Prisma optică: cum funcționează, tipuri și ghid de selecție

Refracția și geometria deviației

Lumina care intră într-o prismă își schimbă viteza și direcția deoarece indicele de refracție al sticlei îl depășește pe cel al aerului. Urmează relația n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂ , unde θ este măsurat de la normala suprafeței. O rază care traversează o prismă cu unghiul de vârf A suferă o abatere totală δ = i₁ i₂ – A, cu i₁ și i₂ fiind unghiurile de intrare și de ieșire. La condiția de abatere minimă, raza trece simetric, iar indicele de refracție poate fi calculat direct din n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2). Această proprietate permite măsurarea precisă a dispersiei materialului.

Alegerea materialului guvernează atât cantitatea de abatere, cât și răspândirea lungimii de undă. O sticlă de coroană comună din borosilicat (echivalentul N-BK7) are n _d = 1,5168 la 587,6 nm și un număr Abbe V _d = 64,17 , indicând o dispersie moderată. Pentru aplicații cu ultraviolete, silice topită de calitate UV (n _d = 1,4585, V _d = 67,8) oferă transmisie mai mare sub 350 nm și dilatare termică mai mică. Diferența de indice de refracție dintre cele două materiale modifică abaterea cu câteva grade la același unghi de vârf, un factor critic la proiectarea unui sistem.

Tipuri de prisme și funcțiile lor

Fiecare geometrie exploatează fie refracția, fie reflexia pentru a obține o schimbare unghiulară repetabilă. Tabelul de mai sus evidențiază unghiul de vârf definitoriu și sarcina optică principală. În timp ce o prismă echilaterală este optimizată pentru dispersie, o prismă în unghi drept valorifică reflexia internă totală pentru a plia un fascicul cu 90° fără acoperiri atunci când este utilizată cu lumină colimată.

Dispersie și rezoluție spectrală

Când lumina albă trece printr-o prismă, fiecare lungime de undă se refractă la un unghi ușor diferit, deoarece indicele de refracție scade odată cu creșterea lungimii de undă. Pentru un tipic Prismă echilaterală de 60° din N-BK7, răspândirea unghiulară de la 400 nm la 700 nm ajunge la aproximativ 0,5° . Rata de modificare a abaterii cu lungimea de undă, dispersia unghiulară dδ/dλ, este de aproximativ 0,08°/nm la 500 nm pentru același pahar. Această putere de separare este suficientă pentru multe spectrometre compacte, unde o matrice de detectoare liniare captează spectrul dispersat fără părți în mișcare.

Rezoluția spectrală depinde de lungimea bazei prismei și de curba de dispersie a materialului. O cale optică mai lungă prin sticlă crește separarea fizică dintre lungimile de undă. De exemplu, o prismă cu o bază de 30 mm poate rezolva de obicei liniile D de sodiu (589,0 nm și 589,6 nm) atunci când este combinată cu o fantă de intrare îngustă. Acest principiu rămâne coloana vertebrală a monocromatoarelor cu prismă utilizate în sistemele de măsurare a absorbanței și fluorescenței.

Reflecție internă totală și control al imaginii

Prismele reflectorizante valorifică reflexia internă totală (TIR) pentru a redirecționa lumina fără acoperiri metalice. Când lumina din interiorul sticlei lovește o suprafață la un unghi mai mare decât unghiul critic, Are loc o reflexie de 100%. . Pentru N-BK7, unghiul critic este doar aproximativ 41,2° pentru interfața sticlă-aer. O prismă în unghi drept primește lumină colimată normală unui picior, o reflectă la 45° la ipotenuză și o trimite pe celălalt picior cu o îndoire precisă de 90°. Deoarece incidența de 45° depășește unghiul critic, nu este nevoie de un strat reflectorizant, menținând debitul ridicat și eliminând absorbția metalului.

Prisme mai specializate gestionează orientarea imaginii. O pentaprismă oferă o abatere constantă de 90°, indiferent de micile erori de aliniere și nu inversează sau inversează imaginea - două reflexii interne, dintre care una trebuie acoperită, realizează acest lucru. O prismă Dove rotește o imagine de două ori unghiul de rotație al prismei, ceea ce o face utilă în scanarea cu fascicul laser și derotarea imaginii. Retroreflectoarele cub de colț returnează lumina exact de-a lungul traseului incidentului, o proprietate exploatată în măsurarea laserului lunar și alinierea industrială, cu o precizie de întoarcere adesea mai bună decât 5 secunde de arc când sunt fabricate la toleranțe strânse.

Specificarea unei prisme: material, dimensiune și toleranțe

Alegerea prismei potrivite pentru o configurație optică reală necesită traducerea nevoilor aplicației în parametri măsurabili. Următoarea listă surprinde specificațiile critice care apar pe un desen tipic sau pe o foaie de date.

• Material : Potriviți fereastra de transmisie cu lungimea de undă. BK7 lucrează de la 350 nm la 2 μm; Silice topită UV se extinde până la 185 nm; ZnSe este potrivit pentru sisteme cu infraroșu de 0,6–16 μm.
• Planeitatea suprafeței : λ/4 la 633 nm este standard pentru imagistica; λ/10 sau mai mare este necesar pentru utilizarea interferometrică pentru a păstra calitatea frontului de undă.
• Calitatea suprafeței (Scratch-Dig) : 60-40 este acceptabil pentru multe sisteme de iluminare; 40-20 sau 20-10 reduce dispersia pe traseele laser.
• Toleranța unghiului : ±3 minute arc este o valoare de uz general; pentaprismele de precizie necesită adesea ±30 de secunde de arc pentru a garanta o abatere consistentă de 90°.
• Diafragma clară : Cel puțin 80% din dimensiunea feței prismei este de obicei specificată pentru a evita defectele marginilor și distorsiunile induse de montare.
• Acoperire : Acoperirile anti-reflexii de bandă largă, cum ar fi MgF₂, pot stimula transmisia către peste 99% pe suprafață ; fețele reflectorizante pot folosi argint protejat pentru o reflectivitate >96% în vizibil.

Cele mai bune practici de montare și aliniere

Performanța optică a unei prisme se poate degrada rapid dacă este solicitată sau nealiniată. Ghidurile practice de manipulare ajută la menținerea calității fasciculului specificat în desen.

1. Utilizați suporturi cinematice sau semicinematice care aplică o presiune ușoară a arcului pe marginile solului, nu pe fețele lustruite. Acest lucru previne birefringența stresului care ar distorsiona polarizarea.
2. Aliniați prisma cu un autocolimator sau cu un interferometru cu placă de forfecare pentru a verifica că unghiul fasciculului de ieșire se potrivește cu valoarea de proiectare în limitele toleranței.
3. Curățați suprafețele cu un șervețel fără scame și izopropanol de calitate pentru reactiv; evita ștergerea uscată, care poate genera zgârieturi care împrăștie lumina.
4. Blocați reflexiile TIR și fantomă neintenționate cu deflectoare anodizate negru, în special în lanțuri cu prisme multiple.

Când un sistem necesită rotirea unei prisme, ca și în cazul unei prisme Dove pentru rotirea imaginii, suportul trebuie să centreze prisma precis pe axa de rotație. O curgere radială egală 0,1 mm poate cauza deplasarea fasciculului care modifică imaginea de pe detector, subminând repetabilitatea măsurătorilor.

Depanarea problemelor comune

Chiar și o prismă bine specificată poate produce artefacte neașteptate. Reflecțiile fantomă de pe suprafețele neacoperite apar adesea ca pete slabe deplasate; aplicarea unui strat bun AR reduce intensitatea acestora cu două ordine de mărime. O abatere aparentă a fasciculului care depășește toleranța unghiului prismei provine adesea de la un adaptor de montare cu pană, mai degrabă decât de prisma în sine - verificarea monturii cu un indicator cadran identifică de obicei sursa. În sistemele cu laser de mare putere, absorbția în vrac poate crea o lentilă termică: o prismă de silice topită prezintă o derivă termică mult mai mică decât BK7, cu un coeficient termic al indicelui de refracție de aproximativ de zece ori mai mic , păstrând stabilitatea îndreptării fasciculului sub sarcini variabile.

Selectarea prismei potrivite depinde de înțelegerea geometriei și materialului acesteia. Cu specificații și montare atentă, prismele oferă o manipulare a fasciculului fiabilă și fără aliniere în instrumente, de la spectroscoape portabile până la stații de telemetrie cu laser prin satelit.