Prisma Optik: Cara Ia Berfungsi, Jenis dan Panduan Pemilihan

Biasan dan Geometri Sisihan

Cahaya yang memasuki prisma mengubah kelajuan dan arah kerana indeks biasan kaca melebihi udara. Hubungan itu menyusul n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂ , di mana θ diukur dari permukaan normal. Sinar yang melintasi prisma dengan sudut puncak A mengalami sisihan jumlah δ = i₁ i₂ – A, dengan i₁ dan i₂ sebagai sudut masuk dan keluar. Pada keadaan sisihan minimum, sinar melepasi simetri, dan indeks biasan boleh dikira terus daripada n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2). Harta ini membenarkan pengukuran yang tepat bagi penyebaran bahan.

Pilihan bahan mengawal kedua-dua jumlah sisihan dan penyebaran panjang gelombang. Kaca mahkota borosilikat biasa (bersamaan N-BK7) mempunyai n _d = 1.5168 pada 587.6 nm dan nombor Abbe V _d = 64.17 , menunjukkan serakan sederhana. Untuk aplikasi ultraviolet, silika bercantum gred UV (n _d = 1.4585, V _d = 67.8) menawarkan penghantaran yang lebih tinggi di bawah 350 nm dan pengembangan haba yang lebih rendah. Perbezaan dalam indeks biasan antara kedua-dua bahan mengubah sisihan beberapa darjah pada sudut puncak yang sama, faktor kritikal semasa mereka bentuk sistem.

Jenis Prisma dan Fungsinya

Setiap geometri mengeksploitasi sama ada pembiasan atau pantulan untuk mencapai perubahan sudut berulang. Jadual di atas menyerlahkan sudut puncak yang menentukan dan kerja optik utama. Walaupun prisma sama sisi dioptimumkan untuk penyebaran, prisma sudut tegak memanfaatkan jumlah pantulan dalaman untuk melipat rasuk sebanyak 90° tanpa salutan apabila digunakan dengan cahaya terkulat.

Penyerakan dan Resolusi Spektrum

Apabila cahaya putih melalui prisma, setiap panjang gelombang membias pada sudut yang berbeza sedikit kerana indeks biasan berkurangan dengan peningkatan panjang gelombang. Untuk tipikal 60° prisma sama sisi diperbuat daripada N-BK7, penyebaran sudut dari 400 nm hingga 700 nm mencapai kira-kira 0.5° . Kadar perubahan sisihan dengan panjang gelombang, serakan sudut dδ/dλ, adalah lebih kurang 0.08°/nm pada 500 nm untuk gelas yang sama. Kuasa pemisahan ini mencukupi untuk banyak spektrometer padat, di mana tatasusunan pengesan linear menangkap spektrum tersebar tanpa bahagian yang bergerak.

Resolusi spektrum bergantung pada panjang tapak prisma dan lengkung serakan bahan. Laluan optik yang lebih panjang melalui kaca meningkatkan pemisahan fizikal antara panjang gelombang. Sebagai contoh, prisma dengan tapak 30 mm lazimnya boleh menyelesaikan garisan natrium D (589.0 nm dan 589.6 nm) apabila digabungkan dengan celah masuk yang sempit. Prinsip ini kekal sebagai tulang belakang monokromator prisma yang digunakan dalam sistem pengukuran penyerapan dan pendarfluor.

Jumlah Refleksi Dalaman dan Kawalan Imej

Prisma reflektif memanfaatkan pantulan dalaman total (TIR) untuk mengubah hala cahaya tanpa salutan logam. Apabila cahaya di dalam kaca mengenai permukaan pada sudut yang lebih besar daripada sudut genting, 100% refleksi berlaku . Untuk N-BK7, sudut genting adalah sahaja kira-kira 41.2° untuk antara muka kaca-udara. Prisma bersudut tegak menerima cahaya berkolimasi normal pada satu kaki, memantulkannya pada 45° pada hipotenus, dan menghantarnya keluar kaki yang satu lagi dengan lipatan 90° yang tepat. Oleh kerana kejadian 45° melebihi sudut kritikal, salutan reflektif tidak diperlukan, mengekalkan daya pemprosesan yang tinggi dan menghapuskan penyerapan logam.

Prisma yang lebih khusus mengurus orientasi imej. Prisma penta memberikan sisihan 90° yang berterusan tanpa mengira ralat penjajaran kecil dan tidak menyongsangkan atau membalikkan imej—dua pantulan dalaman, satu daripadanya mesti disalut, mencapai matlamat ini. Prisma Dove memutar imej sebanyak dua kali ganda sudut putaran prisma itu sendiri, menjadikannya berguna dalam pengimbasan pancaran laser dan pengurangan imej. Retroreflectors kiub penjuru mengembalikan cahaya tepat di sepanjang laluan kejadian, harta yang dieksploitasi dalam julat laser bulan dan penjajaran industri, dengan ketepatan pemulangan selalunya lebih baik daripada 5 saat lengkok apabila direka untuk toleransi yang ketat.

Menentukan Prisma: Bahan, Saiz dan Toleransi

Memilih prisma yang betul untuk persediaan optik sebenar memerlukan menterjemah keperluan aplikasi ke dalam parameter yang boleh diukur. Senarai berikut menangkap spesifikasi kritikal yang muncul pada lukisan atau lembaran data biasa.

• bahan : Padankan tetingkap penghantaran dengan panjang gelombang anda. BK7 berfungsi dari 350 nm hingga 2 μm; Silika bercantum UV memanjang hingga 185 nm; ZnSe sesuai untuk sistem inframerah 0.6–16 μm.
• Kerataan Permukaan : λ/4 pada 633 nm adalah standard untuk pengimejan; λ/10 atau lebih baik diperlukan untuk kegunaan interferometrik untuk mengekalkan kualiti hadapan gelombang.
• Kualiti Permukaan (Calar-Dig) : 60-40 boleh diterima untuk banyak sistem pencahayaan; 40-20 atau 20-10 mengurangkan serakan dalam laluan laser.
• Toleransi Sudut : ±3 arcminutes ialah nilai tujuan umum; prisma penta ketepatan selalunya memerlukan ±30 saat lengkok untuk menjamin sisihan 90° yang konsisten.
• Bukaan Jelas : Sekurang-kurangnya 80% daripada dimensi muka prisma biasanya ditentukan untuk mengelakkan kecacatan tepi dan herotan akibat pelekap.
• Salutan : Salutan anti-pantulan jalur lebar seperti MgF₂ boleh meningkatkan penghantaran kepada lebih 99% setiap permukaan ; muka reflektif mungkin menggunakan perak terlindung untuk >96% pemantulan dalam yang boleh dilihat.

Amalan Terbaik Pemasangan dan Penjajaran

Prestasi optik prisma boleh merosot dengan cepat jika ia ditekankan atau tidak sejajar. Garis panduan pengendalian praktikal membantu mengekalkan kualiti rasuk yang dinyatakan pada lukisan.

1. Gunakan pelekap kinematik atau separa kinematik yang menggunakan tekanan spring lembut pada tepi tanah, bukan muka yang digilap. Ini menghalang birefringence tegasan yang akan memesongkan polarisasi.
2. Jajarkan prisma dengan autocollimator atau interferometer plat ricih untuk mengesahkan sudut rasuk keluar sepadan dengan nilai reka bentuk dalam toleransi.
3. Bersihkan permukaan dengan tisu bebas lin dan isopropanol gred reagen; elakkan mengelap kering, yang boleh menghasilkan calar yang menyerakkan cahaya.
4. Sekat TIR dan pantulan hantu yang tidak disengajakan dengan penyekat anod hitam, terutamanya dalam rantai berbilang prisma.

Apabila sistem memerlukan prisma untuk diputar, seperti dengan prisma Dove untuk putaran imej, lekap mesti memusatkan prisma tepat pada paksi putaran. Larian jejari genap 0.1 mm boleh menyebabkan rasuk keluar yang mengalihkan imej pada pengesan, menjejaskan kebolehulangan pengukuran.

Menyelesaikan Masalah Isu Biasa

Malah prisma yang dinyatakan dengan baik boleh menghasilkan artifak yang tidak dijangka. Pantulan hantu dari permukaan yang tidak bersalut selalunya kelihatan sebagai bintik-bintik yang samar-samar; menggunakan salutan AR yang baik mengurangkan keamatannya dengan dua urutan magnitud. Sisihan rasuk jelas yang melebihi toleransi sudut prisma selalunya datang daripada penyesuai pelekap terjepit dan bukannya prisma itu sendiri—menyemak pelekap dengan penunjuk dail biasanya mengenal pasti punca. Dalam sistem laser berkuasa tinggi, penyerapan pukal boleh mencipta kanta terma: prisma silika bercantum menunjukkan hanyutan haba jauh lebih rendah daripada BK7, dengan pekali terma indeks biasan kira-kira sepuluh kali lebih kecil , memelihara kestabilan penunjuk rasuk di bawah beban yang berbeza-beza.

Memilih prisma yang betul bergantung pada pemahaman geometri dan bahannya. Dengan spesifikasi dan pemasangan yang teliti, prisma menyampaikan manipulasi rasuk bebas penjajaran yang boleh dipercayai dalam instrumen daripada spektroskop pegang tangan kepada stesen julat laser satelit.