Optisk prisma: Hur det fungerar, typer och urvalsguide

Refraktion och avvikelsens geometri

Ljus som kommer in i ett prisma ändrar hastighet och riktning eftersom glasets brytningsindex överstiger luftens. Relationen följer n1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2 , där θ mäts från ytnormalen. En stråle som korsar ett prisma med spetsvinkel A upplever en total avvikelse δ = i₁ i₂ – A, där i₁ och i₂ är ingångs- och utgångsvinklarna. Vid minimiavvikelsetillståndet passerar strålen symmetriskt och brytningsindexet kan beräknas direkt från n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2). Denna egenskap tillåter exakt mätning av materialspridning.

Materialvalet styr både mängden avvikelse och våglängdsspridningen. Ett vanligt borosilikat kronglas (N-BK7 ekvivalent) har n _d = 1,5168 vid 587,6 nm och ett Abbe-nummer V _d = 64,17 , vilket indikerar måttlig spridning. För ultravioletta applikationer, UV-klassad smält kiseldioxid (n _d = 1,4585, V _d = 67,8) erbjuder högre transmission under 350 nm och lägre termisk expansion. Skillnaden i brytningsindex mellan de två materialen ändrar avvikelsen med flera grader vid samma spetsvinkel, en kritisk faktor vid design av ett system.

Prismatyper och deras funktioner

Varje geometri utnyttjar antingen brytning eller reflektion för att uppnå en repeterbar vinkelförändring. Tabellen ovan belyser den definierande apexvinkeln och det primära optiska jobbet. Medan ett liksidigt prisma är optimerat för spridning, utnyttjar ett rätvinkligt prisma total intern reflektion för att vika en stråle 90° utan beläggning när den används med kollimerat ljus.

Dispersion och spektral upplösning

När vitt ljus passerar genom ett prisma bryts varje våglängd i en något olika vinkel eftersom brytningsindexet minskar med ökande våglängd. För en typisk 60° liksidigt prisma tillverkat av N-BK7, vinkelspridningen från 400 nm till 700 nm når ca 0,5° . Hastigheten för förändring av avvikelse med våglängd, vinkeldispersion dδ/dλ, är ungefär 0,08°/nm vid 500 nm för samma glas. Denna separationskraft är tillräcklig för många kompakta spektrometrar, där en linjär detektoruppsättning fångar det dispergerade spektrumet utan rörliga delar.

Spektralupplösningen beror på prismats baslängd och materialets dispersionskurva. En längre optisk väg genom glaset ökar den fysiska separationen mellan våglängderna. Till exempel kan ett prisma med en 30 mm bas vanligtvis lösa upp natrium D-linjerna (589,0 nm och 589,6 nm) när det kombineras med en smal ingångsslits. Denna princip förblir ryggraden i prismamonokromatorer som används i absorbans- och fluorescensmätningssystem.

Total intern reflektion och bildkontroll

Reflekterande prismor utnyttjar total intern reflektion (TIR) för att omdirigera ljus utan metallbeläggning. När ljus inuti glas träffar en yta i en vinkel som är större än den kritiska vinkeln, 100 % reflektion uppstår . För N-BK7 är den kritiska vinkeln endast ungefär 41,2° för glas-luft-gränssnittet. Ett rätvinkligt prisma tar emot kollimerat ljus vinkelrätt mot ena benet, reflekterar det i 45° vid hypotenusan och sänder ut det andra benet med ett exakt 90° veck. Eftersom infallsvinkeln på 45° överstiger den kritiska vinkeln behövs ingen reflekterande beläggning, vilket bibehåller hög genomströmning och eliminerar metallabsorption.

Mer specialiserade prismor hanterar bildorientering. Ett pentaprisma ger en konstant 90° avvikelse oavsett små inriktningsfel och inverterar eller vänder inte bilden – två inre reflektioner, varav en måste beläggas, uppnår detta. Ett Dove-prisma roterar en bild med två gånger prismats egen rotationsvinkel, vilket gör det användbart vid laserstråleskanning och bildrotation. Hörnkub-retroreflektorer returnerar ljus exakt längs den infallande vägen, en egenskap som utnyttjas i månlaseravståndsavstånd och industriell inriktning, med en returnoggrannhet som ofta är bättre än 5 bågsekunder när de tillverkas med snäva toleranser.

Ange ett prisma: material, storlek och toleranser

Att välja rätt prisma för en riktig optisk installation kräver att applikationsbehov översätts till mätbara parametrar. Följande lista fångar de kritiska specifikationerna som visas på en typisk ritning eller datablad.

• Material : Matcha överföringsfönstret till din våglängd. BK7 fungerar från 350 nm till 2 μm; UV-smält kiseldioxid sträcker sig ner till 185 nm; ZnSe är lämplig för 0,6–16 μm infraröda system.
• Ytans planhet : λ/4 vid 633 nm är standard för bildbehandling; λ/10 eller bättre behövs för interferometrisk användning för att bevara vågfrontens kvalitet.
• Ytkvalitet (Scratch-Dig) : 60-40 är acceptabelt för många belysningssystem; 40-20 eller 20-10 minskar spridning i laserbanor.
• Vinkeltolerans : ±3 bågminuter är ett allmänt värde; precisionspentaprismor kräver ofta ±30 bågsekunder för att garantera konsekvent 90° avvikelse.
• Rensa bländare : Minst 80 % av prismats ytdimension anges vanligtvis för att undvika kantdefekter och monteringsinducerad distorsion.
• Beläggning : Bredbandiga antireflexbeläggningar som MgF₂ kan öka överföringen till över 99 % per yta ; reflekterande ytor kan använda skyddat silver för >96 % reflektivitet i det synliga.

Montering och inriktning bästa praxis

Ett prismas optiska prestanda kan försämras snabbt om det är stressat eller felinriktat. Praktiska riktlinjer för hantering hjälper till att bibehålla strålkvaliteten som anges på ritningen.

1. Använd kinematiska eller semikinematiska fästen som applicerar ett försiktigt fjädertryck mot de slipade kanterna, inte de polerade ytorna. Detta förhindrar spänningsdubbelbrytning som skulle förvränga polarisering.
2. Rikta in prismat med en autokollimator eller interferometer med skjuvningsplatta för att verifiera att utgångsstrålevinkeln matchar designvärdet inom toleransen.
3. Rengör ytorna med luddfri väv och isopropanol av reagenskvalitet; undvika torr avtorkning, vilket kan generera repor som sprider ljus.
4. Blockera oavsiktliga TIR- och spökreflektioner med svartanodiserade bafflar, särskilt i multiprismakedjor.

När ett system kräver att ett prisma roteras, som med ett Dove-prisma för bildrotation, måste fästet centrera prismat exakt på rotationsaxeln. En radiell runout av jämnt 0,1 mm kan orsaka strålgång som förskjuter bilden på detektorn, vilket undergräver mätningens repeterbarhet.

Felsökning av vanliga problem

Även ett väl specificerat prisma kan producera oväntade artefakter. Spökreflektioner från obelagda ytor uppträder ofta som svaga förskjutna fläckar; applicering av en bra AR-beläggning minskar deras intensitet med två storleksordningar. En uppenbar strålavvikelse som överskrider prismats vinkeltolerans kommer ofta från en kilad monteringsadapter snarare än prismat i sig - att kontrollera fästet med en mätklocka identifierar vanligtvis källan. I högeffektlasersystem kan bulkabsorption skapa en termisk lins: ett prisma av smält kiseldioxid visar mycket lägre termisk drift än BK7, med en termisk brytningsindex ca. tio gånger mindre , bibehåller strålens pekstabilitet under varierande belastning.

Att välja rätt prisma beror på att man förstår dess geometri och material. Med noggranna specifikationer och montering ger prismor tillförlitlig, inriktningsfri strålmanipulation i instrument som sträcker sig från handhållna spektroskop till satellitlaseravståndsstationer.