Optikai prizma: Működése, típusai és kiválasztási útmutató

Fénytörés és az eltérés geometriája

A prizmába jutó fény sebességét és irányát megváltoztatja, mivel az üveg törésmutatója meghaladja a levegőét. A kapcsolat következik n₁ sin θ₁ = n2 sin θ2 , ahol θ-t a felületi normálistól mérjük. Az A csúcsszögű prizmán áthaladó sugár δ = i₁ i₂ – A teljes eltérést tapasztal, ahol i₁ és i2 a bemeneti és kilépési szögek. A minimális eltérési feltételnél a sugár szimmetrikusan halad át, és a törésmutató közvetlenül számítható az n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2) értékből. Ez a tulajdonság lehetővé teszi az anyagszórás pontos mérését.

Az anyagválasztás az eltérés mértékét és a hullámhossz-szórást egyaránt szabályozza. Egy általános boroszilikát koronaüveg (N-BK7 megfelelője) rendelkezik n _d = 1,5168 587,6 nm-en és egy V Abbe-szám _d = 64,17 mérsékelt diszperziót jelez. Ultraibolya alkalmazásokhoz UV-minőségű olvasztott szilícium-dioxid (n _d = 1,4585, V _d = 67,8) nagyobb átvitelt biztosít 350 nm alatt és alacsonyabb hőtágulást. A két anyag törésmutatójának különbsége több fokkal megváltoztatja az eltérést ugyanazon csúcsszögnél, ami kritikus tényező a rendszer tervezésekor.

A prizma típusai és funkcióik

Mindegyik geometria vagy a törést, vagy a visszaverődést használja ki, hogy megismételhető szögváltozást érjen el. A fenti táblázat kiemeli a meghatározó csúcsszöget és az elsődleges optikai feladatot. Míg az egyenlő oldalú prizma diszperzióra van optimalizálva, a derékszögű prizma a teljes belső visszaverődést kihasználva bevonat nélkül 90°-kal összehajtja a sugarat, ha kollimált fénnyel használják.

Diszperzió és spektrális felbontás

Amikor a fehér fény áthalad egy prizmán, minden hullámhossz kissé eltérő szögben tör meg, mivel a törésmutató a hullámhossz növekedésével csökken. Egy tipikusnak 60°-os egyenlő oldalú prizma N-BK7-ből, a szögeloszlás 400 nm-ről 700 nm-re kb. 0,5° . Az eltérés változásának sebessége a hullámhosszon, szögdiszperzió dδ/dλ, kb. 0,08°/nm 500 nm-en ugyanarra a pohárra. Ez az elválasztási teljesítmény sok kompakt spektrométerhez elegendő, ahol egy lineáris detektorsor mozgó alkatrészek nélkül rögzíti a szórt spektrumot.

A spektrális felbontás a prizma alaphosszától és az anyag diszperziós görbéjétől függ. Az üvegen áthaladó hosszabb optikai út növeli a hullámhosszok közötti fizikai távolságot. Például egy 30 mm-es alappal rendelkező prizma jellemzően képes felbontani a nátrium-D-vonalakat (589,0 nm és 589,6 nm), ha keskeny bemeneti réssel kombinálják. Ez az elv marad az abszorbancia és fluoreszcencia mérőrendszerekben használt prizmás monokromátorok gerince.

Teljes belső tükrözés és képszabályozás

A fényvisszaverő prizmák teljes belső visszaverődést (TIR) használnak, hogy fémbevonat nélkül irányítsák át a fényt. Amikor az üvegen belüli fény a kritikus szögnél nagyobb szögben ér egy felületet, 100%-os visszaverődés jön létre . Az N-BK7 esetében a kritikus szög csak körülbelül 41,2° az üveg-levegő interfészhez. A derékszögű prizma az egyik lábra merőlegesen kollimált fényt kap, 45°-ban visszaveri azt a hipotenuzusnál, és pontosan 90°-os behajtással küldi ki a másik lábon. Mivel a 45°-os beesés meghaladja a kritikus szöget, nincs szükség fényvisszaverő bevonatra, ami megőrzi a nagy áteresztőképességet és kiküszöböli a fémelnyelést.

Speciálisabb prizmák kezelik a kép tájolását. A penta prizma a kis igazítási hibáktól függetlenül állandó 90°-os eltérést biztosít, és nem fordítja meg vagy fordítja meg a képet – ezt két belső visszaverődés éri el, amelyek közül az egyiket bevonattal kell ellátni. A Dove prizma a prizma saját elforgatási szögének kétszeresével forgatja el a képet, így hasznos lehet a lézersugár szkennelésben és a kép derotációjában. A sarokkocka-reflektorok pontosan a beesési út mentén adják vissza a fényt, ezt a tulajdonságot használják ki a holdi lézeres távolságmeghatározásban és az ipari igazításban, és a visszatérési pontosság gyakran jobb, mint 5 ívmásodperc ha szűk tűrésekre gyártják.

Prizma megadása: Anyag, méret és tűrések

A valódi optikai beállításhoz a megfelelő prizma kiválasztásához az alkalmazási igényeket mérhető paraméterekké kell lefordítani. A következő lista azokat a kritikus specifikációkat tartalmazza, amelyek egy tipikus rajzon vagy adatlapon jelennek meg.

• Anyag : Igazítsa az átviteli ablakot a hullámhosszához. A BK7 350 nm-től 2 μm-ig működik; Az UV-beolvadt szilícium-dioxid 185 nm-ig terjed; A ZnSe 0,6–16 μm-es infravörös rendszerekhez alkalmas.
• Felületi síkosság : 633 nm-en a λ/4 szabvány a képalkotáshoz; λ/10 vagy jobb érték szükséges az interferometriás használathoz a hullámfront minőségének megőrzése érdekében.
• Felületi minőség (Scratch-Dig) : 60-40 sok világítási rendszerhez elfogadható; 40-20 vagy 20-10 csökkenti a szóródást a lézerpályákban.
• Szögtűrés : ±3 ívperc általános célú érték; A precíziós penta prizmákhoz gyakran ±30 ívmásodperc szükséges a következetes 90°-os eltérés garantálásához.
• Tiszta rekesznyílás : A prizma homlokfelületének legalább 80%-át általában az élhibák és a szerelés okozta torzulások elkerülése érdekében adják meg.
• Bevonat : A szélessávú tükröződésgátló bevonatok, mint például az MgF₂, fokozhatják az átvitelt felületenként több mint 99%. ; a fényvisszaverő arcok védett ezüstöt használhatnak a látható térben >96%-os tükröződés érdekében.

Szerelési és igazítási bevált gyakorlatok

A prizma optikai teljesítménye gyorsan romolhat, ha megfeszül vagy rosszul igazodik. A gyakorlati kezelési irányelvek segítenek fenntartani a rajzon megadott gerendaminőséget.

1. Használjon kinematikus vagy félkinematikus rögzítőket, amelyek enyhe rugónyomást fejtenek ki a talajélekre, nem pedig a polírozott felületekre. Ez megakadályozza a feszültség kettős törését, amely torzítaná a polarizációt.
2. Állítsa be a prizmát egy autokollimátorral vagy nyírólemezes interferométerrel, hogy ellenőrizze, hogy a kilépő nyaláb szöge megfelel-e a tervezési értéknek a tűréshatáron belül.
3. Tisztítsa meg a felületeket szöszmentes törlőkendővel és reagens minőségű izopropanollal; kerülje a száraz törlést, amely fényt szóró karcolásokat okozhat.
4. Feketére eloxált terelőlemezekkel blokkolja a nem szándékos TIR- és szellemvisszaverődéseket, különösen a többprizmás láncokban.

Ha egy rendszerben el kell forgatni egy prizmát, mint például a Dove prizmánál a kép elforgatásához, akkor a rögzítőelemnek pontosan a forgástengelyre kell központosítania a prizmát. A páros sugárirányú kifutása 0,1 mm Nyalábelmozdulást okozhat, ami eltolja a képet a detektoron, aláásva a mérés megismételhetőségét.

Gyakori problémák hibaelhárítása

Még egy jól meghatározott prizma is képes váratlan műtermékeket produkálni. A bevonat nélküli felületekről származó szellemvisszaverődések gyakran halvány, elmozdult foltokként jelennek meg; jó AR bevonat alkalmazása két nagyságrenddel csökkenti intenzitásukat. A prizma szögtűrését meghaladó látható nyalábeltérés gyakran inkább egy ékelt rögzítőadapterből származik, nem pedig magából a prizmából – a rögzítés mérőórával történő ellenőrzése általában azonosítja a forrást. A nagy teljesítményű lézerrendszerekben a tömeges abszorpció termikus lencsét hozhat létre: az olvasztott szilícium-dioxid prizma sokkal kisebb hőeltolódást mutat, mint a BK7, és a törésmutató hőtényezője kb. tízszer kisebb , megőrzi a sugárirány stabilitását változó terhelés mellett.

A megfelelő prizma kiválasztása annak geometriájának és anyagának ismeretén múlik. A gondos specifikációval és felszereléssel a prizmák megbízható, beállításmentes sugárkezelést tesznek lehetővé a kézi spektroszkópoktól a műholdas lézeres távolságmérő állomásokig.