangsspleet. Dit principe blijft de ruggengraat van prismamonochromatoren die worden gebruikt in absorptie- en fluorescentiemeetsystemen.

Totale interne reflectie en beeldcontrole

Reflecterende prisma's maken gebruik van totale interne reflectie (TIR) om licht om te leiden zonder metalen coatings. Wanneer licht in glas een oppervlak raakt onder een hoek die groter is dan de kritische hoek, Er vindt 100% reflectie plaats . Voor N-BK7 is de kritische hoek alleen ongeveer 41,2° voor de glas-lucht-interface. Een rechthoekig prisma ontvangt gecollimeerd licht dat loodrecht op één been staat, reflecteert het onder een hoek van 45° aan de hypotenusa en stuurt het naar het andere been met een precieze vouw van 90°. Omdat de invalshoek van 45° de kritische hoek overschrijdt, is er geen reflecterende coating nodig, waardoor een hoge doorvoer behouden blijft en metaalabsorptie geëlimineerd wordt.

Meer gespecialiseerde prisma's beheren de beeldoriëntatie. Een pentaprisma levert een constante afwijking van 90° op, ongeacht kleine uitlijningsfouten, en keert het beeld niet om. Dit wordt bereikt door twee interne reflecties, waarvan er één moet worden gecoat. Een Dove-prisma roteert een beeld met tweemaal de eigen rotatiehoek van het prisma, waardoor het bruikbaar is bij laserscannen en beeldderotatie. Hoekkubus-retroreflectoren retourneren licht precies langs het invalspad, een eigenschap die wordt benut bij maanlaserbereik en industriële uitlijning, met een retournauwkeurigheid die vaak beter is dan die van 5 boogseconden wanneer gefabriceerd met nauwe toleranties.

Een prisma specificeren: materiaal, maat en toleranties

Het kiezen van het juiste prisma voor een echte optische opstelling vereist het vertalen van toepassingsbehoeften in meetbare parameters. De volgende lijst bevat de kritische specificaties die op een typische tekening of gegevensblad voorkomen.

• Materiaal : Pas het transmissievenster aan uw golflengte aan. BK7 werkt van 350 nm tot 2 μm; UV-gesmolten silica strekt zich uit tot 185 nm; ZnSe is geschikt voor infraroodsystemen van 0,6–16 μm.
• Oppervlakte vlakheid : λ/4 bij 633 nm is standaard voor beeldvorming; Voor interferometrisch gebruik is λ/10 of beter nodig om de kwaliteit van het golffront te behouden.
• Oppervlaktekwaliteit (scratch-dig) : 60-40 is acceptabel voor veel verlichtingssystemen; 40-20 of 20-10 vermindert verstrooiing in laserpaden.
• Eengle Tolerance : ±3 boogminuten is een waarde voor algemeen gebruik; precisie-penta-prisma's hebben vaak ±30 boogseconden nodig om een ​​consistente afwijking van 90° te garanderen.
• Helder diafragma : Ten minste 80% van de oppervlakteafmetingen van het prisma wordt doorgaans gespecificeerd om randdefecten en door montage veroorzaakte vervorming te voorkomen.
• Coating : Breedband-antireflectiecoatings zoals MgF₂ kunnen de transmissie bevorderen ruim 99% per oppervlak ; reflecterende gezichten kunnen beschermd zilver gebruiken voor> 96% reflectiviteit in het zichtbare gebied.

Beste praktijken voor montage en uitlijning

De optische prestaties van een prisma kunnen snel achteruitgaan als het onder spanning staat of niet goed is uitgelijnd. Praktische richtlijnen voor het hanteren helpen de straalkwaliteit te behouden die op de tekening wordt gespecificeerd.

1. Gebruik kinematische of semi-kinematische steunen die een zachte veerdruk uitoefenen op de geslepen randen, niet op de gepolijste oppervlakken. Dit voorkomt dubbele breking van spanning die de polarisatie zou verstoren.
2. Lijn het prisma uit met een autocollimator of een interferometer met schuifplaat om te controleren of de uitgangsbundelhoek binnen de tolerantie overeenkomt met de ontwerpwaarde.
3. Reinig oppervlakken met pluisvrij weefsel en isopropanol van reagenskwaliteit; vermijd droog afvegen, omdat dit krassen kan veroorzaken die het licht verstrooien.
4. Blokkeer onbedoelde TIR- en spookreflecties met zwart geanodiseerde schotten, vooral in kettingen met meerdere prisma's.

Wanneer een systeem vereist dat een prisma wordt geroteerd, zoals bij een Dove-prisma voor beeldrotatie, moet de houder het prisma precies op de rotatie-as centreren. Een radiale slingering van even 0,1 mm kan een straaluitloop veroorzaken waardoor het beeld op de detector verschuift, waardoor de herhaalbaarheid van de metingen wordt ondermijnd.

Veelvoorkomende problemen oplossen

Zelfs een goed gespecificeerd prisma kan onverwachte artefacten veroorzaken. Spookreflecties van niet-gecoate oppervlakken verschijnen vaak als vage verplaatste vlekken; het aanbrengen van een goede AR-coating vermindert de intensiteit ervan met twee ordes van grootte. Een schijnbare afwijking van de straal die de hoektolerantie van het prisma overschrijdt, is vaak afkomstig van een ingeklemde montageadapter en niet van het prisma zelf. Door de montage te controleren met een meetklok wordt meestal de bron geïdentificeerd. In krachtige lasersystemen kan bulkabsorptie een thermische lens creëren: een prisma van gesmolten silica vertoont een veel lagere thermische drift dan BK7, met een thermische brekingsindex van ongeveer tien keer kleiner , waardoor de richtstabiliteit van de straal onder wisselende belasting behouden blijft.

Het selecteren van het juiste prisma hangt af van het begrijpen van de geometrie en het materiaal ervan. Met zorgvuldige specificatie en montage leveren prisma's betrouwbare, uitlijningsvrije bundelmanipulatie in instrumenten variërend van draagbare spectroscopen tot satellietlaserstations.