Optikai prizma

Optikai prizma: eltérítés, szórás és teljes belső visszaverődés

Az optikai prizma egy átlátszó, sík és csiszolt felületekkel rendelkező szilárd test, amelyet üvegből vagy kristályból faragtak ki, és amelynek pontos geometriája meghatározza a rajta áthaladó vagy benne visszaverődő fény viselkedését. Ez nem egyszerűen csak egy üvegdarab: a felületek közötti szögtűrés, amelyet ívmásodpercekben fejeznek ki, közvetlenül befolyásolja a végső kép minőségét. Egy derékszögű prizmánál 30 ívmásodperces eltérés esetén 0,25 mrad-os irányzási hiba lép fel a sugárnyalábban — ez dekoratív célokra elhanyagolható, interferometriás felépítéshez azonban elfogadhatatlan.

Newton 1666-ban egy háromszög alakú üvegprizmát használt annak bemutatására, hogy a fehér fény a 380 nm (ibolya) és 700 nm (vörös) közötti látható spektrumra bomlik. Az elv nem változott. Ami megváltozott, az az anyagok pontossága és a rendelkezésre álló geometriák sokfélesége, mivel minden prizmacsalád egy-egy specifikus optikai problémát old meg.

Az optikai prizmák típusai és gyakorlati alkalmazásaik

Derékszögű prizma és Porro-prizma

A derékszögű prizma legegyszerűbb változatában a teljes belső visszaverődést használja ki az üveg-levegő határfelületen, amikor a beesési szög meghaladja a kritikus szöget. A BK7 esetében (törésmutató nd = 1,5168) ez a szög 41,2°. Eredmény: 99,9%-ot meghaladó visszaverődés fémbevonat nélkül, így nincs problémás fázisveszteség a látható hullámhossz-tartományban. Pontosan ezt teszi a Porro-prizma egy távcsőben 1854 óta, amikor is Ignazio Porro bejelentette a róla elnevezett binokuláris rendszer szabadalmát. Két derékszögben összekapcsolt prizma oldalirányban eltolja az optikai tengelyt és kétszer megfordítja a képet, így egyenes és felállított képet ad, meghosszabbított optikai úttal, anélkül, hogy a műszer fizikai hossza megnövekedne.

Ötszögletű prizma (pentaprizma)

A pentaprizma 90°-kal téríti el a sugárnyalábot anélkül, hogy a képet megfordítaná, függetlenül annak tájolásától. Ez a tulajdonsága miatt az 1950-es évek óta pótolhatatlan szerepet tölt be a tükörreflexes keresőkben: az 1949-es Contax S volt az első 35 mm-es fényképezőgép, amelyet ezzel szereltek fel. A lézeres metrológiában arra szolgál, hogy 1 ívmásodpercnél kisebb pontossággal derékszögeket határozzon meg anélkül, hogy a prizmát előzetesen be kellene állítani.

Dove-prizma és Amici tetőprizma

A Dove-prizma a képet saját forgási sebességének kétszeresével forgatja el. Egy forgókarba helyezve lehetővé teszi a kép 360°-os elforgatását úgy, hogy a prizmát csak 180°-kal kell elforgatni. Az Amici-prizma viszont egy 90°-os, kétoldalas tetőszerkezetet tartalmaz, amely a képet felállítja anélkül, hogy oldalirányban elmozdítaná. Ez megtalálható a földi csillagászati távcsövekben és az endoszkópokban, ahol a hosszirányú helyigény kritikus fontosságú.

Diszperzív prizma spektroszkópiához

Az egyenlő oldalú háromszög alakú prizmákat (60°) a spektroszkópiában akkor használják, amikor a diffrakciós rács nem megfelelő, különösen a mély UV-tartományban vagy nagy lézer teljesítmények esetén. A diszperziós képesség az üvegtől függ: egy F2-es flint prizma Abbe-száma 36,4, míg a BK7-é 64,2, ami azt jelenti, hogy az F2 jobban szétteríti a látható spektrumot, de több kromatikus aberrációt okoz egy lencsében. A kettő közül való választás a spektrális felbontás és az átvitel közötti kompromisszumtól függ.

Anyagok: BK7, olvasztott szilícium-dioxid és infravörös alternatívák

A BK7 boroszilikát a látható fény tartományban használt optikai prizmák 80%-ának referenciaanyaga. Áteresztőképessége 330 nm-től 2 100 nm-ig terjed, homogenitása az ISO 10110 szabvány szerint jellemzően H3, ára pedig megfizethető. Szinte minden látható fény és közeli infravörös tartománybeli alkalmazáshoz alkalmas.

Az olvasztott szilícium-dioxid (fused silica) lép a helyébe, amint 330 nm alatti UV-tartományra van szükség. 185 nm-től kezdve áteresztő, jól ellenáll az ultraibolya lézerimpulzusoknak, és hőtágulási együtthatója tízszer kisebb, mint a BK7-é (0,55 × 10⁻⁶ K⁻¹ szemben a 7,1 × 10⁻⁶ K⁻¹-vel). UV-spektrométerben vagy femtoszekundumos lézerberendezésben használt prizmák esetében ez az alapértelmezett választás, annak ellenére, hogy költsége kétszer-ötször magasabb.

• ZnSe: közép-infravörös tartomány 0,6 µm-től 16 µm-ig, elengedhetetlen a 10,6 µm-es CO₂-lézerekhez, de mechanikailag törékeny (Knoop-keménység: 120)
• CaF₂: 130 nm-es UV-től 10 µm-es IR-ig, mély-UV litográfiában és UV Raman-spektroszkópiában használják
• Germanium: termikus infravörös tartomány 2 µm-től 14 µm-ig, a látható tartományban átlátszatlan, nagyon magas törésmutatója (n = 4,0) miatt kötelező a tükröződésgátló bevonat felvitele

Hogyan válasszunk optikai prizmát: konkrét vásárlási szempontok

Először a geometria: határozza meg a funkciót (eltérítés, képfelállítás, szórás, forgatás), mielőtt az anyagot keresné. Egy λ/4-re csiszolt, szabványos BK7-es derékszögű prizma a képalkotás és a szokásos optikai szerelvények igényeinek 95%-át fedezi.

Ezt követően a felületi minőség. A λ/10 jelölés azt jelenti, hogy az egyes felületek maximális síkossági eltérése kisebb, mint a 633 nm-es hullámhossz tizede, azaz 63 nm. Interferometriás berendezéshez vagy nagy teljesítményű lézerhez λ/20 vagy annál jobb minőség szükséges. Oktatási célú berendezéshez vagy fotográfiai felhasználáshoz a λ/4 bőven elegendő. Nincs értelme olyan tűrésért fizetni, amelyet az Ön alkalmazása nem tud kihasználni.

Az antireflexiós (AR) bevonat az egyes határfelületeken fellépő káros visszaverődést 4 %-ról (Fresnel-hatás, bevonat nélküli BK7 esetén) kevesebb mint 0,25 %-ra csökkenti oldalanként, a használati tartományra optimalizált, többrétegű MgF₂ + ZrO₂ bevonattal. Egy hat aktív oldalú prizmánál ez 78 % és 98,5 % közötti teljes átviteli hatékonyság-különbséget jelent.

Optikai prizma az oktatásban, a tudományos szabadidős tevékenységekben és a szakmai felhasználásban

Egy 50 mm oldalhosszú, megfelelő optikai minőségű boroszilikát háromszögprizma ára oktatási vagy fotográfiai célokra 15 és 40 € között mozog. Ennél az árnál a szögtűréseket ritkán határozzák meg, és a csiszolás minősége változó. Reprodukálható optikai szerelvényekhez egy λ/4-es specifikációjú, 3 ívperc szögtűrésű BK7 prizma méretétől függően 40 és 120 € között kerül.

Az amatőr csillagászatban a 90°-os derékszögű prizmákat irányváltóként használják, hogy elkerüljék a zenitnél kényelmetlen megfigyelési pozíciókat. Gyakori vásárlás egy 450–750 nm-es AR-bevonatú modell, amelyet 31,75 mm-es vagy 50,8 mm-es csőbe lehet szerelni. Az olcsó és a minőségi prizma közötti különbség a fényes csillagok szélén látható: egy rossz minőségű prizma nagy nagyítás mellett látható oldalsó komát okoz.

Mi a különbség a BK7-es prizma és a fúziós szilícium-dioxid-prizma között az én alkalmazásom esetében?

A BK7 330 nm-től 2 100 nm-ig terjed, és minden látható vagy közeli infravörös alkalmazáshoz alkalmas. A fúziós szilícium-dioxid 185 nm-ig terjed, és jobban ellenáll a hőütéseknek és az intenzív UV-impulzusoknak. Ha kizárólag a látható fény tartományában dolgozik, a BK7 elegendő, és két-ötszer olcsóbb. Ha a fényforrása UV-sugárzást bocsát ki (330 nm alatt), vagy ha femtoszekundumos lézert használ, akkor az olvasztott szilícium-dioxid elengedhetetlen.

Milyen szögtoleranciát válasszunk spektroszkópiai vagy metrológiai prizmához?

Laboratóriumi spektroszkópiához vagy lézeres metrológiához célszerű 10–30 ívmásodperces szögtoleranciát és λ/10 felületi minőséget választani. 1 ívperc felett a célzási hibák észrevehetővé válnak a nagy gyújtótávolságú szerelvényekben. Oktatási célokra vagy a fotózáshoz 3–5 ívperc elfogadható, és jelentősen alacsonyabb költségekkel jár.

Porro-prizma vagy tetőprizma a kompakt távcsövekhez?

A Porro-prizma kissé nagyobb kontrasztot biztosít, mivel a teljes belső visszaverődés nem igényel fázisbevonatot. Az objektívek közötti távolságnak köszönhetően a domborzati hatás is erőteljesebb. Ugyanakkor szélesebb vázat igényel. A tetőprizma kompaktabb és vízállóbb, egyenes tubust tesz lehetővé, de a kontraszt fenntartásához fázisbevonatra (P-bevonat) van szükség: ellenőrizze ennek jelenlétét minden 200 € feletti tetőprizmás távcsőnél.

Használható-e optikai prizma nagy teljesítményű lézerrel?

Igen, feltéve, hogy betartják az anyag és a bevonat károsodási küszöbértékét (LIDT). 532 nm-es folyamatos lézer esetén a kezeletlen BK7 körülbelül 500 W/cm²-t bír el, míg egy nem megfelelően specifikált minőségű AR bevonat 300–400 W/cm²-re csökkenti ezt a küszöbértéket. Impulzusos lézerek (ns, ps, fs) esetében a csúcsenergiasűrűség a kritikus paraméter: néhány tíz mJ/cm² felett elengedhetetlen az olvasztott szilícium-dioxid és a LIDT-minősítésű bevonatok használata.