Optik Prizma: Nasıl Çalışır, Türleri ve Seçim Kılavuzu

Kırılma ve Sapmanın Geometrisi

Bir prizmaya giren ışık, camın kırılma indisinin havanınkini aşması nedeniyle hızını ve yönünü değiştirir. ilişki şöyle n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂ burada θ yüzey normalinden ölçülür. Tepe açısı A olan bir prizmadan geçen ışın, i₁ ve i₂ giriş ve çıkış açıları olmak üzere toplam δ = i₁ i₂ – A sapmasına maruz kalır. Minimum sapma koşulunda ışın simetrik olarak geçer ve kırılma indisi doğrudan n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2) formülünden hesaplanabilir. Bu özellik malzeme dağılımının hassas ölçümüne olanak sağlar.

Malzeme seçimi hem sapma miktarını hem de dalga boyu yayılımını yönetir. Yaygın bir borosilikat taç camı (N-BK7 eşdeğeri) n _d = 587,6 nm'de 1,5168 ve bir Abbe numarası V _d = 64,17 orta derecede dağılım gösterir. Ultraviyole uygulamaları için UV dereceli erimiş silika (n _d = 1,4585, V _d = 67,8), 350 nm'nin altında daha yüksek iletim ve daha düşük termal genleşme sunar. İki malzeme arasındaki kırılma indeksi farkı, aynı tepe açısında sapmayı birkaç derece değiştirir; bu, bir sistem tasarlanırken kritik bir faktördür.

Prizma Çeşitleri ve Görevleri

Her geometri, tekrarlanabilir bir açısal değişim elde etmek için kırılma veya yansımadan yararlanır. Yukarıdaki tablo tanımlayıcı tepe açısını ve birincil optik işi vurgulamaktadır. Eşkenar bir prizma dağılım için optimize edilirken, dik açılı bir prizma, paralelleştirilmiş ışıkla kullanıldığında bir ışının kaplamalar olmadan 90° katlanması için toplam iç yansımadan yararlanır.

Dağılım ve Spektral Çözünürlük

Beyaz ışık bir prizmadan geçtiğinde, her dalga boyu biraz farklı bir açıyla kırılır çünkü kırılma indisi dalga boyu arttıkça azalır. Tipik bir N-BK7'den yapılmış 60° eşkenar prizma, 400 nm'den 700 nm'ye açısal yayılma yaklaşık 0,5°'ye ulaşır . Dalgaboyu ile sapmanın değişim oranı, açısal dağılım dδ/dλ yaklaşık olarak 500 nm'de 0,08°/nm aynı cam için. Bu ayırma gücü, doğrusal bir dedektör dizisinin dağınık spektrumu hareketli parçalar olmadan yakaladığı birçok kompakt spektrometre için yeterlidir.

Spektral çözünürlük prizmanın taban uzunluğuna ve malzemenin dağılım eğrisine bağlıdır. Camdan geçen daha uzun bir optik yol, dalga boyları arasındaki fiziksel ayrımı artırır. Örneğin, 30 mm'lik bir tabana sahip bir prizma, dar bir giriş yarığı ile birleştirildiğinde tipik olarak sodyum D-çizgilerini (589,0 nm ve 589,6 nm) çözebilir. Bu prensip, absorbans ve floresans ölçüm sistemlerinde kullanılan prizma monokromatörlerin omurgasını oluşturmaktadır.

Toplam İç Yansıma ve Görüntü Kontrolü

Yansıtıcı prizmalar, metal kaplamalar olmadan ışığı yeniden yönlendirmek için toplam iç yansımayı (TIR) kullanır. Camın içindeki ışık kritik açıdan daha büyük bir açıyla yüzeye çarptığında, %100 yansıma meydana gelir . N-BK7 için kritik açı yalnızca yaklaşık 41,2° cam-hava arayüzü için. Dik açılı bir prizma, bir bacağa dik olarak yönlendirilmiş ışığı alır, bunu hipotenüste 45°'de yansıtır ve diğer bacağa 90°'lik kesin bir katlamayla gönderir. 45°'lik geliş açısı kritik açıyı aştığı için herhangi bir yansıtıcı kaplamaya gerek kalmaz, bu da yüksek verimi korur ve metal emilimini ortadan kaldırır.

Daha özel prizmalar görüntü yönelimini yönetir. Bir penta prizma, küçük hizalama hatalarından bağımsız olarak 90°'lik sabit bir sapma sağlar ve görüntüyü ters çevirmez veya ters çevirmez; biri kaplanması gereken iki dahili yansıma bunu başarır. Dove prizması, görüntüyü prizmanın kendi dönüş açısının iki katı kadar döndürür, bu da onu lazer ışın taramasında ve görüntü saptırmada kullanışlı hale getirir. Köşe küp retroreflektörler, ışığı tam olarak olay yolu boyunca geri gönderir; bu, ay lazer menzili ve endüstriyel hizalamada kullanılan bir özelliktir ve geri dönüş doğruluğu genellikle daha iyidir. 5 yay saniyesi sıkı toleranslara göre üretildiğinde.

Prizmanın Belirlenmesi: Malzeme, Boyut ve Toleranslar

Gerçek bir optik kurulum için doğru prizmayı seçmek, uygulama ihtiyaçlarının ölçülebilir parametrelere dönüştürülmesini gerektirir. Aşağıdaki liste, tipik bir çizimde veya veri sayfasında görünen kritik özellikleri içerir.

• Malzeme : İletim penceresini dalga boyunuzla eşleştirin. BK7 350 nm'den 2 μm'ye kadar çalışır; UV ile kaynaşmış silika 185 nm'ye kadar uzanır; ZnSe, 0,6–16 μm kızılötesi sistemler için uygundur.
• Yüzey Düzlüğü : 633 nm'de λ/4 görüntüleme için standarttır; Dalga cephesi kalitesini korumak amacıyla interferometrik kullanım için λ/10 veya daha iyisi gereklidir.
• Yüzey Kalitesi (Kazı-Kaz) : 60-40 birçok aydınlatma sistemi için kabul edilebilir; 40-20 veya 20-10, lazer yollarındaki saçılımı azaltır.
• birgle Tolerance : ±3 arkdakikası genel amaçlı bir değerdir; hassas penta prizmalar tutarlı 90° sapmayı garanti etmek için genellikle ±30 yay saniyesine ihtiyaç duyar.
• Açık Diyafram : Prizmanın yüz boyutunun en az %80'i genellikle kenar kusurlarını ve montajdan kaynaklanan bozulmayı önlemek için belirtilir.
• Kaplama : MgF₂ gibi geniş bant yansıma önleyici kaplamalar iletimi artırabilir yüzey başına %99'un üzerinde ; yansıtıcı yüzler görünürde >%96 yansıtma için korumalı gümüş kullanabilir.

Montaj ve Hizalama İçin En İyi Uygulamalar

Bir prizmanın optik performansı, strese maruz kalması veya yanlış hizalanması durumunda hızla düşebilir. Pratik kullanım yönergeleri, çizimde belirtilen ışın kalitesinin korunmasına yardımcı olur.

1. Cilalı yüzeylere değil, zemin kenarlarına hafif yay basıncı uygulayan kinematik veya yarı kinematik montaj parçalarını kullanın. Bu, polarizasyonu bozabilecek stres çift kırılmasını önler.
2. Çıkış ışın açısının tolerans dahilindeki tasarım değeriyle eşleştiğini doğrulamak için prizmayı bir otomatik kolimatör veya kesme plakası interferometresi ile hizalayın.
3. Yüzeyleri tüy bırakmayan kağıt mendil ve reaktif sınıfı izopropanol ile temizleyin; Işığı dağıtan çizikler oluşturabilecek kuru silme işleminden kaçının.
4. Özellikle çoklu prizma zincirlerinde istenmeyen TIR ve gölge yansımalarını siyah eloksallı bölmelerle engelleyin.

Bir sistem, görüntü döndürme için Dove prizmasında olduğu gibi bir prizmanın döndürülmesini gerektirdiğinde, montaj parçasının prizmayı tam olarak dönme eksenine ortalaması gerekir. Eşit bir radyal akış 0,1 mm Dedektördeki görüntüyü kaydıran ışının uzaklaşmasına neden olabilir ve ölçümün tekrarlanabilirliğini zayıflatabilir.

Yaygın Sorunları Giderme

İyi tanımlanmış bir prizma bile beklenmedik eserler üretebilir. Kaplamasız yüzeylerden gelen hayalet yansımalar sıklıkla hafif, yer değiştirmiş noktalar halinde görünür; İyi bir AR kaplamanın uygulanması, yoğunluklarını iki kat azaltır. Prizmanın açı toleransını aşan bariz ışın sapması sıklıkla prizmanın kendisinden ziyade kamalı montaj adaptöründen kaynaklanır; montajın bir kadranlı gösterge ile kontrol edilmesi genellikle kaynağı tanımlar. Yüksek güçlü lazer sistemlerinde, toplu absorpsiyon termal bir mercek oluşturabilir: erimiş bir silika prizma, BK7'den çok daha düşük termal sapma gösterir ve termal kırılma indisi katsayısı yaklaşık on kat daha küçük değişen yük altında ışın işaretleme stabilitesini korur.

Doğru prizmanın seçilmesi geometrisinin ve malzemesinin anlaşılmasına bağlıdır. Dikkatli bir spesifikasyon ve montaj ile prizmalar, el tipi spektroskoplardan uydu lazer ölçüm istasyonlarına kadar çeşitli cihazlarda güvenilir, hizalama gerektirmeyen ışın manipülasyonu sağlar.