Optični prizma

Optični prizma: odklon, razpršitev in notranji popolni odboj

Optični prizma je prozorno telo z ravnimi in poliranimi ploskvami, izrezano iz stekla ali kristala, katerega natančna geometrija določa obnašanje svetlobe, ki skozi njo prehaja ali se v njej odbija. To ni le navaden kos stekla: kotna toleranca med ploskvami, izražena v loknih sekundah, neposredno vpliva na kakovost končne slike. Pri odstopanju 30 kotnih sekund na pravokotnem prizmi se v žarek vnese napaka usmerjanja 0,25 mrad – zanemarljiva za dekorativno uporabo, a nesprejemljiva za interferometrično montažo.

Newton je leta 1666 uporabil trikotni stekleni prizma, da bi prikazal razčlenitev bele svetlobe na vidni spekter med 380 nm (vijolična) in 700 nm (rdeča). Načelo se ni spremenilo. Spremenila sta se natančnost materialov in raznolikost razpoložljivih geometrij, saj vsaka družina prizem rešuje specifičen optični problem.

Vrste optičnih prizem in njihove praktične uporabe

Pravokotni prizma in Porrojev prizma

Pravokotni prizma v svoji najpreprostejši izvedbi izkorišča notranji popolni odboj na mejni ploskvi med steklom in zrakom, ko vpadni kot presega kritični kot. Za BK7 (indeks nd = 1,5168) ta kot znaša 41,2°. Rezultat: odboj večji od 99,9 % brez kovinskega premaza, torej brez problematične izgube faze na vidnih valovnih dolžinah. Točno to počne Porrov prizma v daljnogledu že od leta 1854, ko je Ignazio Porro vložil patent za binokularni sistem, ki nosi njegovo ime. Dva pravokotna prizma, sestavljena skupaj, optično os stransko premakneta in sliko dvakrat obrneta, kar daje pravilno in pokončno sliko s podaljšano optično potjo, ne da bi se povečala fizična dolžina instrumenta.

Petkotni prizma (pentaprizma)

Pentaprizma odkloni žarek za 90°, ne da bi obrnila sliko, ne glede na njeno usmeritev. Zaradi te lastnosti ima od 50. let 20. stoletja nezamenljivo mesto v refleksnih iskalnikih: Contax S iz leta 1949 je bil prvi 35-milimetrski fotoaparat, opremljen s to prizmo. V laserski merilni tehniki se uporablja za določanje pravih kotov z natančnostjo manjšo od 1 kotne sekunde, ne da bi bilo potrebno predhodno poravnavanje samega prizma.

Dovejev prizma in Amicijev strešni prizma

Dovov prizma obrača sliko z dvakratno hitrostjo svojega lastnega vrtenja. Nameščen v vrtljivem ročaju omogoča usmerjanje slike za 360°, pri čemer se prizma zavrti le za 180°. Amicijev prizma pa združuje streho z dvema 90°-nima ploskvama, ki sliko vzpostavita v pokončni položaj, ne da bi jo premaknili v stran. Uporablja se v kopenskih astronomskih daljnogledih in endoskopih, kjer je vzdolžna velikost ključnega pomena.

Disperzijski prizma za spektroskopijo

Enakostranični trikotni prizmi (60°) se uporabljajo v spektroskopiji, kadar difrakcijska rešetka ni primerna, zlasti v globokem ultravijoličnem območju ali pri visokih močeh laserja. Disperzijska moč je odvisna od stekla: prizma iz stekla F2 ima Abbejevo število 36,4, medtem ko ga ima BK7 64,2, kar pomeni, da F2 bolj razširi vidni spekter, vendar v leči povzroči večjo kromatično aberacijo. Izbira med tema dvema je odvisna od kompromisa med spektralno ločljivostjo in prepustnostjo.

Materiali: BK7, taljeni silicijev dioksid in infrardeče alternative

Borosilikat BK7 je referenčni material za 80 % optičnih prizem za vidno svetlobo. Njegova prepustnost zajema območje od 330 nm do 2 100 nm, njegova homogenost je običajno H3 v skladu s standardom ISO 10110, cena pa ostaja dostopna. Primeren je za skoraj vse aplikacije v vidni svetlobi in bližnjem infrardečem območju.

Taljeni silicijev dioksid (fused silica) prevzame vlogo, takoj ko je potrebno delovanje v UV-območju pod 330 nm. Prepušča svetlobo od 185 nm naprej, je dobro odporen proti ultravijoličnim laserskim impulzom, njegov koeficient toplotnega raztezanja pa je desetkrat manjši od koeficienta BK7 (0,55 × 10⁻⁶ K⁻¹ v primerjavi z 7,1 × 10⁻⁶ K⁻¹). Za prizmo, ki se uporablja v UV-spektrometru ali v femtosekundnem laserskem sistemu, je to privzeta izbira, kljub temu, da je njena cena dva- do petkrat višja.

• ZnSe: srednji infrardeči spekter od 0,6 µm do 16 µm, nepogrešljiv za CO₂-laserje pri 10,6 µm, vendar mehansko krhek (trdota po Knoopu: 120)
• CaF₂: od UV pri 130 nm do IR pri 10 µm, uporablja se v litografiji v globokem UV-območju in v UV-Ramanovi spektroskopiji
• Germanij: termično infrardeče valovno območje od 2 µm do 14 µm, neprosojen v vidnem spektru, zelo visok lomni količnik (n = 4,0), kar zahteva obvezno protirefleksno obdelavo

Kako izbrati optični prizma: konkretna merila za nakup

Najprej geometrija: opredelite funkcijo (odklon, vzpostavitev slike, razpršitev, rotacija), preden poiščete material. Standardni pravokotni prizma iz BK7, polirana na λ/4, pokriva 95 % potreb pri slikanju in običajnih optičnih sestavih.

Nato kakovost površine. Oznaka λ/10 pomeni, da je največje odstopanje od ravnosti vsake ploskve manjše od desetine valovne dolžine pri 633 nm, torej 63 nm. Za interferometrično napravo ali visokozmogljiv laser je potrebno λ/20 ali boljše. Za učno napravo ali uporabo v fotografiji je λ/4 več kot dovolj. Ni smisla plačevati za toleranco, ki je vaša aplikacija ne more izkoristiti.

Protiodbojna obdelava (AR) zmanjša neželeno odbojanje na vsakem stiku s 4 % (Fresnel, brez obdelave na BK7) na manj kot 0,25 % na stran s večslojno prevleko MgF₂ + ZrO₂, optimizirano za območje uporabe. Pri prizmi s šestimi aktivnimi stranicami to pomeni razliko med skupno prepustnostjo 78 % in 98,5 %.

Optični prizma v izobraževanju, znanstvenem prostem času in profesionalni rabi

Trikotni prizma iz borosilikata s stranico 50 mm in zadostno optično kakovostjo stane med 15 in 40 € za pedagoško ali fotografsko uporabo. Pri tej ceni so kotne tolerance redko navedene, kakovost poliranja pa je različna. Za uporabo v reproduktibilnih optičnih sestavih stane prizma BK7 s specifikacijo λ/4 in kotno toleranco 3 lokne minute med 40 in 120 €, odvisno od velikosti.

V amaterski astronomiji se pravokotni prizmi s kotom 90° uporabljajo kot kotni odbojnik, da se izognejo neudobnim položajem opazovanja v zenitu. Pogost nakup je model s protirefleksijskim premazom AR 450–750 nm, vgrajen v vodilo premera 31,75 mm ali 50,8 mm. Razlika med poceni in kakovostnim prizmo se kaže na robovih svetlih zvezd: slaba prizma povzroča stransko komo, ki je vidna pri visoki povečavi.

Kakšna je razlika med prizmo BK7 in prizmo iz taljenega silicijevega dioksida za mojo uporabo?

BK7 pokriva območje od 330 nm do 2 100 nm in je primeren za vse uporabe v vidnem spektru ali bližnjem infrardečem spektru. Taljeni silicijev dioksid sega do 185 nm in je bolj odporen na toplotne šoke ter intenzivne UV-impulse. Če delate izključno v vidnem spektru, je BK7 zadosten in dva- do petkrat cenejši. Če vaš vir oddaja v UV-spektru (pod 330 nm) ali če uporabljate femtosekundni laser, je taljeni silicij nujen.

Katero kotno toleranco izbrati za spektroskopski ali merilni prizma?

Za laboratorijsko spektroskopijo ali lasersko merilno tehnologijo si zastavite kotno toleranco od 10 do 30 kotnih sekund in kakovost površine λ/10. Pri toleranci več kot 1 kotna minuta postanejo napake usmerjanja opazne v sistemih z dolgo goriščno razdaljo. Za izobraževalne namene ali fotografijo je sprejemljiva toleranca od 3 do 5 kotnih minut, kar pomeni znatno nižje stroške.

Porrov prizma ali strešni prizma za kompaktne daljnoglede?

Porrov prizma zagotavlja nekoliko večji kontrast, saj notranji popolni odboj ne zahteva faznega premaza. Zaradi razmika med objektivoma daje tudi izrazitejši vtis reliefa. Po drugi strani pa zahteva širše ohišje. Strešni prizma omogoča bolj kompaktno in neprepustno ravno cev, vendar zahteva fazni premaz (P-coating) za ohranjanje kontrasta: preverite njegovo prisotnost na vseh daljnogledih s strešnim prizmo, ki stanejo več kot 200 €.

Ali je mogoče optični prizma uporabiti z visokozmogljivim laserjem?

Da, pod pogojem, da se upošteva prag poškodbe (LIDT) materiala in prevleke. Pri neprekinjenem laserju z valovno dolžino 532 nm neobdelan BK7 prenese približno 500 W/cm², kakovosten AR-premaz pa ta prag zniža na 300–400 W/cm², če ni pravilno specificiran. Pri impulznih laserjih (ns, ps, fs) je kritični parameter največja gostota energije: nad nekaj deset mJ/cm² sta nujna taljeni silicij in premazi z LIDT-oceno.