Pryzmat optyczny

Pryzmat optyczny: odchylenie, dyspersja i całkowite wewnętrzne odbicie

Pryzmat optyczny to przezroczysty brył o płaskich i wypolerowanych ściankach, wycięty ze szkła lub kryształu, którego precyzyjna geometria określa zachowanie światła przechodzącego przez niego lub odbijającego się od niego. Nie jest to zwykły kawałek szkła: tolerancja kątowa między ściankami, wyrażona w sekundach kątowych, bezpośrednio wpływa na jakość końcowego obrazu. Przy odchyleniu wynoszącym 30 sekund kątowych w pryzmacie prostokątnym w wiązce światła pojawia się błąd celowania wynoszący 0,25 mrad — pomijalny w zastosowaniach dekoracyjnych, ale niedopuszczalny w układach interferometrycznych.

W 1666 roku Newton wykorzystał trójkątny pryzmat szklany, aby wykazać rozkład światła białego na widmo widzialne w zakresie od 380 nm (fiolet) do 700 nm (czerwień). Zasada działania pozostała niezmienna. Zmieniła się natomiast precyzja wykonania materiałów oraz różnorodność dostępnych geometrii, przy czym każda rodzina pryzmatów rozwiązuje konkretny problem optyczny.

Rodzaje pryzmatów optycznych i ich praktyczne zastosowania

Pryzmat prostokątny i pryzmat Porro

Pryzmat prostokątny, w swojej najprostszej wersji, wykorzystuje całkowite wewnętrzne odbicie na granicy faz szklanej i powietrznej, gdy kąt padania przekracza kąt krytyczny. W przypadku BK7 (współczynnik załamania nd = 1,5168) kąt ten wynosi 41,2°. Wynik: odbicie przekraczające 99,9% bez powłoki metalicznej, a zatem brak problematycznych strat fazowych w zakresie długości fal widzialnych. Dokładnie to samo robi pryzmat Porro w lornetkach od 1854 roku, kiedy to Ignazio Porro zgłosił patent na system binokularowy noszący jego imię. Dwa połączone ze sobą pryzmaty prostokątne przesuwają oś optyczną w bok i dwukrotnie odwracają obraz, dając obraz prosty i wyprostowany o wydłużonej ścieżce optycznej bez zwiększania fizycznej długości przyrządu.

Pięciokątny pryzmat (pentapryzmat)

Pentapryzmat odchyla wiązkę o 90° bez odwracania obrazu, niezależnie od jej orientacji. Ta właściwość zapewnia mu niezastąpione miejsce w wizjerach lustrzanek od lat 50. XX wieku: Contax S z 1949 roku był pierwszym aparatem 35 mm wyposażonym w ten element. W metrologii laserowej służy do ustalania kątów prostych z dokładnością poniżej 1 sekundy kątowej bez konieczności wcześniejszego ustawiania samego pryzmatu.

Pryzmat Dove’a i pryzmat dachowy Amici

Pryzmat Dove’a obraca obraz z prędkością dwukrotnie większą niż jego własna prędkość obrotowa. Umieszczony w ramieniu obrotowym pozwala na obrót obrazu o 360°, przy czym sam pryzmat obraca się jedynie o 180°. Z kolei pryzmat Amici łączy dach o dwóch ściankach pod kątem 90°, które wyprostowują obraz bez jego bocznego przesunięcia. Stosuje się go w lornetkach astronomicznych oraz w endoskopach, gdzie kluczowe znaczenie ma długość całkowita urządzenia.

Pryzmat dyspersyjny do spektroskopii

Trójkątne pryzmaty równoboczne (60°) są stosowane w spektroskopii, gdy siatka dyfrakcyjna nie jest odpowiednia, zwłaszcza w głębokim ultrafiolecie lub przy wysokich mocach lasera. Zdolność dyspersyjna zależy od rodzaju szkła: pryzmat z flintu F2 ma liczbę Abbego wynoszącą 36,4, podczas gdy dla BK7 wynosi ona 64,2, co oznacza, że F2 bardziej rozprasza widmo widzialne, ale wprowadza większą aberrację chromatyczną do soczewki. Wybór między nimi zależy od kompromisu między rozdzielczością spektralną a przepuszczalnością.

Materiały: BK7, stopiona krzemionka i alternatywy dla podczerwieni

Borokrzemian BK7 jest materiałem referencyjnym dla 80% pryzmatów optycznych przeznaczonych do zastosowań w zakresie światła widzialnego. Jego przepuszczalność obejmuje zakres od 330 nm do 2 100 nm, jego jednorodność wynosi zazwyczaj H3 zgodnie z normą ISO 10110, a cena pozostaje przystępna. Nadaje się do niemal wszystkich zastosowań w zakresie światła widzialnego i bliskiej podczerwieni.

Krzemionka topiona (fused silica) przejmuje rolę, gdy wymagany jest zakres promieniowania UV poniżej 330 nm. Przepuszcza promieniowanie od 185 nm, jest odporna na impulsy laserowe w zakresie ultrafioletu, a jej współczynnik rozszerzalności cieplnej jest dziesięciokrotnie niższy niż w przypadku BK7 (0,55 × 10⁻⁶ K⁻¹ w porównaniu z 7,1 × 10⁻⁶ K⁻¹). W przypadku pryzmatu stosowanego w spektrometrze UV lub w stanowisku laserowym femtosekundowym jest to domyślny wybór, mimo że kosztuje on od dwóch do pięciu razy więcej.

• ZnSe: średnia podczerwień od 0,6 µm do 16 µm, niezbędny w laserach CO₂ o długości fali 10,6 µm, ale wrażliwy mechanicznie (twardość Knoopa: 120)
• CaF₂: od promieniowania UV przy 130 nm do podczerwieni przy 10 µm, stosowany w litografii głębokiego UV oraz w spektroskopii Ramana w zakresie UV
• German: podczerwień termiczna od 2 µm do 14 µm, nieprzezroczysty w zakresie widzialnym, bardzo wysoki współczynnik załamania światła (n = 4,0), co wymaga obowiązkowej obróbki antyrefleksyjnej

Jak wybrać pryzmat optyczny: konkretne kryteria zakupu

Najpierw geometria: określ funkcję (odchylenie, wyprostowanie obrazu, dyspersja, obrót) przed wyborem materiału. Standardowy pryzmat prostokątny z polerowanego BK7 o dokładności λ/4 zaspokaja 95% potrzeb w zakresie obrazowania i typowych układów optycznych.

Następnie jakość powierzchni. Oznaczenie λ/10 oznacza, że maksymalne odchylenie płaskości każdej powierzchni jest mniejsze niż jedna dziesiąta długości fali przy 633 nm, czyli 63 nm. W przypadku układu interferometrycznego lub lasera dużej mocy wymagane jest λ/20 lub lepsze. Do zastosowań edukacyjnych lub fotograficznych λ/4 w zupełności wystarcza. Nie ma sensu płacić za tolerancję, której Państwa zastosowanie nie jest w stanie wykorzystać.

Powłoka antyrefleksyjna (AR) zmniejsza niepożądane odbicia na każdej granicy fazy z 4% (efekt Fresnela, bez powłoki na BK7) do poniżej 0,25% na każdą powierzchnię dzięki wielowarstwowej powłoce MgF₂ + ZrO₂ zoptymalizowanej pod kątem zakresu zastosowania. W przypadku pryzmatu o sześciu aktywnych powierzchniach oznacza to różnicę między całkowitą przepuszczalnością wynoszącą 78% a 98,5%.

Pryzmat optyczny w edukacji, naukowych hobby i zastosowaniach profesjonalnych

Trójkątny pryzmat z borokrzemianu o boku 50 mm i wystarczającej jakości optycznej kosztuje od 15 do 40 € w zastosowaniach edukacyjnych lub fotograficznych. W tej cenie tolerancje kątowe rzadko są określone, a jakość polerowania jest zmienna. Do zastosowań w powtarzalnych układach optycznych pryzmat BK7 o specyfikacji λ/4 i tolerancji kątowej 3 minuty kątowe kosztuje od 40 do 120 euro w zależności od rozmiaru.

W astronomii amatorskiej pryzmaty prostokątne o kącie 90° służą jako kolankowe zwierciadło odbijające, pozwalające uniknąć niewygodnych pozycji obserwacyjnych w zenicie. Popularnym zakupem jest model z powłoką antyrefleksyjną AR 450–750 nm, przeznaczony do montażu w tulei 31,75 mm lub 50,8 mm. Różnicę między niedrogim pryzmatem a pryzmatem wysokiej jakości widać na krawędziach jasnych gwiazd: słaby pryzmat powoduje powstawanie komy bocznej widocznej przy dużym powiększeniu.

Jaka jest różnica między pryzmatem BK7 a pryzmatem ze stopionego krzemionki w moim zastosowaniu?

BK7 obejmuje zakres od 330 nm do 2 100 nm i nadaje się do wszelkich zastosowań w zakresie światła widzialnego lub bliskiej podczerwieni. Pryzmat ze stopionego krzemionki sięga 185 nm i jest bardziej odporny na szok termiczny oraz intensywne impulsy UV. Jeśli pracujesz wyłącznie w zakresie światła widzialnego, BK7 jest wystarczający i kosztuje od dwóch do pięciu razy mniej. Jeśli twoje źródło emituje promieniowanie UV (poniżej 330 nm) lub jeśli używasz lasera femtosekundowego, konieczne jest zastosowanie pryzmatu ze stopionego krzemionki.

Jaką tolerancję kątową wybrać dla pryzmatu do spektroskopii lub metrologii?

W przypadku spektroskopii laboratoryjnej lub metrologii laserowej należy dążyć do tolerancji kątowej od 10 do 30 sekund kątowych oraz jakości powierzchni λ/10. Przy tolerancji powyżej 1 minuty kątowej błędy ustawienia stają się zauważalne w układach o długiej ogniskowej. Do zastosowań edukacyjnych lub w fotografii dopuszczalna jest tolerancja od 3 do 5 minut kątowych, co wiąże się ze znacznie niższymi kosztami.

Pryzmat Porro czy pryzmat dachowy w lornetkach kompaktowych?

Pryzmat Porro zapewnia nieco wyższy kontrast, ponieważ całkowite wewnętrzne odbicie nie wymaga powłoki fazowej. Zapewnia również wyraźniejsze wrażenie głębi dzięki rozstawieniu obiektywów. Z drugiej strony wymaga szerszej obudowy. Pryzmat dachowy pozwala na zastosowanie bardziej kompaktowej i szczelnej tuby, ale wymaga powłoki fazowej (P-coating) w celu zachowania kontrastu: należy sprawdzić jej obecność w każdej lornetce z pryzmatem dachowym powyżej 200 €.

Czy można stosować pryzmat optyczny z laserem o dużej mocy?

Tak, pod warunkiem przestrzegania progu uszkodzenia (LIDT) materiału i powłoki. W przypadku lasera ciągłego o długości fali 532 nm niepokryty BK7 wytrzymuje około 500 W/cm², natomiast powłoka antyrefleksyjna (AR) niskiej jakości obniża ten próg do 300–400 W/cm², jeśli nie jest odpowiednio specyfikowana. W przypadku laserów impulsowych (ns, ps, fs) krytycznym parametrem jest szczytowa gęstość energii: powyżej kilkudziesięciu mJ/cm² niezbędne jest stosowanie topionego krzemionki oraz powłok o określonej wartości LIDT.