Optinis prizmė

Optinis prizmė: nuokrypis, dispersija ir visiškas vidinis atspindys

Optinė prizmė – tai skaidrus kietasis kūnas su plokščiais ir poliruotais paviršiais, išpjaustytas iš stiklo arba kristalo, kurio tiksli geometrija nulemia šviesos, kuri ją kerta arba joje atspindima, elgseną. Tai nėra paprastas stiklo gabalas: kampinis nuokrypis tarp paviršių, išreikštas kampo sekundėmis, tiesiogiai lemia galutinio vaizdo kokybę. Jei stačiakampioje prizmėje kampų nuokrypis siekia 30 kampo sekundžių, spindulyje atsiranda 0,25 mrad nukrypimo paklaida – tai nereikšminga dekoratyviniam naudojimui, tačiau nepriimtina interferometrinei sistemai.

1666 m. Niutonas panaudojo trikampę stiklinę prizmę, kad pademonstruotų baltos šviesos suskaidymą į matomąjį spektrą, kurio bangų ilgis svyruoja nuo 380 nm (violetinė) iki 700 nm (raudona). Principas nepasikeitė. Pasikeitė medžiagų tikslumas ir galimų geometrijų įvairovė, nes kiekviena prizmų grupė sprendžia konkrečią optinę problemą.

Optinių prizmų tipai ir jų praktinis pritaikymas

Stačiakampė prizmė ir Porro prizmė

Paprasčiausio tipo stačiakampė prizmė naudoja visišką vidinį atspindį stiklo ir oro sąsajoje, kai kritinis kampas viršija kritinį kampą. BK7 (lūžio rodiklis nd = 1,5168) atveju šis kampas yra 41,2°. Rezultatas: atspindys, viršijantis 99,9 %, be metalinio padengimo, taigi be jokių problematiškų fazės nuostolių matomųjų bangų ilgiuose. Būtent taip veikia Porro prizmė žiūronuose nuo 1854 m., kai Ignazio Porro užpatentavo jo vardu pavadintą binokulinę sistemą. Dvi sujungtos stačiakampės prizmės šonine kryptimi nukreipia optinę ašį ir du kartus apverčia vaizdą, taip sukurdamos tiesų ir apverstą vaizdą su pailgintu optiniu keliu, nepadidinant prietaiso fizinio ilgio.

Penkiakampė prizmė (pentaprizmė)

Pentaprizma nukreipia spindulį 90° kampu, neapverčiant vaizdo, nepriklausomai nuo jos orientacijos. Dėl šios savybės ji nuo 1950-ųjų užima nepakeičiamą vietą veidrodinių fotoaparatų vaizdo ieškikliuose: 1949 m. „Contax S“ buvo pirmasis 35 mm fotoaparatas, kuriame ji buvo įmontuota. Lazerinėje metrologijoje ji naudojama stačiems kampams nustatyti su mažesniu nei 1 kampo sekundės tikslumu, nereikalaujant išankstinio pačios prizmės išlyginimo.

Dove’o prizmė ir Amici stogo prizmė

Dove’o prizmė pasuka vaizdą dvigubai greičiau nei sukasi pati. Įmontuota į besisukantį svirtį, ji leidžia pasukti vaizdą 360°, prizmę pasukant tik 180°. Tuo tarpu Amici prizmė susideda iš dviejų 90° kampu susikertančių stoginių briaunų, kurios ištaiso vaizdą jo nepaslinkdamos į šoną. Ji naudojama antžeminiuose astronominiuose teleskopuose ir endoskopuose, kur labai svarbus išilginis užimamas plotas.

Dispersinė prizmė spektroskopijai

Lygiakraščiai trikampiai (60°) prizmės naudojamos spektroskopijoje, kai difrakcijos tinklelis nėra tinkamas, ypač giliuose UV spinduliuose arba esant didelės galios lazeriams. Dispersijos geba priklauso nuo stiklo: „Flint F2“ prizmės Abbe skaičius yra 36,4, o BK7 – 64,2, o tai reiškia, kad „F2“ labiau išskleidžia matomąjį spektrą, tačiau sukelia didesnę chromatinę aberaciją lęšyje. Pasirinkimas tarp šių dviejų priklauso nuo kompromiso tarp spektrinės skiriamosios gebos ir pralaidumo.

Medžiagos: BK7, lydytas kvarcas ir infraraudonųjų spindulių alternatyvos

Borosilikatas BK7 yra etaloninė medžiaga 80 % optinių prizmų, skirtų matomajam spektrui. Jo pralaidumas apima diapazoną nuo 330 nm iki 2 100 nm, jo homogeniškumas paprastai atitinka H3 klasę pagal ISO 10110 standartą, o kaina išlieka prieinama. Jis tinka beveik visoms matomojo ir artimojo infraraudonųjų spindulių srities taikymams.

Lydytas kvarcas (fused silica) tampa tinkamiausias pasirinkimas, kai reikalingas UV diapazonas žemiau 330 nm. Ji praleidžia spindulius nuo 185 nm, gerai atlaiko ultravioletinius lazerio impulsus, o jos šiluminio plėtimosi koeficientas yra dešimt kartų mažesnis nei BK7 (0,55 × 10⁻⁶ K⁻¹ palyginti su 7,1 × 10⁻⁶ K⁻¹). Prizmėms, naudojamoms UV spektrometruose ar femtosekundinių lazerių stenduose, tai yra numatytasis pasirinkimas, nepaisant dvigubai ar penkis kartus didesnės kainos.

• ZnSe: vidutinio infraraudonųjų spindulių diapazonas nuo 0,6 µm iki 16 µm, būtinas 10,6 µm CO₂ lazeriams, tačiau mechaniniu požiūriu trapus (Knoop kietumas: 120)
• CaF₂: nuo 130 nm UV iki 10 µm IR, naudojamas gilaus UV litografijoje ir UV Raman spektroskopijoje
• Germanis: terminis infraraudonasis spinduliavimas nuo 2 µm iki 14 µm, nepermatomas matomajame spektre, labai didelis lūžio rodiklis (n = 4,0), dėl kurio būtinas antirefleksinis apdorojimas

Kaip pasirinkti optinę prizmę: konkretūs pirkimo kriterijai

Pirmiausia – geometrija: prieš ieškant medžiagos, nustatykite funkciją (nuokrypį, vaizdo iškėlimą, dispersiją, sukimą). Standartinė stačiakampė BK7 poliruota λ/4 kampo prizmė patenkina 95 % įprastų vaizdo gavimo ir optinių sistemų poreikių.

Toliau – paviršiaus kokybė. Žymėjimas λ/10 reiškia, kad didžiausias kiekvienos paviršiaus plokštumo nuokrypis yra mažesnis nei dešimtadalis bangos ilgio esant 633 nm, t. y. 63 nm. Interferometrinei sistemai ar didelės galios lazeriui reikalingas λ/20 ar geresnis rodiklis. Mokymo tikslams ar fotografijai λ/4 visiškai pakanka. Nėra prasmės mokėti už toleranciją, kurios jūsų taikymo sritis negali išnaudoti.

Antirefleksinė danga (AR) sumažina nepageidaujamą atspindį kiekvienoje sąsajoje nuo 4 % (Fresnelio reiškinys, be dangos ant BK7) iki mažiau nei 0,25 % vienam paviršiui, naudojant daugiasluoksnę MgF₂ + ZrO₂ dangą, optimizuotą pagal naudojimo sritį. Šešių aktyvių paviršių prizmės atveju tai reiškia skirtumą tarp 78 % ir 98,5 % bendro pralaidumo.

Optinė prizmė švietimo, mokslinio laisvalaikio ir profesiniam naudojimui

Trikampė borosilikatinė prizmė, kurios kraštinė yra 50 mm ir kurios optinė kokybė yra pakankama, kainuoja nuo 15 iki 40 € ir skirta mokymo ar fotografijos tikslams. Už šią kainą kampiniai nuokrypiai retai nurodomi, o poliravimo kokybė yra nevienoda. Naudojimui atkuriamose optinėse sistemose BK7 prizmė, kurios kampinis nuokrypis yra 3 kampo minutės ir kurios tikslumas nurodytas kaip λ/4, kainuoja nuo 40 iki 120 €, priklausomai nuo dydžio.

Mėgėjų astronomijoje 90° stačiakampės prizmės naudojamos kaip kampiniai atspindėjai, siekiant išvengti nepatogių stebėjimo pozicijų zenite. Dažnai perkamas modelis su AR 450–750 nm danga, skirtas montuoti į 31,75 mm arba 50,8 mm skersmens vamzdelį. Skirtumas tarp pigios ir kokybiškos prizmės matomas pagal ryškių žvaigždžių kraštus: prasta prizmė sukelia šoninę komą, matomą esant dideliam didinimui.

Koks skirtumas tarp BK7 prizmės ir lydyto kvarco prizmės mano naudojimo atveju?

BK7 prizmė aprėpia spektrą nuo 330 nm iki 2 100 nm ir tinka bet kokiam matomajam ar artimojo infraraudonųjų spindulių diapazonui. Lydyto kvarco prizmė veikia iki 185 nm ir geriau atlaiko terminius šokus bei intensyvius UV impulsus. Jei dirbate tik matomosios šviesos srityje, BK7 yra pakankama ir kainuoja du–penkis kartus pigiau. Jei jūsų šaltinis spinduliuoja UV spinduliuote (žemiau 330 nm) arba jei naudojate femtosekundinį lazerį, būtina naudoti lydyto kvarco prizmę.

Kokį kampinį nuokrypį pasirinkti spektroskopijos ar metrologijos prizmėms?

Laboratorinei spektroskopijai ar lazerinei metrologijai reikėtų siekti 10–30 kampinių sekundžių kampinio nuokrypio ir λ/10 paviršiaus kokybės. Jei nuokrypis viršija 1 kampo minutę, nukreipimo paklaidos tampa pastebimos sistemose su ilgu židinio nuotoliu. Mokymo ar fotografijos tikslais priimtinas 3–5 kampo minučių nuokrypis, o jo kaina yra žymiai mažesnė.

Porro prizmė ar stogo tipo prizmė kompaktiškiems žiūronams?

Porro prizmė užtikrina šiek tiek didesnį kontrastą, nes vidiniam visiškam atspindžiui nereikia fazinio padengimo. Ji taip pat suteikia ryškesnį reljefo įspūdį dėl objektyvų tarpo. Kita vertus, dėl jos reikia platesnio korpuso. Stogo tipo prizmė leidžia sukurti kompaktiškesnį ir sandaresnį tiesų vamzdį, tačiau reikalauja fazinio padengimo (P-coating), kad būtų išlaikytas kontrastas: patikrinkite, ar jis yra visuose stogo tipo žiūronuose, kainuojančiuose daugiau nei 200 €.

Ar optinę prizmę galima naudoti su didelės galios lazeriu?

Taip, su sąlyga, kad nebus viršyta medžiagos ir dangos žalos riba (LIDT). Naudojant 532 nm bangos ilgio nuolatinio veikimo lazerį, neapdorotas BK7 stiklas atlaiko apie 500 W/cm²; netinkamai parinkta kokybiška AR danga šią ribą sumažina iki 300–400 W/cm². Impulsinių lazerių (ns, ps, fs) atveju kritinis parametras yra didžiausio energijos tankio vertė: esant didesnei nei keliasdešimt mJ/cm² vertei, būtina naudoti lydytą kvarcą ir LIDT reikalavimus atitinkančias dangas.