Optiskais prizma

Optiskais prizma: novirze, dispersija un pilnīga iekšējā atstarošanās

Optiskā prizma ir caurspīdīgs cietais ķermenis ar plaknēm un pulētām virsmām, kas izgriezts no stikla vai kristāla, un kura precīzā ģeometrija nosaka gaismas uzvedību, kas to šķērso vai tajā atspoguļojas. Tā nav vienkārši stikla gabals: leņķu pielaide starp virsmām, kas izteikta leņķa sekundēs, tieši nosaka gala attēla kvalitāti. Ja taisnleņķa prizmai ir 30 loka sekunžu novirze, staru kūlī rodas 0,25 mrad virziena novirze — tas ir niecīgs rādītājs dekoratīvām vajadzībām, taču nepieņemams interferometriskai uzstādīšanai.

1666. gadā Ņūtons izmantoja trīsstūrveida stikla prizmu, lai parādītu baltās gaismas sadalīšanos redzamajā spektrā starp 380 nm (violets) un 700 nm (sarkans). Princips nav mainījies. Mainījusies ir materiālu precizitāte un pieejamo ģeometriju daudzveidība, katrai prizmu grupai risinot konkrētu optisko problēmu.

Optisko prizmu veidi un to praktiskie pielietojumi

Taisnleņķa prizma un Porro prizma

Taisnleņķa prizma savā vienkāršākajā versijā izmanto pilnīgo iekšējo atstarošanos stikla un gaisa saskares virsmā, kad kritiskais leņķis tiek pārsniegts. BK7 (indekss nd = 1,5168) gadījumā šis leņķis ir 41,2°. Rezultāts: atstarošanās, kas pārsniedz 99,9 %, bez metāla pārklājuma, tādējādi novēršot problemātiskos fāzes zudumus redzamā spektra viļņu garumos. Tieši to Porro prizma dara binokļos jau kopš 1854. gada, kad Ignazio Porro iesniedza patentu binokulārajai sistēmai, kas nes viņa vārdu. Divas savienotas taisnleņķa prizmas novirza optisko asi sāniski un divreiz apgriež attēlu, nodrošinot taisnu un apgriezto attēlu ar pagarinātu optisko ceļu, nepalielinot instrumenta fizisko garumu.

Piecstūra prizma (pentaprizma)

Pentaprizma novirza staru kūli par 90°, neapgriežot attēlu, neatkarīgi no tās orientācijas. Šī īpašība tai nodrošina neaizstājamu vietu spoguļkameru skatu meklētājos kopš 1950. gadiem: 1949. gada „Contax S” bija pirmā 35 mm kamera, kas ar to bija aprīkota. Lāzeru metroloģijā to izmanto, lai noteiktu taisnleņķus ar precizitāti, kas mazāka par 1 loka sekundi, bez nepieciešamības iepriekš izlīdzināt pašu prizmu.

Dove prizma un Amici jumta prizma

Dove prizma pagriež attēlu divreiz ātrāk nekā tā pati rotē. Novietota rotējošā rokā, tā ļauj orientēt attēlu par 360°, pagriežot prizmu tikai par 180°. Savukārt Amici prizma apvieno divas 90° leņķa virsmas, kas attēlu iztaisno, to nepārvietojot sāniski. To izmanto zemes astronomiskajos teleskopos un endoskopos, kur gareniskā aizņemtā telpa ir kritiska.

Dispersīvā prizma spektroskopijai

Līdzsānu trīsstūra prizmas (60°) tiek izmantotas spektroskopijā, ja difrakcijas režģis nav piemērots, jo īpaši dziļajā ultravioleta diapazonā vai lietojot lielas jaudas lāzerus. Dispersijas spēja ir atkarīga no stikla: F2 flinta prizmai ir Abbes skaitlis 36,4, salīdzinot ar 64,2 BK7 gadījumā, kas nozīmē, ka F2 vairāk izkliedē redzamo spektru, bet rada lielāku hromatisko aberāciju lēcā. Izvēle starp abām ir atkarīga no kompromisa starp spektrālo izšķirtspēju un caurlaidību.

Materiāli: BK7, kausēts silīcijs un infrasarkano staru alternatīvas

Borosilikāts BK7 ir standarta materiāls 80 % redzamās gaismas optisko prizmu ražošanā. Tā caurlaidība aptver diapazonu no 330 nm līdz 2 100 nm, tā viendabīgums parasti atbilst H3 klasei saskaņā ar standartu ISO 10110, un tā cena ir pieejama. Tas ir piemērots gandrīz visiem pielietojumiem redzamās gaismas un tuvu infrasarkanā spektrā.

Kausētais silīcijs (fused silica) tiek izmantots, tiklīdz ir nepieciešams UV diapazons zem 330 nm. Tā caurlaidība sākas no 185 nm, tā labi iztur ultravioleto lāzerimpulsu iedarbību, un tās siltuma izplešanās koeficients ir desmit reizes mazāks nekā BK7 (0,55 × 10⁻⁶ K⁻¹ pret 7,1 × 10⁻⁶ K⁻¹). Prizmām, ko izmanto UV spektrometros vai femtosekundes lāzeru stendos, tā ir standarta izvēle, neskatoties uz to, ka tās izmaksas ir divas līdz piecas reizes augstākas.

• ZnSe: vidējais infrasarkanais diapazons no 0,6 µm līdz 16 µm, neaizstājams 10,6 µm CO₂ lāzeriem, taču mehāniski trausls (Knoopa cietība: 120)
• CaF₂: no UV 130 nm līdz IR 10 µm, izmanto dziļā UV litogrāfijā un UV Ramana spektroskopijā
• Germanijs: termiskais infrasarkanais diapazons no 2 µm līdz 14 µm, necaurspīdīgs redzamajā spektrā, ļoti augsts refrakcijas koeficients (n = 4,0), kas prasa obligātu pretatspīduma apstrādi

Kā izvēlēties optisko prizmu: konkrēti pirkšanas kritēriji

Vispirms ģeometrija: pirms meklēt materiālu, nosakiet funkciju (novirzīšana, attēla uzstādīšana, dispersija, rotācija). Standarta taisnleņķa prizma no pulēta BK7 materiāla ar λ/4 precizitāti apmierina 95 % vajadzību attēlveidošanā un parastajos optiskajos uzstādījumos.

Tad virsmas kvalitāte. Apzīmējums λ/10 nozīmē, ka katras virsmas maksimālā nelīdzenuma novirze ir mazāka par desmito daļu no viļņa garuma 633 nm, t. i., 63 nm. Interferometriskai sistēmai vai lieljaudas lāzeram ir nepieciešams λ/20 vai labāks rādītājs. Izglītības nolūkos vai fotogrāfijā pilnīgi pietiek ar λ/4. Nav jēgas maksāt par precizitāti, ko jūsu lietojums nevar izmantot.

Pretatspīduma pārklājums (AR) samazina nevēlamo atspīdumu katrā saskares virsmā no 4 % (Fresnela efekts, bez pārklājuma uz BK7) līdz mazāk nekā 0,25 % uz katras virsmas, izmantojot daudzslāņu MgF₂ + ZrO₂ pārklājumu, kas optimizēts lietošanas diapazonam. Sešu aktīvo virsmu prizmā tas nozīmē atšķirību starp kopējo caurlaidību 78 % un 98,5 %.

Optiskā prizma izglītībā, zinātniskajā atpūtā un profesionālajā lietošanā

Trīsstūrveida prizma no borosilikāta ar 50 mm malu un pietiekamu optisko kvalitāti izglītības vai fotogrāfijas vajadzībām maksā no 15 līdz 40 eiro. Šādā cenu diapazonā leņķu pielaides reti tiek norādītas, un pulēšanas kvalitāte ir mainīga. Lietošanai reproducējamos optiskajos montāžos BK7 prizma ar specifikāciju λ/4 un leņķa pielaidi 3 loka minūtes maksā no 40 līdz 120 eiro atkarībā no izmēra.

Amatieru astronomijā taisnleņķa 90° prizmas tiek izmantotas kā leņķveida atstarotāji, lai izvairītos no neērtiem novērošanas stāvokļiem zenītā. Bieži tiek iegādāts modelis ar AR pārklājumu 450–755 nm diapazonā, kas paredzēts uzstādīšanai 31,75 mm vai 50,8 mm diametra caurulē. Atšķirība starp lētu prizmu un kvalitatīvu prizmu ir redzama pie spilgtu zvaigžņu malām: slikta prizma rada sānu komu, kas ir redzama pie liela palielinājuma.

Kāda ir atšķirība starp BK7 prizmu un kausēta kvarca prizmu manai lietošanai?

BK7 aptver diapazonu no 330 nm līdz 2 100 nm un ir piemērota jebkurai lietošanai redzamajā spektrā vai tuvu infrasarkanajam spektram. Kausētais kvarcs darbojas līdz 185 nm un ir izturīgāks pret termiskajiem triecieniem un intensīviem UV impulsiem. Ja strādājat tikai redzamās gaismas diapazonā, BK7 ir pietiekama un divas līdz piecas reizes lētāka. Ja jūsu avots izstaro UV starojumu (zem 330 nm) vai ja izmantojat femtosekundes lāzeru, kausēta silīcija prizma ir obligāta.

Kādu leņķa pielaidi izvēlēties spektroskopijas vai metroloģijas prizmām?

Laboratorijas spektroskopijai vai lāzermetroloģijai ieteicams izvēlēties leņķa pielaidi no 10 līdz 30 loka sekundēm un virsmas kvalitāti λ/10. Ja leņķa pielaide pārsniedz 1 loka minūti, virzīšanas kļūdas kļūst pamanāmas sistēmās ar garu fokusa attālumu. Izglītības nolūkos vai fotogrāfijā pieņemama ir 3–5 loka minūšu pielaide, kas ir ievērojami lētāka.

Porro prizma vai jumta prizma kompaktiem binokļiem?

Porro prizma nodrošina nedaudz labāku kontrastu, jo iekšējai pilnīgajai atstarošanai nav nepieciešams fāzes pārklājums. Tā arī rada izteiktāku reljefa iespaidu, pateicoties objektīvu attālumam. Tomēr tai nepieciešams platāks korpuss. Jumta prizma ļauj izveidot kompaktu un ūdensnecaurlaidīgu taisnu cauruli, taču kontrasta saglabāšanai ir nepieciešama fāzes pārklājums (P-coating): pārbaudiet, vai tas ir uzklāts visiem jumta tipa binokļiem, kuru cena pārsniedz 200 €.

Vai optisko prizmu var izmantot kopā ar lieljaudas lāzeru?

Jā, ar nosacījumu, ka tiek ievērota materiāla un pārklājuma bojājumu slieksnis (LIDT). Nepārklāta BK7 532 nm nepārtrauktas darbības lāzeram iztur apmēram 500 W/cm²; nekvalitatīvs AR pārklājums samazina šo slieksni līdz 300–400 W/cm², ja tā specifikācija nav pareiza. Impulsveida lāzeriem (ns, ps, fs) kritiskais parametrs ir maksimālā enerģijas blīvums: virs dažiem desmitiem mJ/cm² ir nepieciešams izmantot kausētu silīciju un LIDT-novērtētus pārklājumus.