Оптичен призма

Оптичен призма: отклонение, дисперсия и пълно вътрешно отражение

Оптичната призма е прозрачно тяло с равни и полирани повърхности, изрязано от стъкло или кристал, чиято прецизна геометрия определя поведението на светлината, която го преминава или се отразява в него. Това не е просто парче стъкло: ъгловата толеранс между повърхностите, изразена в аркови секунди, пряко определя качеството на крайното изображение. При отклонение от 30 арксекунди при правоъгълна призма в лъча се въвежда грешка в насочването от 0,25 mrad — пренебрежима за декоративна употреба, но недопустима за интерферометрична система.

През 1666 г. Нютон използва триъгълна стъклена призма, за да демонстрира разлагането на бялата светлина на видим спектър между 380 nm (виолетово) и 700 nm (червено). Принципът не се е променил. Това, което се е променило, е прецизността на материалите и разнообразието от налични геометрии, като всяка група призми решава конкретен оптичен проблем.

Видовете оптични призми и техните практични приложения

Правоъгълна призма и призма на Поро

Правоъгълната призма, в най-простата си версия, използва явлението на пълно вътрешно отражение на границата между стъклото и въздуха, когато ъгълът на падане надвиши критичния ъгъл. За BK7 (индекс nd = 1,5168) този ъгъл е 41,2°. Резултат: отражение над 99,9 % без метално покритие, което означава, че няма проблемна фазова загуба във видимата част от спектъра. Точно това прави призмата на Поро в биноклите от 1854 г. насам – годината, в която Игнацио Поро е регистрирал патента за бинокулярната система, носеща неговото име. Две сглобени под прав ъгъл призми изместват оптичната ос странично и обръщат изображението два пъти, като дават право и изправено изображение с удължен оптичен път, без да увеличават физическата дължина на инструмента.

Пентагонална призма (пентапризма)

Пентапризмата отклонява лъча с 90°, без да обръща образа, независимо от ориентацията му. Това свойство ѝ осигурява незаменимо място във визьорите на огледалните фотоапарати от 50-те години насам: Contax S от 1949 г. е първият 35-милиметров фотоапарат, оборудван с такава. В лазерната метрология той се използва за определяне на прави ъгли с точност по-малка от 1 арксекунда, без да се налага предварително изравняване на самата призма.

Призма на Доув и призма на Амичи

Призмата на Доув завърта изображението с двойна скорост спрямо собственото си въртене. Поставена в въртящ се лост, тя позволява ориентиране на изображението на 360°, като призмата се завърта само на 180°. Призмата на Амичи, от своя страна, съчетава покрив с две фасети под 90°, които изправят изображението, без да го изместват странично. Тя се среща в наземните астрономически телескопи и в ендоскопите, където надлъжната заемана дължина е от решаващо значение.

Дисперсионна призма за спектроскопия

Равностраничните триъгълни призми (60°) се използват в спектроскопията, когато дифракционната решетка не е подходяща, по-специално в дълбокия ултравиолетов диапазон или при високи лазерни мощности. Разсейващата способност зависи от стъклото: призма от флинт F2 има число на Аббе 36,4, докато при BK7 то е 64,2, което означава, че F2 разширява повече видимия спектър, но въвежда повече хроматична аберация в лещата. Изборът между двете зависи от компромиса между спектрална разделителна способност и пропускане.

Материали: BK7, стопено силициево стъкло и алтернативи за инфрачервения диапазон

Боросиликатът BK7 е еталонният материал за 80 % от оптичните призми за видима светлина. Пропускаемостта му обхваща диапазона от 330 nm до 2 100 nm, хомогенността му обикновено е H3 съгласно стандарта ISO 10110, а цената му остава достъпна. Той е подходящ за почти всички приложения във видимата светлина и близката инфрачервена област.

Стопеният кварц (fused silica) влиза в употреба, когато се изисква UV диапазон под 330 nm. Тя пропуска лъчи от 185 nm нагоре, е устойчива на ултравиолетови лазерни импулси, а коефициентът ѝ на термично разширение е десет пъти по-малък от този на BK7 (0,55 × 10⁻⁶ K⁻¹ спрямо 7,1 × 10⁻⁶ K⁻¹). За призма, използвана в УВ спектрометър или във фемтосекундна лазерна установка, това е стандартният избор, въпреки че цената ѝ е два до пет пъти по-висока.

• ZnSe: средна инфрачервена област от 0,6 µm до 16 µm, незаменим за CO₂ лазерите при 10,6 µm, но механично крехък (твърдост по Кнуп: 120)
• CaF₂: от ултравиолетовия диапазон при 130 nm до инфрачервения при 10 µm, използва се в литографията в дълбокия ултравиолетов диапазон и в ултравиолетовата Раманова спектроскопия
• Германий: термична инфрачервена област от 2 µm до 14 µm, непрозрачен във видимата светлина, с много висок показател на пречупване (n = 4,0), което налага задължително нанасяне на антирефлексно покритие

Как да изберем оптична призма: конкретни критерии за покупка

Първо геометрията: определете функцията (отклоняване, изправяне на изображението, дисперсия, въртене), преди да търсите материала. Стандартна правоъгълна призма от полиран BK7 с λ/4 покрива 95 % от нуждите при обичайните изображения и оптични конфигурации.

След това – качеството на повърхността. Означението λ/10 означава, че максималното отклонение от равнинност на всяка повърхност е по-малко от една десета от дължината на вълната при 633 nm, т.е. 63 nm. За интерферометрична система или лазер с висока мощност е необходимо λ/20 или по-добро. За учебна система или употреба във фотографията λ/4 е напълно достатъчно. Няма смисъл да плащате за толеранс, който вашето приложение не може да използва.

Антирефлексното покритие (AR) намалява паразитните отражения на всеки граничен слой от 4 % (Френел, без покритие върху BK7) до по-малко от 0,25 % на всяка повърхност с многослойно покритие от MgF₂ + ZrO₂, оптимизирано за диапазона на употреба. При призма с шест активни повърхности това представлява разликата между обща пропускаемост от 78 % и 98,5 %.

Оптична призма в образованието, научните хобита и професионалната употреба

Триъгълна призма от боросиликат със страна 50 mm и достатъчно оптично качество струва между 15 и 40 € за образователни или фотографски цели. При тази цена ъгловите допуски рядко са посочени, а качеството на полирането е променливо. За използване в оптични системи с възпроизводими резултати, BK7 призма със спецификация λ/4 и ъглов допуск от 3 аркминути струва между 40 и 120 €, в зависимост от размера.

В аматьорската астрономия призмите с прав ъгъл от 90° служат като ъглови отражатели, за да се избегнат неудобните позиции за наблюдение в зенита. Модел с AR покритие 450–750 nm, монтиран в канал с диаметър 31,75 мм или 50,8 мм, е често срещана покупка. Разликата между евтина призма и качествена призма се забелязва по краищата на ярките звезди: лошата призма предизвиква странична кома, видима при голямо увеличение.

Каква е разликата между призма BK7 и призма от стопено кварцово стъкло за моето приложение?

BK7 покрива диапазона от 330 nm до 2 100 nm и е подходящ за всяко приложение във видимата светлина или близкия инфрачервен диапазон. Стопеното кварцово стъкло достига до 185 nm и е по-устойчиво на термични шокове и интензивни ултравиолетови импулси. Ако работите единствено във видимата светлина, BK7 е достатъчен и е два до пет пъти по-евтин. Ако вашият източник излъчва в ултравиолетовия диапазон (под 330 nm) или ако използвате фемосекунден лазер, то стопеният кварц е задължителен.

Какъв ъглов допуск да изберете за призма за спектроскопия или метрология?

За лабораторна спектроскопия или лазерна метрология се стремете към ъглов допуск от 10 до 30 арксекунди и качество на повърхността λ/10. При ъглов допуск над 1 аркминута грешките в насочването стават забележими в конфигурации с дълго фокусно разстояние. За образователни цели или във фотографията ъглов допуск от 3 до 5 аркминути е приемлив и представлява значително по-ниска цена.

Призма на Поро или покривна призма за компактни бинокли?

Призмата на Поро осигурява малко по-висок контраст, тъй като пълното вътрешно отражение не изисква фазово покритие. Тя също така създава по-изразено усещане за релеф благодарение на разстоянието между обективите. От друга страна, тя налага по-широка рамка. Призмата тип „покрив“ позволява по-компактен и по-херметичен прав тубус, но изисква фазово покритие (P-coating), за да се поддържа контрастът: проверете дали е налице при всеки бинокъл с призма тип „покрив“ на цена над 200 €.

Може ли да се използва оптична призма с лазер с висока мощност?

Да, при условие че се спазва прагът на увреждане (LIDT) на материала и покритието. При непрекъснат лазер с дължина на вълната 532 nm необработеното BK7 издържа на около 500 W/cm², а AR покритие с ниско качество намалява този праг до 300–400 W/cm², ако не е правилно специфицирано. При импулсните лазери (ns, ps, fs) критичният параметър е пиковата енергийна плътност: стопеният кварц и покритията, класифицирани по LIDT, са задължителни при стойности над няколко десетки mJ/cm².