Optinen prisma: miten se toimii, tyypit ja valintaopas

Taittuminen ja poikkeaman geometria

Prismaan tuleva valo muuttaa nopeutta ja suuntaa, koska lasin taitekerroin ylittää ilman. Suhde seuraa n1 sin θ1 = n2 sin θ2 , jossa θ mitataan pintanormaalista. Prisman läpi kulkeva säde, jonka kärkikulma on A, kokee kokonaispoikkeaman δ = i₁ i₂ – A, jolloin i1 ja i2 ovat sisääntulo- ja ulostulokulmat. Minimipoikkeamatilanteessa säde kulkee symmetrisesti ja taitekerroin voidaan laskea suoraan kaavasta n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2). Tämä ominaisuus mahdollistaa materiaalin leviämisen tarkan mittauksen.

Materiaalivalinta säätelee sekä poikkeaman määrää että aallonpituuden leviämistä. Tavallinen borosilikaattikruunulasi (N-BK7-vastaava) on n _d = 1,5168 587,6 nm:ssä ja Abbe-luku V _d = 64,17 , mikä osoittaa kohtalaista hajaantumista. Ultraviolettisovelluksiin UV-laatuinen sulatettu piidioksidi (n _d = 1,4585, V _d = 67,8) tarjoaa paremman läpäisyn alle 350 nm:ssä ja pienemmän lämpölaajenemisen. Kahden materiaalin välinen taitekerroinero muuttaa useiden asteiden poikkeamaa samassa huippukulmassa, mikä on kriittinen tekijä järjestelmää suunniteltaessa.

Prismatyypit ja niiden toiminnot

Jokainen geometria hyödyntää joko taittumista tai heijastusta toistettavan kulmamuutoksen saavuttamiseksi. Yllä oleva taulukko korostaa määrittävän huippukulman ja ensisijaisen optisen työn. Tasasivuinen prisma on optimoitu dispersiota varten, kun taas suorakulmainen prisma hyödyntää sisäistä kokonaisheijastusta ja taittaa säteen 90° ilman pinnoitteita, kun sitä käytetään kollimoidun valon kanssa.

Dispersio ja spektriresoluutio

Kun valkoinen valo kulkee prisman läpi, jokainen aallonpituus taittuu hieman eri kulmassa, koska taitekerroin pienenee aallonpituuden kasvaessa. Tyypilliselle 60° tasasivuinen prisma, joka on valmistettu N-BK7:stä, kulmahajoaminen 400 nm:stä 700 nm:iin saavuttaa noin 0,5° . Poikkeaman muutosnopeus aallonpituudella, kulmadispersio dδ/dλ, on noin 0,08°/nm 500 nm:ssä samalle lasille. Tämä erotusteho riittää moniin kompakteihin spektrometreihin, joissa lineaarinen ilmaisinryhmä kaappaa hajallaan olevan spektrin ilman liikkuvia osia.

Spektriresoluutio riippuu prisman pohjan pituudesta ja materiaalin dispersiokäyrästä. Pidempi optinen polku lasin läpi lisää fyysistä eroa aallonpituuksien välillä. Esimerkiksi prisma, jonka pohja on 30 mm, voi tyypillisesti erottaa natriumin D-viivat (589,0 nm ja 589,6 nm), kun se yhdistetään kapeaan sisääntulorakoon. Tämä periaate on edelleen absorbanssin ja fluoresenssin mittausjärjestelmissä käytettävien prismamonokromaattoreiden selkäranka.

Täydellinen sisäinen heijastus ja kuvanhallinta

Heijastavat prismat hyödyntävät sisäistä kokonaisheijastusta (TIR) valon suuntaamiseksi ilman metallipinnoitteita. Kun lasin sisällä oleva valo osuu pintaan kriittistä kulmaa suuremmassa kulmassa, 100 % heijastus tapahtuu . N-BK7:lle kriittinen kulma on vain noin 41,2° lasi-ilma-liitäntää varten. Suorakulmainen prisma vastaanottaa kollimoitua valoa, joka on normaali toiselle jalalle, heijastaa sen 45°:ssa hypotenuusassa ja lähettää sen ulos toisesta jalasta tarkalla 90° taitolla. Koska 45° tulokulma ylittää kriittisen kulman, heijastavaa pinnoitetta ei tarvita, mikä säilyttää korkean suorituskyvyn ja eliminoi metallin absorption.

Erikoisemmat prismat hallitsevat kuvan suuntausta. Pentaprisma tuottaa tasaisen 90° poikkeaman pienistä kohdistusvirheistä huolimatta eikä käännä tai käännä kuvaa – kaksi sisäistä heijastusta, joista toinen on päällystettävä, saavuttaa tämän. Dove-prisma kiertää kuvaa kaksi kertaa prisman omaan kiertokulmaan verrattuna, mikä tekee siitä hyödyllisen lasersäteen skannauksessa ja kuvan derotaatiossa. Kulmakuutioheijastimet palauttavat valon täsmälleen tuloreittiä pitkin. Tätä ominaisuutta hyödynnetään Kuun laseretäisyysmittauksessa ja teollisessa kohdistuksessa. Palautustarkkuus on usein parempi kuin 5 kaarisekuntia kun se on valmistettu tiukoille toleransseille.

Prisman määrittäminen: materiaali, koko ja toleranssit

Oikean prisman valitseminen todellista optista asennusta varten edellyttää sovellusten tarpeiden muuntamista mitattavissa oleviksi parametreiksi. Seuraava luettelo sisältää kriittiset tekniset tiedot, jotka näkyvät tyypillisessä piirustuksessa tai tietolomakkeessa.

• Materiaali : Sovita lähetysikkuna aallonpituutesi mukaan. BK7 toimii 350 nm:stä 2 μm:iin; UV-sulatettu piidioksidi ulottuu 185 nm:iin; ZnSe soveltuu 0,6–16 μm:n infrapunajärjestelmiin.
• Pinnan tasaisuus : λ/4 aallonpituudella 633 nm on kuvantamisen standardi; Interferometriseen käyttöön tarvitaan λ/10 tai parempi aaltorintaman laadun säilyttämiseksi.
• Pintalaatu (Scratch-Dig) : 60-40 on hyväksyttävä moniin valaistusjärjestelmiin; 40-20 tai 20-10 vähentää sirontaa laserteillä.
• Kulman toleranssi : ±3 kaariminuuttia on yleiskäyttöinen arvo; Tarkkuuspentaprismat vaativat usein ±30 kaarisekuntia tasaisen 90°:n poikkeaman takaamiseksi.
• Kirkas aukko : Vähintään 80 % prisman pinnan mitat määritetään yleensä reunavirheiden ja asennuksen aiheuttamien vääristymien välttämiseksi.
• Pinnoite : Laajakaistaiset heijastuksenestopinnoitteet, kuten MgF₂, voivat tehostaa lähetystä yli 99 % pintaa kohden ; heijastavat kasvot voivat käyttää suojattua hopeaa yli 96 % heijastavuuden saavuttamiseksi näkyvässä tilassa.

Parhaat asennuksen ja kohdistuksen käytännöt

Prisman optinen suorituskyky voi heikentyä nopeasti, jos se on jännittynyt tai kohdistettu väärin. Käytännön käsittelyohjeet auttavat säilyttämään piirustuksessa määritellyn säteen laadun.

1. Käytä kinemaattisia tai puolikinemaattisia kiinnikkeitä, jotka kohdistavat kevyen jousipaineen maadoitusreunoja vasten, eivät kiillotettuja pintoja. Tämä estää jännityskaksitaitteisuuden, joka vääristäisi polarisaatiota.
2. Kohdista prisma autokollimaattorin tai leikkauslevyinterferometrin kanssa varmistaaksesi, että lähtösäteen kulma vastaa suunnitteluarvoa toleranssin sisällä.
3. Puhdista pinnat nukkaamattomalla liinalla ja reagenssilaatuisella isopropanolilla; Vältä kuivapyyhkimistä, sillä se voi aiheuttaa naarmuja, jotka hajottavat valoa.
4. Estä tahattomat TIR- ja haamuheijastukset mustaksi anodisoiduilla ohjauslevyillä, erityisesti moniprismaketjuissa.

Kun järjestelmä vaatii prisman pyörittämistä, kuten Dove-prismassa kuvan kiertämiseen, kiinnikkeen on keskitettävä prisma tarkasti kiertoakselille. Tason säteittäinen loppuminen 0,1 mm voi aiheuttaa säteen poistumista, joka siirtää kuvaa ilmaisimessa ja heikentää mittauksen toistettavuutta.

Yleisten ongelmien vianmääritys

Jopa hyvin määritelty prisma voi tuottaa odottamattomia esineitä. Päällystämättömien pintojen haamuheijastukset näkyvät usein himmeinä siirtyneinä täplinä; hyvän AR-pinnoitteen levittäminen vähentää niiden voimakkuutta kahdella suuruusluokalla. Näennäinen säteen poikkeama, joka ylittää prisman kulman toleranssin, tulee usein kiilautuneesta kiinnityssovittimesta eikä itse prismasta – kiinnityksen tarkistaminen kellonäytön avulla tunnistaa yleensä lähteen. Suuritehoisissa laserjärjestelmissä bulkkiabsorptio voi luoda lämpölinssin: sulatettu piidioksidiprisma osoittaa paljon pienempää lämpöryömitystä kuin BK7, ja taitekerroin lämpökerroin on noin kymmenen kertaa pienempi , säilyttää säteen osoittavan vakauden vaihtelevalla kuormituksella.

Oikean prisman valinta riippuu sen geometrian ja materiaalin ymmärtämisestä. Huolellisen määrittelyn ja asennuksen ansiosta prismat mahdollistavat luotettavan, suuntaamattoman säteen käsittelyn instrumenteissa, jotka vaihtelevat kädessä pidettävistä spektroskopeista satelliittilasermittausasemiin.