Optisk prisme

Optisk prisme: avbøyning, dispersjon og total intern refleksjon

Et optisk prisme er et gjennomsiktig fast stoff med plane og polerte flater, skåret ut av glass eller krystall, hvis presise geometri bestemmer hvordan lyset oppfører seg når det passerer gjennom eller reflekteres fra det. Det er ikke bare et stykke glass: vinkeltoleransen mellom flatene, uttrykt i buesekunder, har direkte innvirkning på kvaliteten på det endelige bildet. Ved en avvik på 30 buesekunder på et rettvinklet prisme oppstår det en pekfeil på 0,25 mrad i lysstrålen – ubetydelig for dekorativ bruk, men uakseptabelt for en interferometrisk oppstilling.

Newton brukte et trekantet glassprisme i 1666 for å demonstrere oppbrytningen av hvitt lys i det synlige spekteret mellom 380 nm (fiolett) og 700 nm (rødt). Prinsippet har ikke endret seg. Det som har endret seg, er materialenes presisjon og mangfoldet av tilgjengelige geometrier, der hver prismefamilie løser et spesifikt optisk problem.

Typer av optiske prismer og deres praktiske anvendelser

Rettvinklet prisme og Porro-prisme

Det rettvinklede prismet, i sin enkleste utgave, utnytter totalintern refleksjon ved grensesnittet mellom glass og luft når innfallsvinkelen overstiger den kritiske vinkelen. For BK7 (brytningsindeks nd = 1,5168) er denne vinkelen 41,2°. Resultat: en refleksjon på over 99,9 % uten metallbelegg, og dermed ingen problematisk faseforskyvning i det synlige bølgelengdeområdet. Dette er nøyaktig hva Porro-prismet har gjort i en kikkert siden 1854, da Ignazio Porro tok ut patent på det binokulære systemet som bærer hans navn. To rettvinklede prismer satt sammen forskyver den optiske aksen sideveis og vender bildet to ganger, noe som gir et rett og oppreist bilde med en forlenget optisk vei uten å øke instrumentets fysiske lengde.

Femkantet prisme (pentaprisme)

Pentaprismen avbøyer strålen 90° uten å speile bildet, uansett hvordan den er orientert. Denne egenskapen har gitt den en uerstattelig plass i speilreflekssøkere siden 1950-årene: Contax S fra 1949 var det første 35 mm-kameraet som var utstyrt med en slik prisme. Innen lasermetrologi brukes det til å fastsette rette vinkler med en nøyaktighet på under 1 buesekund uten at selve prismen må justeres på forhånd.

Dove-prisme og Amici-takprisme

Dove-prismet roterer bildet med dobbelt så høy hastighet som sin egen rotasjon. Plassert i en roterende arm gjør det det mulig å orientere et bilde 360° ved å rotere prismet bare 180°. Amici-prismet består derimot av et tak med to 90°-flater som retter opp bildet uten å forskyve det sideveis. Det finnes i astronomiske kikkert og i endoskop der lengdemålene er avgjørende.

Dispersjonsprisme for spektroskopi

Likebenede trekantprismer (60°) brukes i spektroskopi når diffraksjonsgitteret ikke er egnet, særlig i dypt UV-området eller ved høye lasereffekter. Dispersjonsevnen avhenger av glasset: et F2-flintprisme har et Abbe-tall på 36,4 mot 64,2 for BK7, noe som betyr at F2 sprer det synlige spekteret mer, men introduserer større kromatisk aberrasjon i en linse. Valget mellom de to avhenger av avveiningen mellom spektral oppløsning og transmisjon.

Materialer: BK7, smeltet silisiumdioksid og alternativer for infrarødt

Borosilikatet BK7 er referansematerialet for 80 % av de optiske prismer som brukes i det synlige spekteret. Transmisjonen dekker 330 nm til 2 100 nm, homogeniteten er typisk H3 i henhold til standarden ISO 10110, og prisen er fortsatt overkommelig. Det egner seg til nesten alle anvendelser i synlig lys og nær-infrarødt.

Smeltet silisiumdioksid (fused silica) tar over så snart UV-området under 330 nm er påkrevd. Det har gjennomtrengning fra 185 nm, tåler ultrafiolette laserimpulser godt, og dets termiske utvidelseskoeffisient er ti ganger lavere enn for BK7 (0,55 × 10⁻⁶ K⁻¹ mot 7,1 × 10⁻⁶ K⁻¹). For et prisme som brukes i et UV-spektrometer eller i et femtosekund-lasersystem, er dette standardvalget til tross for at det koster to til fem ganger mer.

• ZnSe: mellom-infrarødt fra 0,6 µm til 16 µm, uunnværlig for CO₂-lasere ved 10,6 µm, men mekanisk skjør (Knoop-hardhet: 120)
• CaF₂: UV fra 130 nm til IR ved 10 µm, brukes i dyp-UV-litografi og i UV-Raman-spektroskopi
• Germanium: termisk infrarødt fra 2 µm til 14 µm, ugjennomsiktig i det synlige spekteret, svært høy brytningsindeks (n = 4,0) som krever obligatorisk antirefleksbehandling

Hvordan velge et optisk prisme: konkrete kjøpskriterier

Geometrien først: identifiser funksjonen (avbøyning, bildeoppretting, dispersjon, rotasjon) før du velger materiale. Et standard rettvinklet prisme i polert BK7 λ/4 dekker 95 % av behovene innen vanlig bildebehandling og optiske oppsett.

Deretter overflatekvaliteten. Betegnelsen λ/10 betyr at den maksimale avviket fra planhet for hver flate er mindre enn en tidel av bølgelengden ved 633 nm, altså 63 nm. For en interferometrisk oppstilling eller en høyeffektslaser er λ/20 eller bedre nødvendig. For en pedagogisk oppstilling eller bruk innen fotografering er λ/4 mer enn tilstrekkelig. Det er unødvendig å betale for en toleranse som din anvendelse ikke kan utnytte.

Antirefleksbehandlingen (AR) reduserer uønsket refleksjon ved hvert grensesnitt fra 4 % (Fresnel, uten behandling på BK7) til under 0,25 % per flate med et flerlagsbelegg av MgF₂ + ZrO₂ som er optimalisert for bruksområdet. På et prisme med seks aktive flater utgjør dette forskjellen mellom en total transmisjon på 78 % og 98,5 %.

Optisk prisme i utdanning, vitenskapelig fritidsbruk og profesjonell bruk

Et trekantet prisme i borosilikat med 50 mm side og tilstrekkelig optisk kvalitet koster mellom 15 og 40 € for pedagogisk eller fotografisk bruk. Til denne prisen er vinkeltoleransene sjelden spesifisert, og poleringskvaliteten varierer. For bruk i reproduserbare optiske oppsett koster et BK7-prisme spesifisert til λ/4 med en vinkeltoleranse på 3 bueminutter mellom 40 og 120 €, avhengig av størrelsen.

I amatørastronomi brukes 90°-vinkelprismer som vinkelreflektorer for å unngå ubehagelige observasjonsposisjoner i zenit. En modell med AR-belegg 450–750 nm, montert i en 31,75 mm eller 50,8 mm-kobling, er et vanlig kjøp. Forskjellen mellom et billig prisme og et kvalitetsprisme kan måles ved kantene på de lysende stjernene: et dårlig prisme forårsaker en synlig lateral koma ved høy forstørrelse.

Hva er forskjellen mellom et BK7-prisme og et prisme av smeltet silisiumdioksid for mitt bruksområde?

BK7 dekker 330 nm til 2 100 nm og egner seg for alle bruksområder innen synlig lys eller nær-IR. Smeltet silisiumdioksid strekker seg ned til 185 nm og tåler termiske sjokk og intense UV-impulser bedre. Hvis du kun arbeider med synlig lys, er BK7 tilstrekkelig og to til fem ganger billigere. Hvis kilden din sender ut UV-stråling (under 330 nm) eller hvis du bruker en femtosekundlaser, er smeltet silisiumdioksid obligatorisk.

Hvilken vinkeltoleranse bør man velge for et prisme til spektroskopi eller metrologi?

For laboratoriespektroskopi eller lasermetrologi bør man sikte på en vinkeltoleranse på 10 til 30 buesekunder og en overflatekvalitet på λ/10. Ved over 1 bueminutt blir pekfeil merkbare i oppsett med lang brennvidde. For pedagogisk bruk eller fotografering er 3 til 5 bueminutt akseptabelt og medfører betydelig lavere kostnader.

Porro-prisme eller takprisme for kompakte kikkerter?

Porro-prismen gir litt bedre kontrast, siden totalinternrefleksjon ikke krever fasebelegg. Den gir også et tydeligere inntrykk av dybde takket være avstanden mellom objektivene. På den annen side krever den et bredere hus. Takprismen muliggjør et mer kompakt og vanntett, rett rør, men krever en fasebelegg (P-belegg) for å opprettholde kontrasten: sjekk at dette finnes på alle takkikkerter som koster over 200 €.

Kan man bruke et optisk prisme med en høyeffektslaser?

Ja, forutsatt at man overholder skadegrenseverdien (LIDT) for materialet og belegget. For en kontinuerlig laser på 532 nm tåler ubehandlet BK7 omtrent 500 W/cm²; en AR-belegg av lav kvalitet reduserer denne terskelen til 300–400 W/cm² hvis den er feil spesifisert. For pulserende lasere (ns, ps, fs) er toppenergidensiteten den kritiske parameteren: smeltet silisiumdioksid og LIDT-klassifiserte belegg er uunnværlige ved verdier over noen titalls mJ/cm².