Pryzmat optyczny: jak to działa, rodzaje i przewodnik po wyborze

Refrakcja i geometria odchylenia

Światło wpadające do pryzmatu zmienia prędkość i kierunek, ponieważ współczynnik załamania światła szkła przewyższa współczynnik załamania powietrza. Następuje związek n₁ grzech θ₁ = n₂ grzech θ₂ , gdzie θ jest mierzone od normalnej powierzchni. Promień przechodzący przez pryzmat z kątem wierzchołkowym A ulega całkowitemu odchyleniu δ = i₁ i₂ – A, gdzie i₁ i i₂ to kąty wejścia i wyjścia. W warunku minimalnego odchylenia promień przechodzi symetrycznie, a współczynnik załamania światła można obliczyć bezpośrednio z n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2). Właściwość ta pozwala na precyzyjny pomiar dyspersji materiału.

Wybór materiału wpływa zarówno na wielkość odchylenia, jak i na rozpiętość fali. Powszechnie stosowane szkło koronowe borokrzemowe (odpowiednik N-BK7). n _d = 1,5168 przy 587,6 nm i liczba Abbego V _d = 64,17 , co wskazuje na umiarkowane rozproszenie. Do zastosowań w ultrafiolecie stosuje się topioną krzemionkę UV (nr _d = 1,4585, V _d = 67,8) zapewnia wyższą transmisję poniżej 350 nm i mniejszą rozszerzalność cieplną. Różnica we współczynniku załamania światła między dwoma materiałami zmienia odchylenie o kilka stopni przy tym samym kącie wierzchołkowym, co jest czynnikiem krytycznym przy projektowaniu systemu.

Rodzaje pryzmatów i ich funkcje

Każda geometria wykorzystuje załamanie lub odbicie, aby uzyskać powtarzalną zmianę kąta. W powyższej tabeli przedstawiono definiujący kąt wierzchołkowy i podstawowe zadanie optyczne. Podczas gdy pryzmat równoboczny jest zoptymalizowany pod kątem dyspersji, pryzmat prostokątny wykorzystuje całkowite wewnętrzne odbicie, aby zagiąć wiązkę o 90° bez powłok, gdy jest używana ze światłem kolimowanym.

Dyspersja i rozdzielczość widmowa

Kiedy białe światło przechodzi przez pryzmat, każda długość fali załamuje się pod nieco innym kątem, ponieważ współczynnik załamania światła maleje wraz ze wzrostem długości fali. Dla typowego Pryzmat równoboczny 60° wykonany z N-BK7, rozpiętość kątowa od 400 nm do 700 nm sięga około 0,5° . Szybkość zmiany odchylenia od długości fali, dyspersja kątowa dδ/dλ, jest przybliżona 0,08°/nm przy 500 nm za to samo szkło. Ta moc separacji jest wystarczająca dla wielu kompaktowych spektrometrów, w których liniowy układ detektorów przechwytuje rozproszone widmo bez ruchomych części.

Rozdzielczość widmowa zależy od długości podstawy pryzmatu i krzywej dyspersji materiału. Dłuższa droga optyczna przez szkło zwiększa fizyczną separację pomiędzy długościami fal. Na przykład pryzmat o podstawie 30 mm może zazwyczaj rozróżnić linie D sodu (589,0 nm i 589,6 nm) w połączeniu z wąską szczeliną wejściową. Zasada ta pozostaje podstawą monochromatorów pryzmowych stosowanych w systemach pomiaru absorbancji i fluorescencji.

Całkowite odbicie wewnętrzne i kontrola obrazu

Odblaskowe pryzmaty wykorzystują całkowite wewnętrzne odbicie (TIR) do przekierowania światła bez metalowych powłok. Kiedy światło wewnątrz szkła pada na powierzchnię pod kątem większym niż kąt krytyczny, Następuje 100% odbicie . Dla N-BK7, tylko kąt krytyczny około 41,2° dla interfejsu szkło-powietrze. Pryzmat prostokątny odbiera skolimowane światło prostopadłe do jednej nogi, odbija je pod kątem 45° przy przeciwprostokątnej i wysyła je na drugą nogę z precyzyjnym zagięciem pod kątem 90°. Ponieważ kąt padania 45° przekracza kąt krytyczny, nie jest wymagana żadna powłoka odblaskowa, co pozwala zachować wysoką przepustowość i eliminuje absorpcję metalu.

Bardziej wyspecjalizowane pryzmaty zarządzają orientacją obrazu. Pryzmat pentagonalny zapewnia stałe odchylenie 90° niezależnie od niewielkich błędów wyrównania i nie odwraca ani nie odwraca obrazu — osiągają to dwa wewnętrzne odbicia, z których jedno musi być pokryte. Pryzmat Dove obraca obraz o dwukrotnie większy kąt obrotu niż pryzmat, dzięki czemu jest przydatny w skanowaniu wiązką laserową i derotacji obrazu. Narożne retroreflektory sześcienne rzucają światło dokładnie wzdłuż ścieżki padania, jest to właściwość wykorzystywana w pozycjonowaniu laserów księżycowych i ustawianiu w przemyśle, przy dokładności powrotu często lepszej niż 5 sekund łukowych gdy są produkowane z wąskimi tolerancjami.

Określanie pryzmatu: materiał, rozmiar i tolerancje

Wybór odpowiedniego pryzmatu do rzeczywistego układu optycznego wymaga przełożenia potrzeb aplikacji na mierzalne parametry. Poniższa lista zawiera najważniejsze specyfikacje, które pojawiają się na typowym rysunku lub arkuszu danych.

• Materiał : Dopasuj okno transmisji do swojej długości fali. BK7 działa od 350 nm do 2 μm; Krzemionka topiona promieniami UV rozciąga się do 185 nm; ZnSe nadaje się do systemów podczerwieni 0,6–16 μm.
• Płaskość powierzchni : λ/4 przy 633 nm jest standardem w obrazowaniu; Do zastosowań interferometrycznych potrzebna jest wartość λ/10 lub lepsza, aby zachować jakość czoła fali.
• Jakość powierzchni (Scratch-Dig) : 60-40 jest akceptowalne dla wielu systemów oświetleniowych; 40-20 lub 20-10 zmniejsza rozproszenie na ścieżkach lasera.
• Tolerancja kąta : ±3 minuty łuku to wartość uniwersalna; precyzyjne pryzmaty pentagonalne często wymagają ± 30 sekund łukowych, aby zagwarantować stałe odchylenie 90°.
• Wyczyść przysłonę : Zwykle określa się co najmniej 80% wymiaru powierzchni pryzmatu, aby uniknąć defektów krawędzi i zniekształceń spowodowanych montażem.
• Powłoka : Szerokopasmowe powłoki przeciwodblaskowe, takie jak MgF₂, mogą zwiększyć transmisję ponad 99% na powierzchnię ; twarze odblaskowe mogą używać chronionego srebra, aby uzyskać współczynnik odbicia > 96% w świetle widzialnym.

Najlepsze praktyki montażu i wyrównywania

Właściwości optyczne pryzmatu mogą szybko ulec pogorszeniu, jeśli zostanie on naprężony lub źle ustawiony. Praktyczne wskazówki dotyczące obsługi pomagają zachować jakość belki określoną na rysunku.

1. Stosuj mocowania kinematyczne lub półkinematyczne, które wywierają delikatny nacisk sprężyny na szlifowane krawędzie, a nie na polerowane powierzchnie. Zapobiega to dwójłomności naprężeń, która zakłócałaby polaryzację.
2. Wyrównaj pryzmat za pomocą autokolimatora lub interferometru z płytką ścinaną, aby sprawdzić, czy kąt wiązki wyjściowej odpowiada wartości projektowej w granicach tolerancji.
3. Oczyścić powierzchnie niestrzępiącą się chusteczką i izopropanolem odpowiednim do odczynników; unikaj wycierania na sucho, ponieważ może to spowodować zadrapania rozpraszające światło.
4. Blokuj niezamierzone odbicia TIR i duchy za pomocą anodowanych na czarno przegród, szczególnie w łańcuchach wielopryzmatycznych.

Gdy system wymaga obrotu pryzmatu, tak jak w przypadku pryzmatu Dove do obracania obrazu, montaż musi precyzyjnie wycentrować pryzmat na osi obrotu. Bicie promieniowe parzyste 0,1 mm może powodować odejście wiązki, które przesuwa obraz na detektorze, pogarszając powtarzalność pomiaru.

Rozwiązywanie typowych problemów

Nawet dobrze określony pryzmat może generować nieoczekiwane artefakty. Odbicia widmowe od niepowlekanych powierzchni często pojawiają się jako słabe, przemieszczone punkty; zastosowanie dobrej powłoki AR zmniejsza ich intensywność o dwa rzędy wielkości. Pozorne odchylenie wiązki, które przekracza tolerancję kąta pryzmatu, często wynika z klinowego adaptera montażowego, a nie z samego pryzmatu — sprawdzenie mocowania za pomocą czujnika zegarowego zwykle pozwala zidentyfikować źródło. W systemach laserowych dużej mocy absorpcja objętościowa może stworzyć soczewkę termiczną: pryzmat ze stopionej krzemionki wykazuje znacznie niższy dryft termiczny niż BK7, przy termicznym współczynniku załamania światła około dziesięć razy mniejszy , zachowując stabilność skierowania belki przy zmiennym obciążeniu.

Wybór odpowiedniego pryzmatu zależy od zrozumienia jego geometrii i materiału. Dzięki starannej specyfikacji i montażowi pryzmaty zapewniają niezawodną, ​​niewymagającą wyrównania manipulację wiązką w instrumentach, od ręcznych spektroskopów po satelitarne laserowe stacje pomiarowe.