Optinen prisma

Optinen prisma: poikkeutus, hajonta ja sisäinen täydellinen heijastus

Optinen prisma on läpinäkyvä, tasaisista ja kiillotetuista pinnoista koostuva kiinteä kappale, joka on leikattu lasista tai kristallista ja jonka tarkka geometria määrää sen läpi kulkevan tai siitä heijastuvan valon käyttäytymisen. Se ei ole pelkkä lasinpala: pintojen välinen kulmatoleranssi, joka ilmaistaan kaarisekunteina, vaikuttaa suoraan lopullisen kuvan laatuun. Kun suorakulmaisessa prismassa on 30 kaarisekunnin poikkeama, valonsäteeseen syntyy 0,25 mrad:n suuntausvirhe — tämä on merkityksetön koristeellisessa käytössä, mutta este interferometrisessä asennuksessa.

Newton käytti vuonna 1666 kolmiomaisia lasiprismaa osoittaakseen valkoisen valon hajoamisen näkyväksi spektriksi välillä 380 nm (violetti) – 700 nm (punainen). Periaate on pysynyt samana. Muuttuneet ovat materiaalien tarkkuus ja saatavilla olevien geometrioiden moninaisuus, sillä jokainen prisma-ryhmä ratkaisee tietyn optisen ongelman.

Optisten prismojen tyypit ja niiden käytännön sovellukset

Suorakulmainen prisma ja Porro-prisma

Suorakulmainen prisma hyödyntää yksinkertaisimmassa muodossaan lasin ja ilman rajapinnalla tapahtuvaa sisäistä täysheijastusta, kun tulokulma ylittää kriittisen kulman. BK7-lasille (taitekerroin nd = 1,5168) tämä kulma on 41,2°. Tuloksena on yli 99,9 %:n heijastus ilman metallipinnoitetta, joten näkyvillä aallonpituuksilla ei esiinny ongelmallista vaihehäviötä. Juuri näin Porro-prisma on toiminut kiikareissa vuodesta 1854 lähtien, jolloin Ignazio Porro haki patenttia hänen nimeään kantavalle binokulaariselle järjestelmälle. Kaksi yhteen liitettyä suorakulmaista prismaa siirtävät optista akselia sivusuunnassa ja kääntävät kuvan kahdesti, jolloin saadaan oikea-alainen ja pystysuora kuva, jonka optinen reitti on pidempi ilman, että laitteen fyysinen pituus kasvaa.

Viisikulmainen prisma (pentaprisma)

Pentaprisma taivuttaa valonsädettä 90° kääntämättä kuvaa, riippumatta sen suunnasta. Tämän ominaisuuden ansiosta sillä on ollut korvaamaton asema peilijärjestelmäkameroiden etsimissä 1950-luvulta lähtien: vuonna 1949 julkaistu Contax S oli ensimmäinen 35 mm:n kamera, jossa sitä käytettiin. Lasermetrologiassa sitä käytetään suorakulmaisten kulmien määrittämiseen alle 1 kaarisekunnin tarkkuudella ilman, että prisman suuntausta tarvitsee ennalta säätää.

Doven prisma ja Amicin katto-prisma

Doven prisma kääntää kuvaa kaksinkertaisella nopeudella omaan pyörimisnopeuteensa nähden. Pyörivään varteen asennettuna se mahdollistaa kuvan suuntaamisen 360°:n alueella kääntämällä prismaa vain 180°. Amici-prisma puolestaan koostuu kahdesta 90°:n kulmassa olevasta katto-osasta, jotka pystyttävät kuvan siirtämättä sitä sivusuunnassa. Sitä käytetään maanpäällisissä kaukoputkissa ja endoskoopeissa, joissa pituussuuntainen tilantarve on kriittinen.

Hajotusprisma spektroskopiaan

Tasakylkisiä kolmioprismoja (60°) käytetään spektroskopiassa, kun diffraktioverkko ei sovellu käyttöön, erityisesti syvässä UV-alueella tai suurilla lasertehoilla. Hajontakyky riippuu lasista: F2-flint-prisman Abben luku on 36,4, kun taas BK7:n se on 64,2, mikä tarkoittaa, että F2 hajottaa näkyvän spektrin laajemmin, mutta aiheuttaa enemmän kromaattista aberraatiota linssissä. Valinta näiden kahden välillä riippuu spektrisen resoluution ja läpäisykyvyn välisestä kompromissista.

Materiaalit: BK7, sulatettu piidioksidi ja infrapunavaihtoehdot

Borosilikaatti BK7 on viitemateriaali 80 prosentissa näkyvän valon optisista prismoista. Sen läpäisyalue ulottuu 330 nm:stä 2 100 nm:iin, sen homogeenisuus on tyypillisesti H3 standardin ISO 10110 mukaan, ja sen hinta on edullinen. Se sopii lähes kaikkiin näkyvän valon ja lähi-infrapunan sovelluksiin.

Sulatettu piidioksidi (fused silica) tulee käyttöön heti, kun tarvitaan alle 330 nm:n UV-alue. Se läpäisee valoa 185 nm:stä alkaen, kestää hyvin ultraviolettilaserpulsseja, ja sen lämpölaajenemiskerroin on kymmenen kertaa pienempi kuin BK7:n (0,55 × 10⁻⁶ K⁻¹ verrattuna 7,1 × 10⁻⁶ K⁻¹). UV-spektrometrissä tai femtosekuntilaserlaitteistossa käytettävälle prismalle se on oletusvalinta, vaikka sen hinta onkin kaksi-viisi kertaa korkeampi.

• ZnSe: keskipitkä infrapuna-alue 0,6 µm – 16 µm, välttämätön 10,6 µm:n CO₂-lasereille, mutta mekaanisesti hauras (Knoop-kovuus: 120)
• CaF₂: UV-alueelta 130 nm:stä infrapuna-alueelle 10 µm:iin, käytetään syvä-UV-litografiassa ja UV-Raman-spektroskopiassa
• Germanium: lämpöinfrapuna-alueella 2 µm – 14 µm, läpinäkymätön näkyvässä valossa, erittäin korkea taitekerroin (n = 4,0), mikä edellyttää pakollista heijastuksenestokäsittelyä

Kuinka valita optinen prisma: konkreettiset ostokriteerit

Geometria ensin: määritä toiminto (taivutus, kuvan pystyttämis, hajonta, kierto) ennen materiaalin valintaa. Standardinmukainen suorakulmainen BK7-prisma, joka on kiillotettu λ/4-tarkkuudella, kattaa 95 % tavallisista kuvantamis- ja optisten kokoonpanojen tarpeista.

Seuraavaksi pinnanlaatu. Merkintä λ/10 tarkoittaa, että kunkin pinnan suurin tasaisuuspoikkeama on alle kymmenesosa aallonpituudesta 633 nm:llä, eli 63 nm. Interferometrisessä kokoonpanossa tai suuritehoisessa laserissa tarvitaan λ/20 tai parempaa. Opetuskokoonpanossa tai valokuvauksessa λ/4 riittää mainiosti. Ei kannata maksaa toleranssista, jota sovelluksesi ei voi hyödyntää.

Heijastuksenestokäsittely (AR) vähentää haitallista heijastusta jokaisella rajapinnalla 4 prosentista (Fresnel, ilman käsittelyä BK7-lasilla) alle 0,25 prosenttiin pintaa kohti käyttöalueelle optimoidulla MgF₂ + ZrO₂-monikerrospinnoitteella. Kuusipintaisessa prismassa tämä merkitsee eroa kokonaisläpäisykyvyn ollessa 78 % ja 98,5 %.

Optinen prisma opetuksessa, tieteellisessä harrastuksessa ja ammattikäytössä

Optisesti riittävän laadukas, sivun pituudeltaan 50 mm:n borosilikaattinen kolmioprisma maksaa 15–40 euroa opetuskäyttöön tai valokuvaukseen. Tässä hintaluokassa kulmatoleransseja ei yleensä määritellä, ja kiillotuksen laatu vaihtelee. Toistettavissa oleviin optisiin kokoonpanoihin tarkoitettu BK7-prisma, jonka toleranssi on λ/4 ja kulmatoleranssi 3 kaariminuuttia, maksaa koosta riippuen 40–120 euroa.

Amatööriastronomiassa 90°:n suorakulmaisia prismoja käytetään kulmapalana, jotta vältytään epämukavilta havaintoasentoilta zenitissä. AR 450–750 nm -pinnoitettu malli, joka asennetaan 31,75 mm:n tai 50,8 mm:n liukukiskoon, on yleinen hankinta. Halvan ja laadukkaan prisman ero näkyy kirkkaiden tähtien reunoissa: huono prisma aiheuttaa sivukoman, joka on näkyvissä suurilla suurennuksilla.

Mitä eroa on BK7-prismalla ja sulatetusta piidioksidista valmistetulla prismalla minun käyttötarkoituksessani?

BK7 kattaa aallonpituusalueen 330 nm – 2 100 nm ja sopii kaikkiin näkyvän valon tai lähi-infrapunan sovelluksiin. Sulatettu piidioksidi ulottuu aallonpituuteen 185 nm asti ja kestää paremmin lämpöshokkeja ja voimakkaita UV-pulssia. Jos työskentelet yksinomaan näkyvän valon alueella, BK7 riittää ja on kaksi–viisi kertaa halvempi. Jos valonlähteesi säteilee UV-valoa (alle 330 nm) tai jos käytät femtosekuntilaser, sulatettu piidioksidi on pakollinen valinta.

Minkä kulmatoleranssin tulisi valita spektroskopia- tai metrologiaprismalle?

Laboratoriospektroskopiassa tai lasermetrologiassa tulisi pyrkiä 10–30 kaarisekunnin kulmatoleranssiin ja λ/10-pintalaatuun. Yli 1 kaariminuutin toleranssilla suuntausvirheet tulevat havaittaviksi pitkän polttovälin kokoonpanoissa. Opetuskäyttöön tai valokuvaukseen 3–5 kaariminuuttia on hyväksyttävää ja kustannuksiltaan huomattavasti edullisempaa.

Porro-prisma vai katto-prisma kompakteissa kiikareissa?

Porro-prisma tuottaa hieman paremman kontrastin, koska sisäinen täysheijastus ei vaadi vaihepinnoitusta. Se antaa myös voimakkaamman syvyysvaikutelman objektiivien välisen etäisyyden ansiosta. Toisaalta se vaatii leveämmän rungon. Kattoprisma mahdollistaa kompaktimman ja tiiviimmän suoraputken, mutta vaatii vaihepinnoitetta (P-pinnoite) kontrastin säilyttämiseksi: tarkista, että se on kaikissa yli 200 euron kattoprismakikareissa.

Voiko optista prismaa käyttää suuritehoisen laserin kanssa?

Kyllä, edellyttäen että materiaalin ja pinnoitteen vauriorajaa (LIDT) noudatetaan. 532 nm:n jatkuvatoimisella laserilla käsittelemätön BK7 kestää noin 500 W/cm²; huonosti määritelty laadukas AR-pinnoite alentaa tämän rajan 300–400 W/cm²:iin. Pulssilasereiden (ns, ps, fs) kohdalla huippuenergiatiheys on kriittinen parametri: sulatettu piidioksidi ja LIDT-luokitellut pinnoitteet ovat välttämättömiä, kun arvo ylittää muutamia kymmeniä mJ/cm².