Prisma óptico: cómo funciona, tipos y guía de selección

Refracción y geometría de la desviación.

La luz que entra en un prisma cambia de velocidad y dirección porque el índice de refracción del vidrio excede al del aire. La relación sigue n₁ sen θ₁ = n₂ sen θ₂ , donde θ se mide desde la normal a la superficie. Un rayo que atraviesa un prisma con un ángulo de vértice A experimenta una desviación total δ = i₁ i₂ – A, siendo i₁ e i₂ los ángulos de entrada y salida. En la condición de desviación mínima, el rayo pasa simétricamente y el índice de refracción se puede calcular directamente a partir de n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2). Esta propiedad permite una medición precisa de la dispersión del material.

La elección del material gobierna tanto la cantidad de desviación como la dispersión de la longitud de onda. Un vidrio corona de borosilicato común (equivalente a N-BK7) tiene n _d = 1,5168 a 587,6 nm y un número de Abbe V _d = 64,17 , lo que indica una dispersión moderada. Para aplicaciones ultravioleta, sílice fundida de grado UV (n _d = 1,4585, V _d = 67,8) ofrece una mayor transmisión por debajo de 350 nm y una menor expansión térmica. La diferencia en el índice de refracción entre los dos materiales altera la desviación en varios grados en el mismo ángulo de vértice, un factor crítico al diseñar un sistema.

Tipos de prismas y sus funciones

Cada geometría aprovecha la refracción o la reflexión para lograr un cambio angular repetible. La tabla anterior resalta el ángulo del ápice que define y el trabajo óptico principal. Mientras que un prisma equilátero está optimizado para la dispersión, un prisma de ángulo recto aprovecha la reflexión interna total para doblar un haz 90° sin recubrimientos cuando se usa con luz colimada.

Dispersión y resolución espectral

Cuando la luz blanca pasa a través de un prisma, cada longitud de onda se refracta en un ángulo ligeramente diferente porque el índice de refracción disminuye al aumentar la longitud de onda. para un tipico Prisma equilátero de 60° hecho de N-BK7, la amplitud angular de 400 nm a 700 nm alcanza aproximadamente 0,5° . La tasa de cambio de desviación con la longitud de onda, dispersión angular dδ/dλ, es aproximadamente 0,08°/nm a 500 nm por el mismo vaso. Este poder de separación es suficiente para muchos espectrómetros compactos, donde un conjunto de detectores lineales captura el espectro disperso sin partes móviles.

La resolución espectral depende de la longitud de la base del prisma y de la curva de dispersión del material. Un camino óptico más largo a través del vidrio aumenta la separación física entre longitudes de onda. Por ejemplo, un prisma con una base de 30 mm normalmente puede resolver las líneas D de sodio (589,0 nm y 589,6 nm) cuando se combina con una rendija de entrada estrecha. Este principio sigue siendo la columna vertebral de los monocromadores de prisma utilizados en sistemas de medición de absorbancia y fluorescencia.

Reflexión interna total y control de imagen

Los prismas reflectantes aprovechan la reflexión interna total (TIR) para redirigir la luz sin recubrimientos metálicos. Cuando la luz dentro del vidrio incide sobre una superficie en un ángulo mayor que el ángulo crítico, Se produce 100% de reflexión. . Para N-BK7, el ángulo crítico es sólo aproximadamente 41,2° para la interfaz vidrio-aire. Un prisma de ángulo recto recibe luz colimada normal a un cateto, la refleja a 45° en la hipotenusa y la envía por el otro cateto con un pliegue preciso de 90°. Debido a que la incidencia de 45° excede el ángulo crítico, no se necesita ningún recubrimiento reflectante, lo que preserva el alto rendimiento y elimina la absorción de metal.

Prismas más especializados gestionan la orientación de la imagen. Un pentaprisma ofrece una desviación constante de 90° independientemente de pequeños errores de alineación y no invierte ni invierte la imagen; dos reflejos internos, uno de los cuales debe estar recubierto, logran esto. Un prisma Dove gira una imagen dos veces el ángulo de rotación del propio prisma, lo que lo hace útil en el escaneo con rayo láser y la desrotación de imágenes. Los retrorreflectores de cubo de esquina devuelven la luz exactamente a lo largo de la trayectoria incidente, una propiedad explotada en el alcance del láser lunar y la alineación industrial, con una precisión de retorno a menudo mejor que la 5 segundos de arco cuando se fabrica con tolerancias estrictas.

Especificación de un prisma: material, tamaño y tolerancias

Elegir el prisma adecuado para una configuración óptica real requiere traducir las necesidades de la aplicación en parámetros mensurables. La siguiente lista captura las especificaciones críticas que aparecen en un dibujo u hoja de datos típicos.

• Materiales : haga coincidir la ventana de transmisión con su longitud de onda. BK7 funciona desde 350 nm hasta 2 μm; La sílice fundida UV se extiende hasta 185 nm; ZnSe es adecuado para sistemas de infrarrojos de 0,6 a 16 μm.
• Planitud de la superficie : λ/4 a 633 nm es el estándar para la obtención de imágenes; Se necesita λ/10 o mejor para el uso interferométrico para preservar la calidad del frente de onda.
• Calidad de la superficie (raspar-excavar) : 60-40 es aceptable para muchos sistemas de iluminación; 40-20 o 20-10 reduce la dispersión en las trayectorias del láser.
• ungle Tolerance : ±3 minutos de arco es un valor de uso general; Los pentaprismas de precisión a menudo requieren ±30 segundos de arco para garantizar una desviación constante de 90°.
• Apertura clara : Generalmente se especifica al menos el 80% de la dimensión de la cara del prisma para evitar defectos en los bordes y distorsiones inducidas por el montaje.
• Recubrimiento : Los revestimientos antirreflectantes de banda ancha, como el MgF₂, pueden aumentar la transmisión a más del 99% por superficie ; Las caras reflectantes pueden utilizar plata protegida para obtener >96 % de reflectividad en lo visible.

Mejores prácticas de montaje y alineación

El rendimiento óptico de un prisma puede degradarse rápidamente si está estresado o desalineado. Las pautas prácticas de manejo ayudan a mantener la calidad del haz especificada en el dibujo.

1. Utilice soportes cinemáticos o semicinemáticos que apliquen una suave presión de resorte contra los bordes rectificados, no contra las caras pulidas. Esto evita la birrefringencia de tensión que distorsionaría la polarización.
2. Alinee el prisma con un autocolimador o un interferómetro de placa de corte para verificar que el ángulo del haz de salida coincida con el valor de diseño dentro de la tolerancia.
3. Limpie las superficies con un pañuelo de papel sin pelusa e isopropanol de grado reactivo; evite limpiar en seco, lo que puede generar rayones que dispersan la luz.
4. Bloquee los reflejos fantasma y TIR no deseados con deflectores anodizados en negro, especialmente en cadenas de múltiples prismas.

Cuando un sistema requiere que se gire un prisma, como ocurre con un prisma Dove para la rotación de la imagen, la montura debe centrar el prisma con precisión en el eje de rotación. Un descentramiento radial de incluso 0,1 milímetros puede provocar una desviación del haz que desplace la imagen en el detector, lo que socava la repetibilidad de la medición.

Solución de problemas comunes

Incluso un prisma bien especificado puede producir artefactos inesperados. Los reflejos fantasma de las superficies sin recubrir a menudo aparecen como puntos débiles desplazados; La aplicación de una buena capa de AR reduce su intensidad en dos órdenes de magnitud. Una desviación aparente del haz que excede la tolerancia del ángulo del prisma frecuentemente proviene de un adaptador de montaje en cuña en lugar del prisma en sí; verificar el soporte con un indicador de cuadrante generalmente identifica la fuente. En los sistemas láser de alta potencia, la absorción masiva puede crear una lente térmica: un prisma de sílice fundida muestra una deriva térmica mucho menor que el BK7, con un coeficiente térmico de índice de refracción de aproximadamente diez veces más pequeño , preservando la estabilidad de la orientación de la viga bajo cargas variables.

Seleccionar el prisma correcto depende de comprender su geometría y material. Con una especificación y un montaje cuidadosos, los prismas ofrecen una manipulación del haz confiable y sin alineación en instrumentos que van desde espectroscopios portátiles hasta estaciones de medición láser satelitales.