Optiskt prisma

Optiskt prisma: avböjning, dispersion och total intern reflektion

Ett optiskt prisma är en transparent kropp med plana och polerade ytor, tillverkad av glas eller kristall, vars exakta geometri bestämmer hur ljuset som passerar genom eller reflekteras från det beter sig. Det är inte bara en enkel glasbit: vinkeltoleransen mellan ytorna, uttryckt i bågsekunder, påverkar direkt kvaliteten på den slutliga bilden. Vid en avvikelse på 30 bågsekunder på ett rätvinkligt prisma uppstår ett riktningsfel på 0,25 mrad i ljusstrålen – försumbar för dekorativt bruk, men oacceptabelt för en interferometrisk uppställning.

Newton använde ett triangulärt glasprisma år 1666 för att demonstrera uppdelningen av vitt ljus i det synliga spektrumet mellan 380 nm (violett) och 700 nm (rött). Principen har inte förändrats. Det som har förändrats är materialens precision och mångfalden av tillgängliga geometrier, där varje prismatyp löser ett specifikt optiskt problem.

Olika typer av optiska prismor och deras praktiska tillämpningar

Rätvinkligt prisma och Porro-prisma

Rätvinkligt prisma utnyttjar, i sin enklaste form, totalreflektion vid gränssnittet mellan glas och luft när infallsvinkeln överstiger den kritiska vinkeln. För BK7 (brytningsindex nd = 1,5168) är denna vinkel 41,2°. Resultatet: en reflektion på över 99,9 % utan metallbeläggning, vilket innebär att det inte uppstår någon problematisk fasförlust inom det synliga våglängdsområdet. Det är precis vad Porro-prismat har gjort i en kikare sedan 1854, då Ignazio Porro ansökte om patent på det binokulära system som bär hans namn. Två rätvinkliga prismor som satts ihop förskjuter den optiska axeln i sidled och vänder bilden två gånger, vilket ger en rak och upprätt bild med en förlängd optisk väg utan att instrumentets fysiska längd ökar.

Femkantigt prisma (pentaprisma)

Pentaprismat avleder strålen 90° utan att vända på bilden, oavsett dess orientering. Denna egenskap har gett det en oersättlig plats i reflexkamerors sökare sedan 1950-talet: Contax S från 1949 var den första 35 mm-kameran som utrustades med ett sådant. Inom lasermätteknik används den för att fastställa rätvinklar med en noggrannhet på mindre än 1 bågsekund utan att prismat i sig behöver riktas in i förväg.

Dove-prisma och Amici-takprisma

Dove-prismat vrider bilden med dubbla hastigheten jämfört med sin egen rotation. Placerat i en roterande arm gör det möjligt att vända bilden 360° genom att endast vrida prismat 180°. Amici-prismat kombinerar däremot ett tak med två 90°-facetter som ställer bilden upprätt utan att förskjuta den i sidled. Det förekommer i astronomiska kikare för jordbaserad användning och i endoskop där det längsgående utrymmet är avgörande.

Dispersivt prisma för spektroskopi

Likbenade triangulära prismor (60°) används inom spektroskopi när diffraktionsgitteret inte är lämpligt, särskilt i det djupa UV-området eller vid höga lasereffekter. Dispersionsförmågan beror på glaset: ett prisma av flintglas F2 har ett Abbe-tal på 36,4 jämfört med 64,2 för BK7, vilket innebär att F2 sprider ut det synliga spektrumet mer men introducerar större kromatisk aberration i en lins. Valet mellan de två beror på avvägningen mellan spektral upplösning och transmission.

Material: BK7, smält kvarts och alternativ för infrarött

Borosilikatet BK7 är standardmaterialet för 80 % av de optiska prismorna för användning i det synliga ljuset. Dess transmission sträcker sig från 330 nm till 2 100 nm, dess homogenitet är typiskt H3 enligt standarden ISO 10110, och priset är överkomligt. Det lämpar sig för nästan alla tillämpningar inom det synliga ljuset och det nära infraröda spektrumet.

Smält kvarts (fused silica) tar över så snart UV-området under 330 nm krävs. Det släpper igenom strålning från 185 nm, tål ultravioletta laserpulser väl och dess termiska utvidgningskoefficient är tio gånger lägre än BK7:s (0,55 × 10⁻⁶ K⁻¹ jämfört med 7,1 × 10⁻⁶ K⁻¹). För ett prisma som används i ett UV-spektrometer eller i en femtosekundlaser är det det självklara valet trots att det kostar två till fem gånger mer.

• ZnSe: mellaninfrarött från 0,6 µm till 16 µm, oumbärligt för CO₂-lasrar vid 10,6 µm, men mekaniskt ömtåligt (Knoop-hårdhet: 120)
• CaF₂: UV från 130 nm till IR vid 10 µm, används vid deep-UV-litografi och UV-Raman-spektroskopi
• Germanium: termiskt infrarött från 2 µm till 14 µm, ogenomskinligt i det synliga spektrumet, mycket högt brytningsindex (n = 4,0) vilket kräver obligatorisk antireflexbehandling

Hur man väljer ett optiskt prisma: konkreta inköpskriterier

Geometrin först: identifiera funktionen (avböjning, bildupprättning, dispersion, rotation) innan du väljer material. Ett standardprisma med rät vinkel i polerat BK7 λ/4 täcker 95 % av behoven inom bildbehandling och vanliga optiska uppställningar.

Därefter ytkvaliteten. Beteckningen λ/10 innebär att den maximala avvikelsen från planhet för varje yta är mindre än en tiondel av våglängden vid 633 nm, det vill säga 63 nm. För en interferometrisk uppställning eller en högeffektslaser krävs λ/20 eller bättre. För en pedagogisk uppställning eller användning inom fotografi räcker λ/4 gott och väl. Det är onödigt att betala för en tolerans som din tillämpning inte kan utnyttja.

Antireflexbehandlingen (AR) minskar oönskad reflektion vid varje gränssnitt från 4 % (Fresnel, utan behandling på BK7) till mindre än 0,25 % per yta med en flerskiktsbeläggning av MgF₂ + ZrO₂ som är optimerad för användningsområdet. För ett prisma med sex aktiva ytor innebär detta skillnaden mellan en total transmission på 78 % och 98,5 %.

Optiska prismor inom utbildning, vetenskaplig fritidsverksamhet och professionellt bruk

Ett triangulärt prisma av borosilikatglas med 50 mm sida och tillräcklig optisk kvalitet kostar mellan 15 och 40 € för pedagogiskt eller fotografiskt bruk. I denna prisklass anges sällan vinkeltoleranser och poleringskvaliteten varierar. För användning i reproducerbara optiska uppställningar kostar ett BK7-prisma med specifikationen λ/4 och en vinkeltolerans på 3 bågminuter mellan 40 och 120 € beroende på storlek.

Inom amatörastronomin används prismor med 90° vinkel som vinkelreflektor för att undvika obekväma observationspositioner vid zenit. En modell med AR-beläggning 450–750 nm, monterad i ett 31,75 mm eller 50,8 mm-fäste, är ett vanligt köp. Skillnaden mellan ett billigt prisma och ett prisma av hög kvalitet märks vid kanterna på ljusa stjärnor: ett dåligt prisma ger upphov till en sidokoma som syns vid hög förstoring.

Vad är skillnaden mellan ett BK7-prisma och ett prisma av smält kvarts för min tillämpning?

BK7 täcker 330 nm till 2 100 nm och lämpar sig för alla tillämpningar inom det synliga spektrumet eller nära infrarött. Smält kvarts går ner till 185 nm och tål bättre termiska chocker och intensiva UV-pulser. Om du endast arbetar med synligt ljus räcker det med BK7, som dessutom är två till fem gånger billigare. Om din ljuskälla avger UV-strålning (under 330 nm) eller om du använder en femtosekundlaser är smält kvarts ett måste.

Vilken vinkeltolerans ska man välja för ett spektroskopi- eller mätprisma?

För laboratoriespektroskopi eller lasermätteknik bör man sikta på en vinkeltolerans på 10 till 30 bågsekunder och en ytkvalitet på λ/10. Vid mer än 1 bågminut blir riktningsfel märkbara i uppställningar med lång brännvidd. För pedagogiskt bruk eller inom fotografering är 3 till 5 bågminuter acceptabelt och innebär betydligt lägre kostnader.

Porroprisma eller takprisma för kompakta kikare?

Porroprisman ger något bättre kontrast eftersom totalinternreflektion inte kräver fasbeläggning. Den ger också ett tydligare djupintryck tack vare avståndet mellan objektivlinserna. Däremot kräver den ett bredare hölje. Takprismat möjliggör en rakare, mer kompakt och vattentät tub, men kräver en fasbeläggning (P-beläggning) för att bibehålla kontrasten: kontrollera att den finns på alla takprismakikare som kostar över 200 €.

Kan man använda ett optiskt prisma med en hög effektlaser?

Ja, förutsatt att skadetröskeln (LIDT) för materialet och beläggningen respekteras. För en kontinuerlig laser på 532 nm tål obehandlat BK7 cirka 500 W/cm²; en AR-beläggning av lägre kvalitet sänker denna tröskel till 300–400 W/cm² om den är felaktigt specificerad. För pulsade lasrar (ns, ps, fs) är toppenergitätheten den kritiska parametern: smält kvarts och LIDT-klassade beläggningar är nödvändiga vid värden över några tiotal mJ/cm².