Optička prizma

Optička prizma: lom, difrakcija i potpuni unutarnji odraz
Optička prizma je prozirno čvrsto tijelo s ravnim, poliranim plohama, izrezano iz stakla ili kristala, čija precizna geometrija određuje ponašanje svjetlosti koja prolazi kroz njega ili se u njemu odbija. To nije samo komad stakla: kutna tolerancija između ploha, izražena u kutnim sekundama, izravno određuje kvalitetu konačne slike. Odstupanje od 30 luka-sekundi na prizmati pravog kuta uvodi pogrešku usmjeravanja od 0,25 mrad u snop — zanemarivo za dekorativne svrhe, ali neprihvatljivo za interferometrijsku postavu.
Newton je 1666. godine upotrijebio trokutastu staklenu prizmu kako bi demonstrirao razlaganje bijelog svjetla na vidljivi spektar između 380 nm (ljubičasta) i 700 nm (crvena). Načelo se nije promijenilo. Ono što se promijenilo jest preciznost materijala i raznolikost dostupnih geometrija, pri čemu svaka obitelj prizmi rješava određeni optički problem.

Vrste optičkih prizmi i njihove primjene u stvarnom svijetu

Prizma pravi kutnika i Porrova prizma
Prizma pravog kuta, u svom najjednostavnijem obliku, koristi potpuno unutarnje odražavanje na sučelju staklo-zrak kada kut upada prelazi kritični kut. Za BK7 (indeks loma nd = 1,5168), taj kut iznosi 41,2°. Rezultat je učinkovitost odrazivanja veća od 99,9 posto bez ikakvog metalnog premaza, što znači da nema problematičnog gubitka faze u rasponu vidljivih valnih duljina. Upravo to prizmati Porro rade u dalekozoru od 1854. godine, kada je Ignazio Porro podnio patent za sustav dalekozora koji nosi njegovo ime. Dvije spojene prizmice pravi kut pomiču optičku os bočno i dvaput inveriraju sliku, stvarajući pritom ispravnu, uspravnu sliku s produženim optičkim putem, a da se pritom ne povećava fizička duljina instrumenta.

Pentagonska prizma (pentaprizma)
Pentaprizma preusmjerava snop za 90° bez preokretanja slike, bez obzira na njezinu orijentaciju. Ta je svojstva pentaprizmi osigurala nezamjenjivu ulogu u refleksnim tražilima od 1950-ih: Contax S iz 1949. bio je prvi 35-milimetarski fotoaparat opremljen pentaprizmom. U laserskoj metrologiji koristi se za određivanje pravih kutova s točnošću manjom od 1 arcsecunde, bez potrebe za prethodnim poravnanjem same prizmice.

Doveova prizma i Amicijeva krovna prizma
Dova prizmom se slika rotira dvostrukom brzinom vlastite rotacije. Kada je montirana na rotirajućoj ruci, omogućuje rotaciju slike od 360° rotiranjem prizme za samo 180°. Amicijeva prizmna, s druge strane, kombinira krovnu prizmu s dvije 90° fasete koje uspravljaju sliku bez njezina bočnog pomicanja. Nalazi se u zemaljskim astronomskim teleskopima i u endoskopima gdje je longitudinalni prostor presudan.

Dispersivna prizm za spektroskopiju
Jednostrane trokutaste prizme (60°) koriste se u spektroskopiji kada difrakcijska rešetka nije prikladna, osobito u dubokom UV-spektru ili za velike snage lasera. Dispersivna moć ovisi o staklu: prizmica od fluorstakla F2 ima Abbeov broj 36,4, u usporedbi s 64,2 za BK7, što znači da F2 raširuje vidljivi spektar u većoj mjeri, ali u leću uvodi veću kromatsku aberaciju. Odabir između njih ovisi o kompromisu između spektralne razlučivosti i propusnosti.

Materijali: BK7, taljena silika i infracrvene alternative
Borosilikat BK7 standardni je materijal za 80 posto optičkih prizmi koje se koriste u vidljivom spektru. Njegova transmisija seže od 330 nm do 2.100 nm, njegova je homogenost obično H3 prema normi ISO 10110 i ostaje pristupačna. Pogodan je za gotovo sve primjene u vidljivom i bliskom infracrvenom rasponu svjetla.
Fuzijska silika dolazi do izražaja kad god je potreban UV raspon ispod 330 nm. Prijenos joj započinje od 185 nm, vrlo je otporna na ultraljubičaste laserske impulse, a njezin koeficijent toplinskog širenja deset je puta niži od onog kod BK7 (0,55 × 10⁻⁶ K⁻¹ u usporedbi s 7,1 × 10⁻⁶ K⁻¹). Za prizmu koja se koristi u UV spektrometru ili na postolju za femtosekundni laser, ona je standardni izbor unatoč tome što košta dva do pet puta više.

ZnSe: srednji infracrveni spektar od 0,6 µm do 16 µm, ključan za CO₂ lasere od 10,6 µm, ali je mehanički krhak (Knoopova tvrdoća: 120)
CaF₂: UV na 130 nm do IR na 10 µm, koristi se u dubinskoj UV litografiji i UV Raman spektroskopiji
Germanij (Ge): termalni infracrveni spektar od 2 µm do 14 µm, neproziran u vidljivom spektru, vrlo visok indeks loma (n = 4,0) koji zahtijeva obavezni antirefleksivni premaz

Kako odabrati optičku prizmu: praktični kriteriji za kupnju
Prvo geometrija: odredite funkciju (defleksija, uspravljanje slike, difrakcija, rotacija) prije odabira materijala. Standardna prizmica pravog kuta izrađena od λ/4 poliranog stakla BK7 zadovoljava 95 posto uobičajenih zahtjeva za slikanje i optičke sklopove.
Zatim, kvaliteta površine. Specifikacija λ/10 znači da je maksimalno odstupanje ravnosti svake strane manje od jedne desetine valne duljine na 633 nm, tj. 63 nm. Za interferometrijski uređaj ili laser visoke snage potrebna je specifikacija λ/20 ili bolja. Za obrazovni uređaj ili fotografsku upotrebu, specifikacija λ/4 je više nego dovoljna. Nema smisla plaćati za toleranciju koju vaša primjena ne može iskoristiti.
Antirefleksivni (AR) premaz smanjuje neželjene odraze na svakom sučelju s 4 posto (Fresnelov odraz, na neprekrivenom BK7) na manje od 0,25 posto po sučelju pomoću višeslojnog premaza MgF₂ + ZrO₂ optimiziranog za namijenjeni raspon primjene. Na prizmu sa šest aktivnih sučelja, to predstavlja razliku između ukupne propusnosti od 78 posto i 98,5 posto.

Optičke prisme za obrazovanje, znanstveno-rekreativnu upotrebu i profesionalnu upotrebu
Trokutna borosilikatna prizmica s duljinom stranice od 50 mm i dovoljnom optičkom kvalitetom košta između 15 i 40 € za obrazovnu ili fotografsku upotrebu. Po toj cijeni kutne tolerancije su rijetko specificirane, a kvaliteta poliranja varira. Za upotrebu u reproducibilnim optičkim postavkama, prizmatički BK7 s AR premazom specificiranim na λ/4 i s kutnom tolerancijom od 3 minute luka košta između 40 i 120 € ovisno o veličini.
U amaterskoj astronomiji, prizmama od 90° (pravokutnim) služi se kao kutnim zrcalcima kako bi se izbjegli neudobni položaji za gledanje na zenitu. Model s AR premazom za 450–750 nm, ugrađen u cijev od 31,75 mm ili 50,8 mm, česta je kupnja. Razlika između jeftine i visokokvalitetne prizme može se vidjeti na rubovima svijetlih zvijezda: prizma loše kvalitete uvodi lateralnu komu koja je vidljiva pri velikim povećanjima.

Koja je razlika između prizmatičkog stakla BK7 i prizmatičkog stakla od taljenog silicija za moju primjenu?

BK7 pokriva raspon od 330 nm do 2.100 nm i pogodno je za svaku primjenu u vidljivom ili bliskom infracrvenom području. Taljeno silicijsko staklo seže do 185 nm i otpornije je na termičke šokove i intenzivne UV impulse. Ako radite isključivo sa vidljivim svjetlom, BK7 je dovoljan i košta dva do pet puta manje. Ako vaš izvor zrači u UV rasponu (ispod 330 nm) ili ako koristite femtosekundni laser, fuzijska silika je neophodna.

Koju kutnu toleranciju odabrati za prizmu za spektroskopiju ili metrologiju?

Za laboratorijsku spektroskopiju ili lasersku metrologiju, ciljajte na kutnu toleranciju od 10 do 30 luka-sekundi i kvalitetu površine λ/10. Iznad 1 arminute, pogreške u usmjeravanju postaju primjetne kod uređaja s dugom žarišnom duljinom. Za obrazovnu upotrebu ili fotografiju, 3 do 5 arminuta je prihvatljivo i predstavlja znatno nižu cijenu.

Porrova ili krovna prizmica za kompaktne dalekozore?

Porrova prizmica daje nešto viši kontrast jer kod potpune unutarnje refleksije nije potrebna fazna obloga. Također stvara izraženiji osjećaj dubine zahvaljujući razmaku između leća. Međutim, zahtijeva šire kućište. Krovna prizmom omogućuje kompaktnije i vodootporno ravno kućište, ali zahtijeva fazno premazivanje (P-premaz) za održavanje kontrasta: provjerite je li prisutan na svim dalekozorima s krovnim prizmama koji koštaju više od 200 €.

Može li se optička prismatična leća koristiti s laserskim zrakom velike snage?

Da, pod uvjetom da se poštuje prag oštećenja (LIDT) materijala i premaza. Za laserski zrak kontinuiranog vala na 532 nm, neobrađeni BK7 može izdržati otprilike 500 W/cm²; loša AR prevlaka smanjuje taj prag na 300–400 W/cm² ako je nepravilno specificirana. Za pulsne lasere (ns, ps, fs) kritičan parametar je vršna gustoća energije: fuzijska silika i premazi ocijenjeni prema LIDT-u neophodni su pri vrijednostima iznad nekoliko desetaka mJ/cm².