Оптическая призма: как она работает, типы и руководство по выбору

Рефракция и геометрия отклонения

Свет, попадающий в призму, меняет скорость и направление, поскольку показатель преломления стекла превышает показатель преломления воздуха. Отношения следуют n₁ грех θ₁ = n₂ грех θ₂ , где θ отсчитывается от нормали к поверхности. Луч, проходящий через призму с углом при вершине A, испытывает полное отклонение δ = i₁ i₂ – A, где i₁ и i₂ являются входным и выходным углами. При условии минимального отклонения луч проходит симметрично, и показатель преломления можно рассчитать непосредственно из n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2). Это свойство позволяет точно измерить дисперсию материала.

Выбор материала определяет как величину отклонения, так и разброс длин волн. Обычное боросиликатное кронен-стекло (эквивалент N-BK7) имеет n _d = 1,5168 при 587,6 нм и числе Аббе V _d = 64,17 , что указывает на умеренную дисперсию. Для ультрафиолетовых применений используется плавленый кварц УФ-класса (n _d = 1,4585, В _d = 67,8) обеспечивает более высокое пропускание при длине волны ниже 350 нм и более низкое тепловое расширение. Разница в показателе преломления между двумя материалами изменяет отклонение на несколько градусов при одном и том же угле при вершине, что является критическим фактором при проектировании системы.

Типы призм и их функции

Каждая геометрия использует либо преломление, либо отражение для достижения повторяемого углового изменения. В таблице выше указаны определяющий угол при вершине и основная оптическая работа. В то время как равносторонняя призма оптимизирована для рассеивания, прямоугольная призма использует полное внутреннее отражение, чтобы сложить луч на 90 ° без покрытий при использовании с коллимированным светом.

Дисперсия и спектральное разрешение

Когда белый свет проходит через призму, каждая длина волны преломляется под немного разным углом, поскольку показатель преломления уменьшается с увеличением длины волны. Для типичного Равносторонняя призма 60° из N-BK7, угловой разброс от 400 до 700 нм достигает около 0,5°. . Скорость изменения отклонения с длиной волны, угловая дисперсия dδ/dλ, примерно равна 0,08°/нм при 500 нм за то же стекло. Этой мощности разделения достаточно для многих компактных спектрометров, в которых линейная детекторная матрица улавливает дисперсный спектр без движущихся частей.

Спектральное разрешение зависит от длины основания призмы и дисперсионной кривой материала. Более длинный оптический путь через стекло увеличивает физическое разделение длин волн. Например, призма с основанием 30 мм обычно может разрешать D-линии натрия (589,0 нм и 589,6 нм) в сочетании с узкой входной щелью. Этот принцип остается основой призменных монохроматоров, используемых в системах измерения поглощения и флуоресценции.

Полное внутреннее отражение и контроль изображения

Отражающие призмы используют полное внутреннее отражение (TIR) для перенаправления света без металлических покрытий. Когда свет внутри стекла падает на поверхность под углом, превышающим критический угол, происходит 100% отражение . Для N-BK7 критический угол составляет всего примерно 41,2° для границы стекло-воздух. Прямоугольная призма принимает коллимированный свет перпендикулярно одному катету, отражает его под углом 45° в гипотенузе и направляет его через другой катет с точным углом 90°. Поскольку угол падения 45° превышает критический угол, отражающее покрытие не требуется, что позволяет сохранить высокую пропускную способность и исключить поглощение металла.

Более специализированные призмы управляют ориентацией изображения. Пентапризма обеспечивает постоянное отклонение на 90° независимо от небольших ошибок выравнивания и не инвертирует и не переворачивает изображение — этого достигают два внутренних отражения, одно из которых должно быть покрыто. Призма Dove поворачивает изображение на угол, в два раза превышающий собственный угол поворота призмы, что делает ее полезной при сканировании лазерным лучом и деротации изображения. Ретрорефлекторы углового куба возвращают свет точно по пути падения - свойство, используемое при лунной лазерной локации и промышленной центровке, с точностью отраженного света часто лучше, чем 5 угловых секунд при изготовлении с жесткими допусками.

Указание призмы: материал, размер и допуски

Выбор правильной призмы для реальной оптической установки требует перевода потребностей приложения в измеримые параметры. В следующем списке приведены важные характеристики, которые присутствуют в типичном чертеже или таблице данных.

• Материал : соответствие окна передачи вашей длине волны. БК7 работает от 350 нм до 2 мкм; УФ-плавленный кварц простирается до 185 нм; ZnSe подходит для инфракрасных систем 0,6–16 мкм.
• Плоскостность поверхности : λ/4 при 633 нм является стандартным для визуализации; λ/10 или выше необходимо для интерферометрического использования, чтобы сохранить качество волнового фронта.
• Качество поверхности (царапание-копание) : 60-40 приемлемо для многих систем освещения; 40-20 или 20-10 уменьшают разброс по лучам лазера.
• Анgle Tolerance : ±3 угловых минуты — значение общего назначения; Прецизионные пента-призмы часто требуют ±30 угловых секунд, чтобы гарантировать постоянное отклонение на 90°.
• Чистая диафрагма : Обычно указывается не менее 80 % размера грани призмы, чтобы избежать дефектов краев и искажений, вызванных монтажом.
• Покрытие : Широкополосные просветляющие покрытия, такие как MgF₂, могут улучшить передачу более 99% на поверхность ; в отражающих лицах может использоваться защищенное серебро для обеспечения отражательной способности >96% в видимой области спектра.

Рекомендации по монтажу и выравниванию

Оптические характеристики призмы могут быстро ухудшиться, если она подвергается нагрузке или смещению. Практические рекомендации по обращению помогут сохранить качество луча, указанное на чертеже.

1. Используйте кинематические или полукинематические крепления, которые оказывают мягкое давление пружины на шлифованные края, а не на полированные поверхности. Это предотвращает двойное лучепреломление под напряжением, которое может исказить поляризацию.
2. Совместите призму с автоколлиматором или интерферометром со сдвиговой пластиной, чтобы убедиться, что угол выходного луча соответствует расчетному значению в пределах допуска.
3. Очистите поверхности безворсовой тканью и изопропанолом реактивной степени чистоты; избегайте сухой протирки, которая может привести к появлению царапин, рассеивающих свет.
4. Блокируйте непреднамеренные отражения TIR и призрачные отражения с помощью перегородок с черным анодированием, особенно в цепях с несколькими призмами.

Когда система требует вращения призмы, как в случае с призмой Dove для вращения изображения, крепление должно центрировать призму точно по оси вращения. Радиальное биение равное 0,1 мм может вызвать смещение луча, что приводит к смещению изображения на детекторе, что ухудшает повторяемость измерений.

Устранение распространенных проблем

Даже правильно подобранная призма может давать неожиданные артефакты. Призрачные отражения от непокрытых поверхностей часто выглядят как слабые смещенные пятна; применение хорошего просветляющего покрытия снижает их интенсивность на два порядка. Очевидное отклонение луча, превышающее допуск на угол призмы, часто связано с клиновым монтажным адаптером, а не с самой призмой — проверка крепления с помощью циферблатного индикатора обычно определяет источник. В мощных лазерных системах объемное поглощение может создать тепловую линзу: призма из плавленого кварца демонстрирует гораздо меньший тепловой дрейф, чем BK7, с термическим коэффициентом показателя преломления около в десять раз меньше , сохраняя стабильность направления луча при изменяющейся нагрузке.

Выбор правильной призмы зависит от понимания ее геометрии и материала. При тщательной спецификации и монтаже призмы обеспечивают надежную манипуляцию лучом без необходимости выравнивания в различных инструментах, от ручных спектроскопов до спутниковых лазерных дальномерных станций.