Prisma Optik: Cara Kerja, Jenis, dan Panduan Pemilihan

Refraksi dan Geometri Deviasi

Cahaya yang memasuki prisma berubah kecepatan dan arahnya karena indeks bias kaca melebihi indeks bias udara. Hubungannya mengikuti n₁ dosa θ₁ = n₂ dosa θ₂ , dimana θ diukur dari permukaan normal. Sinar melintasi prisma dengan sudut puncak A mengalami simpangan total δ = i₁ i₂ – A, dengan i₁ dan i₂ sebagai sudut masuk dan sudut keluar. Pada kondisi deviasi minimum, sinar melintas secara simetris, dan indeks bias dapat dihitung langsung dari n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2). Properti ini memungkinkan pengukuran dispersi material secara tepat.

Pilihan material mengatur jumlah deviasi dan penyebaran panjang gelombang. Kaca mahkota borosilikat yang umum (setara N-BK7) memiliki n _d = 1,5168 pada 587,6 nm dan nomor Abbe V _d = 64,17 , menunjukkan dispersi sedang. Untuk aplikasi ultraviolet, silika leburan tingkat UV (n _d = 1,4585,V _d = 67,8) menawarkan transmisi lebih tinggi di bawah 350 nm dan ekspansi termal lebih rendah. Perbedaan indeks bias antara kedua bahan mengubah deviasi beberapa derajat pada sudut puncak yang sama, yang merupakan faktor penting ketika merancang suatu sistem.

Jenis-Jenis Prisma dan Fungsinya

Setiap geometri memanfaatkan refraksi atau refleksi untuk mencapai perubahan sudut yang berulang. Tabel di atas menyoroti sudut puncak yang menentukan dan pekerjaan optik utama. Sementara prisma sama sisi dioptimalkan untuk dispersi, prisma sudut kanan memanfaatkan refleksi internal total untuk melipat balok sebesar 90° tanpa lapisan saat digunakan dengan cahaya terkolimasi.

Dispersi dan Resolusi Spektral

Ketika cahaya putih melewati prisma, setiap panjang gelombang dibiaskan pada sudut yang sedikit berbeda karena indeks bias menurun seiring bertambahnya panjang gelombang. Untuk tipikal Prisma sama sisi 60° terbuat dari N-BK7, penyebaran sudut dari 400 nm hingga 700 nm mencapai sekitar 0,5° . Laju perubahan deviasi terhadap panjang gelombang, dispersi sudut dδ/dλ, kira-kira 0,08°/nm pada 500 nm untuk gelas yang sama. Kekuatan pemisahan ini cukup untuk banyak spektrometer kompak, dimana susunan detektor linier menangkap spektrum tersebar tanpa bagian yang bergerak.

Resolusi spektral bergantung pada panjang alas prisma dan kurva dispersi material. Jalur optik yang lebih panjang melalui kaca meningkatkan pemisahan fisik antar panjang gelombang. Misalnya, prisma dengan alas 30 mm biasanya dapat menyelesaikan garis natrium D (589,0 nm dan 589,6 nm) bila dikombinasikan dengan celah masuk yang sempit. Prinsip ini tetap menjadi tulang punggung monokromator prisma yang digunakan dalam sistem pengukuran serapan dan fluoresensi.

Refleksi Internal Total dan Kontrol Gambar

Prisma reflektif memanfaatkan refleksi internal total (TIR) untuk mengarahkan cahaya tanpa lapisan logam. Ketika cahaya di dalam kaca mengenai permukaan dengan sudut lebih besar dari sudut kritis, Refleksi 100% terjadi . Untuk N-BK7, sudut kritisnya saja sekitar 41,2° untuk antarmuka kaca-udara. Sebuah prisma siku-siku menerima cahaya terkolimasi normal pada satu kaki, memantulkannya pada sudut 45° di sisi miring, dan mengirimkannya ke kaki lainnya dengan lipatan tepat 90°. Karena kejadian 45° melebihi sudut kritis, tidak diperlukan lapisan reflektif, sehingga menjaga hasil yang tinggi dan menghilangkan penyerapan logam.

Prisma yang lebih khusus mengatur orientasi gambar. Prisma penta menghasilkan deviasi 90° yang konstan terlepas dari kesalahan penyelarasan kecil dan tidak membalikkan atau membalikkan gambar—dua refleksi internal, yang salah satunya harus dilapisi, dapat mencapai hal ini. Prisma Dove memutar gambar dua kali sudut rotasi prisma, sehingga berguna dalam pemindaian sinar laser dan derotasi gambar. Retroreflektor kubus sudut mengembalikan cahaya tepat di sepanjang jalur kejadian, sebuah properti yang dimanfaatkan dalam jangkauan laser bulan dan penyelarasan industri, dengan akurasi pengembalian yang seringkali lebih baik daripada 5 detik busur ketika dibuat dengan toleransi yang ketat.

Menentukan Prisma: Bahan, Ukuran, dan Toleransi

Memilih prisma yang tepat untuk pengaturan optik nyata memerlukan penerjemahan kebutuhan aplikasi ke dalam parameter yang dapat diukur. Daftar berikut berisi spesifikasi penting yang muncul pada gambar atau lembar data biasa.

• Bahan : Cocokkan jendela transmisi dengan panjang gelombang Anda. BK7 bekerja dari 350 nm hingga 2 μm; Silika leburan UV memanjang hingga 185 nm; ZnSe cocok untuk sistem inframerah 0,6–16 μm.
• Kerataan Permukaan : λ/4 pada 633 nm adalah standar untuk pencitraan; λ/10 atau lebih baik diperlukan untuk penggunaan interferometri guna menjaga kualitas muka gelombang.
• Kualitas Permukaan (Penggalian Goresan) : 60-40 dapat diterima untuk banyak sistem penerangan; 40-20 atau 20-10 mengurangi penyebaran di jalur laser.
• Sebuahgle Tolerance : ±3 menit busur adalah nilai tujuan umum; prisma penta presisi seringkali memerlukan ±30 detik busur untuk menjamin deviasi 90° yang konsisten.
• Hapus Apertur : Setidaknya 80% dari dimensi muka prisma biasanya ditentukan untuk menghindari cacat tepi dan distorsi akibat pemasangan.
• Pelapisan : Lapisan anti-pantulan broadband seperti MgF₂ dapat meningkatkan transmisi lebih dari 99% per permukaan ; permukaan reflektif dapat menggunakan perak terlindung untuk reflektifitas >96% pada cahaya tampak.

Praktik Terbaik Pemasangan dan Penyelarasan

Performa optik prisma dapat menurun dengan cepat jika diberi tekanan atau tidak sejajar. Pedoman penanganan praktis membantu menjaga kualitas sinar yang ditentukan pada gambar.

1. Gunakan dudukan kinematik atau semi-kinematis yang memberikan tekanan pegas lembut pada tepi tanah, bukan pada permukaan yang dipoles. Hal ini mencegah birefringence stres yang akan mendistorsi polarisasi.
2. Sejajarkan prisma dengan autocollimator atau interferometer pelat geser untuk memverifikasi sudut sinar keluar sesuai dengan nilai desain dalam toleransi.
3. Bersihkan permukaan dengan tisu bebas serat dan isopropanol tingkat reagen; hindari menyeka kering, karena dapat menimbulkan goresan yang menyebarkan cahaya.
4. Blokir pantulan TIR dan hantu yang tidak diinginkan dengan penyekat anodisasi hitam, terutama pada rantai multiprisma.

Ketika suatu sistem memerlukan prisma untuk diputar, seperti prisma Dove untuk rotasi gambar, dudukan harus memusatkan prisma tepat pada sumbu rotasi. Runout radial genap 0,1 mm dapat menyebabkan beam walk-off yang menggeser gambar pada detektor, sehingga mengganggu kemampuan pengulangan pengukuran.

Memecahkan Masalah Umum

Bahkan prisma yang ditentukan dengan baik dapat menghasilkan artefak yang tidak terduga. Pantulan hantu dari permukaan yang tidak dilapisi sering kali tampak sebagai titik samar yang berpindah; menerapkan lapisan AR yang baik mengurangi intensitasnya hingga dua kali lipat. Penyimpangan sinar yang jelas melebihi toleransi sudut prisma sering kali berasal dari adaptor pemasangan yang terjepit, bukan dari prisma itu sendiri—memeriksa dudukan dengan indikator dial biasanya dapat mengidentifikasi sumbernya. Dalam sistem laser berdaya tinggi, penyerapan massal dapat menghasilkan lensa termal: prisma silika yang menyatu menunjukkan penyimpangan termal yang jauh lebih rendah daripada BK7, dengan koefisien termal indeks bias sekitar sepuluh kali lebih kecil , menjaga stabilitas penunjuk sinar di bawah beban yang bervariasi.

Memilih prisma yang tepat bergantung pada pemahaman geometri dan materialnya. Dengan spesifikasi dan pemasangan yang cermat, prisma menghasilkan manipulasi sinar yang andal dan bebas penyelarasan pada instrumen mulai dari spektroskop genggam hingga stasiun jangkauan laser satelit.