Optický hranol: Ako to funguje, typy a sprievodca výberom

Refrakcia a geometria odchýlky

Svetlo vstupujúce do hranola mení rýchlosť a smer, pretože index lomu skla prevyšuje index lomu vzduchu. Nasleduje vzťah n₁ sin θ₂ = n₂ sin θ₂ , kde θ sa meria od normály povrchu. Lúč prechádzajúci hranolom s vrcholovým uhlom A zažíva celkovú odchýlku δ = i₁ i₂ – A, pričom i₁ a i₂ sú vstupné a výstupné uhly. Pri podmienke minimálnej odchýlky lúč prechádza symetricky a index lomu možno vypočítať priamo z n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2). Táto vlastnosť umožňuje presné meranie disperzie materiálu.

Výber materiálu určuje veľkosť odchýlky a šírenie vlnovej dĺžky. Bežné borosilikátové korunové sklo (ekvivalent N-BK7) má n _d = 1,5168 pri 587,6 nm a Abbeovo číslo V _d = 64,17 , čo naznačuje mierny rozptyl. Pre ultrafialové aplikácie sa používa tavený oxid kremičitý UV triedy (č _d = 1,4585, V _d = 67,8) ponúka vyšší prenos pod 350 nm a nižšiu tepelnú rozťažnosť. Rozdiel v indexe lomu medzi týmito dvoma materiálmi mení odchýlku o niekoľko stupňov pri rovnakom vrcholovom uhle, čo je kritický faktor pri navrhovaní systému.

Typy hranolov a ich funkcie

Každá geometria využíva buď lom alebo odraz na dosiahnutie opakovateľnej zmeny uhla. Vyššie uvedená tabuľka zdôrazňuje definujúci vrcholový uhol a primárnu optickú úlohu. Zatiaľ čo rovnostranný hranol je optimalizovaný pre rozptyl, pravouhlý hranol využíva úplný vnútorný odraz na ohyb lúča o 90° bez povlakov pri použití s ​​kolimovaným svetlom.

Disperzia a spektrálne rozlíšenie

Keď biele svetlo prechádza hranolom, každá vlnová dĺžka sa láme pod trochu iným uhlom, pretože index lomu klesá so zvyšujúcou sa vlnovou dĺžkou. Pre typického 60° rovnostranný hranol vyrobený z N-BK7, uhlové rozpätie od 400 nm do 700 nm dosahuje cca 0,5° . Rýchlosť zmeny odchýlky s vlnovou dĺžkou, uhlová disperzia dδ/dλ, je približne 0,08°/nm pri 500 nm za ten istý pohár. Táto separačná sila je dostatočná pre mnohé kompaktné spektrometre, kde lineárne pole detektorov zachytáva rozptýlené spektrum bez pohyblivých častí.

Spektrálne rozlíšenie závisí od dĺžky základne hranola a disperznej krivky materiálu. Dlhšia optická dráha cez sklo zvyšuje fyzické oddelenie medzi vlnovými dĺžkami. Napríklad hranol s 30 mm základňou môže typicky rozlíšiť sodíkové D-čiary (589,0 nm a 589,6 nm) v kombinácii s úzkou vstupnou štrbinou. Tento princíp zostáva základom hranolových monochromátorov používaných v systémoch merania absorbancie a fluorescencie.

Celkový vnútorný odraz a kontrola obrazu

Reflexné hranoly využívajú totálny vnútorný odraz (TIR) na presmerovanie svetla bez kovových povlakov. Keď svetlo vo vnútri skla dopadá na povrch pod uhlom väčším ako je kritický uhol, Dochádza k 100% odrazu . Pre N-BK7 je len kritický uhol približne 41,2° pre rozhranie sklo-vzduch. Pravouhlý hranol prijíma kolimované svetlo normálne na jednu nohu, odráža ho pod uhlom 45° v prepone a vysiela ho na druhú nohu s presným 90° záhybom. Pretože 45° dopad presahuje kritický uhol, nie je potrebná žiadna reflexná vrstva, čím sa zachováva vysoká priepustnosť a eliminuje sa absorpcia kovu.

Špecializovanejšie hranoly riadia orientáciu obrazu. Penta hranol poskytuje konštantnú odchýlku 90° bez ohľadu na malé chyby zarovnania a neobracia ani neobráti obraz – dosahujú to dva vnútorné odrazy, z ktorých jeden musí byť pokrytý. Hranol Dove otáča obraz o dvojnásobok vlastného uhla natočenia hranola, vďaka čomu je užitočný pri skenovaní laserovým lúčom a derotácii obrazu. Rohové kockové retroreflektory vracajú svetlo presne pozdĺž dráhy dopadu, čo je vlastnosť využívaná pri lunárnom laserovom dosahu a priemyselnom zarovnaní, s presnosťou návratu často lepšou ako 5 oblúkových sekúnd pri výrobe s úzkymi toleranciami.

Určenie hranola: materiál, veľkosť a tolerancie

Výber správneho hranola pre skutočné nastavenie optiky vyžaduje previesť potreby aplikácie do merateľných parametrov. Nasledujúci zoznam zachytáva kritické špecifikácie, ktoré sa objavujú na typickom výkrese alebo údajovom hárku.

• Materiál : Prispôsobte prenosové okno vašej vlnovej dĺžke. BK7 pracuje od 350 nm do 2 μm; UV tavený oxid kremičitý siaha až do 185 nm; ZnSe je vhodný pre infračervené systémy 0,6–16 μm.
• Rovinnosť povrchu : λ/4 pri 633 nm je štandard pre zobrazovanie; Na interferometrické použitie je potrebný λ/10 alebo lepší, aby sa zachovala kvalita čela vlny.
• Kvalita povrchu (Scratch-Dig) : 60-40 je prijateľný pre mnohé osvetľovacie systémy; 40-20 alebo 20-10 znižuje rozptyl v laserových dráhach.
• Uhlová tolerancia : ±3 oblúkové minúty je hodnota na všeobecné použitie; presné penta hranoly často vyžadujú ±30 oblúkových sekúnd, aby sa zaručila konzistentná odchýlka 90°.
• Clear Aperture : Obvykle je špecifikovaných aspoň 80 % rozmeru čela hranola, aby sa predišlo okrajovým defektom a deformácii spôsobenej montážou.
• Náter : Širokopásmové antireflexné vrstvy ako MgF₂ môžu zvýšiť prenos do viac ako 99 % na povrch ; reflexné plochy môžu používať chránené striebro pre odrazivosť > 96 % vo viditeľnom prostredí.

Najlepšie postupy montáže a zarovnania

Optický výkon hranola sa môže rýchlo zhoršiť, ak je namáhaný alebo nesprávne zarovnaný. Praktické pokyny pre manipuláciu pomáhajú udržiavať kvalitu lúča špecifikovanú na výkrese.

1. Používajte kinematické alebo semikinematické držiaky, ktoré vyvíjajú jemný tlak pružiny na brúsené hrany, nie na leštené plochy. Tým sa zabráni dvojlomu stresu, ktorý by skresľoval polarizáciu.
2. Zarovnajte hranol s autokolimátorom alebo interferometrom so šmykovou doskou, aby ste overili, že uhol výstupného lúča zodpovedá konštrukčnej hodnote v rámci tolerancie.
3. Očistite povrchy handričkou nepúšťajúcou vlákna a izopropanolom v kvalite reagencií; vyhnite sa suchému utieraniu, ktoré môže spôsobiť škrabance, ktoré rozptyľujú svetlo.
4. Blokujte neúmyselné odrazy TIR a duchov pomocou čierno eloxovaných prepážok, najmä v reťaziach s viacerými hranolmi.

Keď systém vyžaduje otáčanie hranola, ako je to v prípade hranola Dove na otáčanie obrazu, musí držiak presne vycentrovať hranol na os otáčania. Rovnomerné radiálne hádzanie 0,1 mm môže spôsobiť výpadok lúča, ktorý posunie obraz na detektore, čím sa zníži opakovateľnosť merania.

Riešenie bežných problémov

Dokonca aj dobre špecifikovaný hranol môže produkovať neočakávané artefakty. Odrazy duchov od nepotiahnutých povrchov sa často javia ako slabé posunuté škvrny; aplikovanie dobrého AR povlaku znižuje ich intenzitu o dva rády. Zjavná odchýlka lúča, ktorá presahuje uhlovú toleranciu hranola, často pochádza skôr z klinového montážneho adaptéra než zo samotného hranola – kontrola držiaka pomocou číselníka zvyčajne identifikuje zdroj. Vo vysokovýkonných laserových systémoch môže objemová absorpcia vytvoriť tepelnú šošovku: hranol z taveného oxidu kremičitého vykazuje oveľa nižší tepelný drift ako BK7, s tepelným koeficientom indexu lomu približne desaťkrát menšie , ktorá zachováva stabilitu smerovania lúča pri premenlivom zaťažení.

Výber správneho hranola závisí od pochopenia jeho geometrie a materiálu. Pri dôkladnej špecifikácii a montáži hranoly poskytujú spoľahlivú manipuláciu s lúčom bez zarovnania v prístrojoch od ručných spektroskopov až po satelitné laserové stanice.