Optisk prisme

Optisk prisme: afbøjning, spredning og total intern refleksion

Et optisk prisme er et gennemsigtigt fast stof med plane og polerede flader, udskåret i glas eller krystal, hvis præcise geometri bestemmer lysets opførsel, når det passerer igennem eller reflekteres i det. Det er ikke blot et stykke glas: vinkeltolerancen mellem fladerne, udtrykt i buesekunder, har direkte indflydelse på kvaliteten af det endelige billede. Ved en afvigelse på 30 buesekunder på et retvinklet prisme opstår der en pegefejl på 0,25 mrad i lysstrålen — ubetydelig til dekorative formål, men uacceptabel til interferometrisk opsætning.

Newton anvendte i 1666 et trekantet glasprisme til at demonstrere opdelingen af hvidt lys i det synlige spektrum mellem 380 nm (violet) og 700 nm (rødt). Princippet har ikke ændret sig. Det, der har ændret sig, er materialernes præcision og mangfoldigheden af de tilgængelige geometrier, idet hver prismefamilie løser et specifikt optisk problem.

Typer af optiske prismer og deres praktiske anvendelser

Retvinklet prisme og Porro-prisme

Det retvinklede prisme udnytter i sin enkleste udgave den interne totalrefleksion ved grænsefladen mellem glas og luft, når indfaldsvinklen overstiger den kritiske vinkel. For BK7 (brydningsindeks nd = 1,5168) er denne vinkel 41,2°. Resultatet er en refleksion på over 99,9 % uden metallisk belægning, hvilket betyder, at der ikke opstår noget problematisk fase-tab på de synlige bølgelængder. Det er præcis det, Porro-prismet har gjort i en kikkert siden 1854, hvor Ignazio Porro indgav patentansøgningen på det binokulære system, der bærer hans navn. To retvinklede prismer, der er sat sammen, forskydes den optiske akse sideværts og vender billedet to gange, hvilket giver et retvendt og opretstående billede med en forlænget optisk vej uden at øge instrumentets fysiske længde.

Femkantet prisme (pentaprisme)

Pentaprismen afbøjer lysstrålen 90° uden at vende billedet, uanset dens retning. Denne egenskab har givet den en uerstattelig plads i spejlreflekssøgere siden 1950’erne: Contax S fra 1949 var det første 35 mm-kamera, der var udstyret med en sådan. Inden for lasermåleteknik bruges det til at fastlægge rette vinkler med en nøjagtighed på under 1 buesekund uden behov for forudgående justering af selve prismen.

Dove-prisme og Amici-tagprisme

Dove-prismet drejer billedet med dobbelt så stor hastighed som sin egen rotation. Anbragt i en drejearm gør det det muligt at dreje et billede 360°, mens prismet kun drejes 180°. Amici-prismet består derimod af et tag med to 90°-facetter, der retter billedet op uden at flytte det sideværts. Det findes i jordbaserede teleskoper og i endoskoper, hvor den langsgående plads er afgørende.

Dispersivt prisme til spektroskopi

Lige-sidede trekantede prismer (60°) anvendes i spektroskopi, når diffraktionsgitteret ikke er egnet, især i det dybe UV-område eller ved høje lasereffekter. Dispersionskraften afhænger af glasset: et F2-flintprisme har et Abbe-tal på 36,4 mod 64,2 for BK7, hvilket betyder, at F2 spreder det synlige spektrum mere, men introducerer større kromatisk aberration i en linse. Valget mellem de to afhænger af kompromiset mellem spektral opløsning og transmission.

Materialer: BK7, smeltet kvarts og infrarøde alternativer

Borosilikatet BK7 er standardmaterialet for 80 % af de optiske prismer til brug i det synlige lys. Dets transmission dækker 330 nm til 2 100 nm, dets homogenitet er typisk H3 i henhold til ISO 10110, og prisen er overkommelig. Det er velegnet til næsten alle anvendelser inden for synligt lys og nærinfrarødt lys.

Smeltet silica (fused silica) tager over, så snart UV-området under 330 nm er påkrævet. Det transmitterer fra 185 nm, er meget modstandsdygtigt over for ultraviolette laserimpulser, og dets termiske udvidelseskoefficient er ti gange mindre end BK7’s (0,55 × 10⁻⁶ K⁻¹ mod 7,1 × 10⁻⁶ K⁻¹). Til et prisme, der anvendes i et UV-spektrometer eller i et femtosekund-lasersystem, er det det oplagte valg, selvom prisen er to til fem gange højere.

• ZnSe: melleminfrarødt fra 0,6 µm til 16 µm, uundværligt for CO₂-lasere ved 10,6 µm, men mekanisk skrøbeligt (Knoop-hårdhed: 120)
• CaF₂: UV fra 130 nm til IR ved 10 µm, anvendes i deep-UV-litografi og i UV-Raman-spektroskopi
• Germanium: termisk infrarødt fra 2 µm til 14 µm, uigennemsigtigt i det synlige spektrum, meget højt brydningsindeks (n = 4,0), hvilket kræver obligatorisk antirefleksbehandling

Sådan vælger du et optisk prisme: konkrete købskriterier

Først geometrien: Identificer funktionen (afbøjning, billedopretning, spredning, rotation), før du vælger materialet. Et standardretvinklet prisme i poleret BK7 med λ/4 dækker 95 % af behovene inden for billedbehandling og almindelige optiske opsætninger.

Dernæst overfladekvaliteten. Betegnelsen λ/10 betyder, at den maksimale afvigelse i planhed for hver flade er mindre end en tiendedel af bølgelængden ved 633 nm, dvs. 63 nm. Til en interferometrisk opstilling eller en højtydende laser er λ/20 eller bedre nødvendigt. Til en undervisningsopstilling eller brug inden for fotografering er λ/4 rigeligt. Der er ingen grund til at betale for en tolerance, som din anvendelse ikke kan udnytte.

Antirefleksbelægningen (AR) reducerer uønsket refleksion ved hver grænseflade fra 4 % (Fresnel, uden belægning på BK7) til under 0,25 % pr. side med en flerlagsbelægning af MgF₂ + ZrO₂, der er optimeret til anvendelsesområdet. På et prisme med seks aktive sider udgør dette forskellen mellem en samlet transmission på 78 % og 98,5 %.

Optisk prisme til undervisning, videnskabelige fritidsaktiviteter og professionel brug

Et trekantet prisme af borosilikatglas med en sidelængde på 50 mm og tilstrækkelig optisk kvalitet koster mellem 15 og 40 € til pædagogisk eller fotografisk brug. Til denne pris er vinkeltolerancerne sjældent specificeret, og poleringskvaliteten varierer. Til brug i reproducerbare optiske opstillinger koster et BK7-prisme, der er specificeret til λ/4 med en vinkeltolerance på 3 bueminutter, mellem 40 og 120 € afhængigt af størrelsen.

I amatørastronomi fungerer 90°-vinkelprismater som vinkelreflektorer for at undgå ubehagelige observationsstillinger i zenit. En model med AR-belægning på 450–750 nm, der monteres i en 31,75 mm eller 50,8 mm-klemme, er et almindeligt køb. Forskellen mellem et billigt prisme og et kvalitetsprisme kan ses ved kanterne af de lysstærke stjerner: et dårligt prisme forårsager en lateral koma, der er synlig ved høj forstørrelse.

Hvad er forskellen mellem et BK7-prisme og et prisme af smeltet kvarts til min anvendelse?

BK7 dækker 330 nm til 2 100 nm og er velegnet til alle anvendelser inden for det synlige spektrum eller det nære infrarøde. Smeltet kvarts dækker ned til 185 nm og er mere modstandsdygtigt over for termiske stød og intense UV-impulser. Hvis du udelukkende arbejder med synligt lys, er BK7 tilstrækkeligt og to til fem gange billigere. Hvis din kilde udsender UV-stråling (under 330 nm), eller hvis du bruger en femtosekundlaser, er smeltet kvarts obligatorisk.

Hvilken vinkeltolerance skal man vælge til et prisme til spektroskopi eller metrologi?

Til laboratoriespektroskopi eller lasermetrologi bør man sigte mod en vinkeltolerance på 10 til 30 buesekunder og en overfladekvalitet på λ/10. Ved over 1 bueminut bliver pegefejl mærkbare i opsætninger med lang brændvidde. Til undervisningsbrug eller fotografering er 3 til 5 bueminut acceptabelt og medfører betydeligt lavere omkostninger.

Porro-prisme eller tagprisme til kompakte kikkerter?

Porro-prismet giver en lidt højere kontrast, da den interne totalrefleksion ikke kræver fasebelægning. Det giver også et mere markant indtryk af dybde takket være afstanden mellem linserne. Til gengæld kræver det et bredere hus. Tagprismet muliggør et mere kompakt og vandtæt, lige rør, men kræver en fase-belægning (P-belægning) for at opretholde kontrasten: Kontroller, at den er til stede på alle tagkikkertmodeller over 200 €.

Kan man bruge et optisk prisme med en højtydende laser?

Ja, forudsat at man overholder skadestærsklen (LIDT) for materialet og belægningen. For en kontinuerlig laser på 532 nm tåler ubehandlet BK7 ca. 500 W/cm²; en AR-belægning af lav kvalitet reducerer denne tærskel til 300–400 W/cm², hvis den er forkert specificeret. For pulserende lasere (ns, ps, fs) er spidsenergidensiteten den kritiske parameter: smeltet kvarts og LIDT-klassificerede belægninger er uundværlige ved værdier over nogle få snesevis af mJ/cm².