Optisches Prisma

Optisches Prisma: Ablenkung, Dispersion und interne Totalreflexion

Ein optisches Prisma ist ein transparenter Körper mit ebenen, polierten Flächen, der aus Glas oder Kristall geschliffen ist und dessen präzise Geometrie das Verhalten des Lichts bestimmt, das es durchdringt oder an dem es reflektiert wird. Es handelt sich nicht um ein einfaches Stück Glas: Die Winkelabweichung zwischen den Flächen, ausgedrückt in Bogensekunden, bestimmt direkt die Qualität des endgültigen Bildes. Bei einer Abweichung von 30 Bogensekunden bei einem rechtwinkligen Prisma entsteht ein Ausrichtungsfehler von 0,25 mrad im Strahl – vernachlässigbar für dekorative Zwecke, jedoch unzumutbar für eine interferometrische Anordnung.

Newton verwendete 1666 ein dreieckiges Glasprisma, um die Zerlegung des weißen Lichts in das sichtbare Spektrum zwischen 380 nm (Violett) und 700 nm (Rot) zu demonstrieren. Das Prinzip hat sich nicht geändert. Was sich geändert hat, ist die Präzision der Materialien und die Vielfalt der verfügbaren Geometrien, wobei jede Prismenfamilie ein spezifisches optisches Problem löst.

Arten von optischen Prismen und ihre praktischen Anwendungen

Rechtwinkliges Prisma und Porro-Prisma

Das rechtwinklige Prisma nutzt in seiner einfachsten Ausführung die interne Totalreflexion an der Glas-Luft-Grenzfläche, wenn der Einfallswinkel den kritischen Winkel überschreitet. Für BK7 (Brechungsindex nd = 1,5168) beträgt dieser Winkel 41,2°. Das Ergebnis: eine Reflexion von über 99,9 % ohne Metallbeschichtung, also kein problematischer Phasenverlust im sichtbaren Wellenlängenbereich. Genau das leistet das Porro-Prisma in einem Fernglas seit 1854, als Ignazio Porro das Patent für das nach ihm benannte binokulare System anmeldete. Zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Prismen versetzen die optische Achse seitlich und kehren das Bild zweimal um, wodurch ein aufrechtes und seitenrichtiges Bild mit verlängertem optischen Weg entsteht, ohne die physikalische Länge des Instruments zu vergrößern.

Fünfeckprisma (Pentaprisma)

Das Pentaprisma lenkt den Strahl um 90° ab, ohne das Bild umzukehren, unabhängig von seiner Ausrichtung. Diese Eigenschaft verschafft ihm seit den 1950er Jahren einen unersetzlichen Platz in Spiegelreflexsuchern: Die Contax S von 1949 war die erste 35-mm-Kamera, die damit ausgestattet war. In der Lasermesstechnik dient es dazu, rechte Winkel mit einer Genauigkeit von weniger als 1 Bogensekunde zu ermitteln, ohne dass eine vorherige Ausrichtung des Prismas selbst erforderlich ist.

Dove-Prisma und Amici-Dachkantprisma

Das Dove-Prisma dreht das Bild doppelt so schnell wie es sich selbst dreht. In einem Dreharm angebracht, ermöglicht es die Ausrichtung eines Bildes um 360°, wobei das Prisma selbst nur um 180° gedreht werden muss. Das Amici-Prisma hingegen kombiniert ein Dachprisma mit zwei 90°-Facetten, die das Bild aufrichten, ohne es seitlich zu verschieben. Es kommt in terrestrischen astronomischen Fernrohren und in Endoskopen zum Einsatz, bei denen der Längsraum kritisch ist.

Dispersionsprisma für die Spektroskopie

Gleichseitige Dreiecksprismen (60°) werden in der Spektroskopie eingesetzt, wenn das Beugungsgitter nicht geeignet ist, insbesondere im tiefen UV-Bereich oder bei hohen Laserleistungen. Die Dispersionskraft hängt vom Glas ab: Ein Prisma aus Flint-Glas F2 hat eine Abbe-Zahl von 36,4 gegenüber 64,2 bei BK7, was bedeutet, dass das F2 das sichtbare Spektrum stärker aufspreizt, aber mehr chromatische Aberration in eine Linse einbringt. Die Wahl zwischen den beiden hängt vom Kompromiss zwischen spektraler Auflösung und Transmission ab.

Materialien: BK7, Quarzglas und Infrarot-Alternativen

Das Borosilikat BK7 ist das Referenzmaterial für 80 % der optischen Prismen im sichtbaren Bereich. Seine Durchlässigkeit reicht von 330 nm bis 2.100 nm, seine Homogenität entspricht typischerweise der Klasse H3 gemäß der Norm ISO 10110, und sein Preis ist erschwinglich. Es eignet sich für nahezu alle Anwendungen im sichtbaren Licht und im nahen Infrarot.

Quarzglas (Fused Silica) kommt zum Einsatz, sobald der UV-Bereich unterhalb von 330 nm benötigt wird. Es lässt Licht ab 185 nm durch, ist sehr widerstandsfähig gegenüber ultravioletten Laserimpulsen und sein thermischer Ausdehnungskoeffizient ist zehnmal geringer als der von BK7 (0,55 × 10⁻⁶ K⁻¹ gegenüber 7,1 × 10⁻⁶ K⁻¹). Für ein Prisma, das in einem UV-Spektrometer oder in einer Femtosekunden-Laseranlage zum Einsatz kommt, ist es trotz der zwei- bis fünfmal höheren Kosten die Standardwahl.

• ZnSe: mittleres Infrarot von 0,6 µm bis 16 µm, unverzichtbar für CO₂-Laser bei 10,6 µm, jedoch mechanisch empfindlich (Knoop-Härte: 120)
• CaF₂: UV bei 130 nm bis IR bei 10 µm, wird in der Deep-UV-Lithografie und in der UV-Raman-Spektroskopie verwendet
• Germanium: thermisches Infrarot von 2 µm bis 14 µm, im sichtbaren Bereich undurchlässig, sehr hoher Brechungsindex (n = 4,0), der eine Antireflexbeschichtung zwingend erforderlich macht

So wählen Sie ein optisches Prisma aus: konkrete Kaufkriterien

Zunächst die Geometrie: Bestimmen Sie die Funktion (Ablenkung, Bildaufrichtung, Dispersion, Drehung), bevor Sie nach dem Material suchen. Ein rechtwinkliges Standardprisma aus poliertem BK7 (λ/4) deckt 95 % der Anforderungen in der Bildgebung und bei gängigen optischen Aufbauten ab.

Als Nächstes die Oberflächenqualität. Die Angabe λ/10 bedeutet, dass die maximale Abweichung von der Ebenheit jeder Fläche weniger als ein Zehntel der Wellenlänge bei 633 nm beträgt, also 63 nm. Für eine interferometrische Anordnung oder einen Hochleistungslaser ist λ/20 oder besser erforderlich. Für eine Lehranordnung oder den Einsatz in der Fotografie reicht λ/4 völlig aus. Es macht keinen Sinn, für eine Toleranz zu bezahlen, die Ihre Anwendung gar nicht nutzen kann.

Die Antireflexbeschichtung (AR) reduziert die unerwünschten Reflexionen an jeder Grenzfläche von 4 % (Fresnel-Reflexion, ohne Beschichtung auf BK7) auf weniger als 0,25 % pro Fläche mit einer für den Einsatzbereich optimierten Mehrschichtbeschichtung aus MgF₂ + ZrO₂. Bei einem Prisma mit sechs aktiven Flächen entspricht dies einem Unterschied zwischen einer Gesamtdurchlässigkeit von 78 % und 98,5 %.

Optisches Prisma für Bildung, wissenschaftliche Freizeitaktivitäten und den professionellen Einsatz

Ein dreieckiges Prisma aus Borosilikatglas mit einer Seitenlänge von 50 mm und ausreichender optischer Qualität kostet für den Einsatz in der Lehre oder in der Fotografie zwischen 15 und 40 €. Bei diesem Preis werden Winkeltoleranzen selten angegeben und die Polierqualität ist unterschiedlich. Für den Einsatz in reproduzierbaren optischen Aufbauten kostet ein BK7-Prisma mit einer Spezifikation von λ/4 und einer Winkeltoleranz von 3 Bogenminuten je nach Größe zwischen 40 und 120 €.

In der Amateurastronomie dienen 90°-Rechtwinkelprismen als Umlenkspiegel, um unbequeme Beobachtungspositionen im Zenit zu vermeiden. Ein AR-beschichtetes Modell für den Wellenlängenbereich 450–750 nm mit Einbau in eine 31,75-mm- oder 50,8-mm-Hülse ist eine gängige Anschaffung. Der Unterschied zwischen einem preiswerten und einem hochwertigen Prisma lässt sich an den Rändern heller Sterne erkennen: Ein schlechtes Prisma verursacht bei starker Vergrößerung eine sichtbare laterale Koma.

Welchen Unterschied gibt es zwischen einem BK7-Prisma und einem Prisma aus geschmolzenem Quarz für meine Anwendung?

Das BK7 deckt den Bereich von 330 nm bis 2.100 nm ab und eignet sich für alle Anwendungen im sichtbaren Bereich oder im nahen Infrarot. Geschmolzenes Quarz reicht bis 185 nm hinab und ist widerstandsfähiger gegen Temperaturschocks und intensive UV-Impulse. Wenn Sie ausschließlich im sichtbaren Licht arbeiten, ist das BK7 ausreichend und zwei- bis fünfmal günstiger. Wenn Ihre Lichtquelle im UV-Bereich (unterhalb von 330 nm) emittiert oder Sie einen Femtosekundenlaser verwenden, ist geschmolzenes Quarzglas zwingend erforderlich.

Welche Winkeltoleranz sollte man für ein Spektroskopie- oder Messtechnikprisma wählen?

Für die Laborspektroskopie oder die Lasermesstechnik sollten Sie eine Winkeltoleranz von 10 bis 30 Bogensekunden und eine Oberflächenqualität von λ/10 anstreben. Bei mehr als 1 Bogenminute werden Ausrichtungsfehler in Aufbauten mit großer Brennweite wahrnehmbar. Für den Einsatz im Unterricht oder in der Fotografie sind 3 bis 5 Bogenminuten akzeptabel und mit deutlich geringeren Kosten verbunden.

Porro-Prisma oder Dachkantprisma für kompakte Ferngläser?

Das Porro-Prisma erzeugt einen etwas höheren Kontrast, da die interne Totalreflexion keine Phasenbeschichtung erfordert. Es vermittelt dank des Abstands zwischen den Objektiven zudem einen stärkeren Tiefeneindruck. Allerdings erfordert es ein breiteres Gehäuse. Das Dachkantprisma ermöglicht einen kompakteren und dichteren geraden Tubus, erfordert jedoch eine Phasenbeschichtung (P-Coating), um den Kontrast aufrechtzuerhalten: Achten Sie bei jedem Dachkantfernglas über 200 € darauf, dass diese vorhanden ist.

Kann ein optisches Prisma mit einem Hochleistungslaser verwendet werden?

Ja, vorausgesetzt, die Schadensschwelle (LIDT) des Materials und der Beschichtung wird eingehalten. Bei einem Dauerstrichlaser mit 532 nm hält unbehandeltes BK7 etwa 500 W/cm² stand; eine minderwertige AR-Beschichtung senkt diesen Schwellenwert auf 300–400 W/cm², wenn sie nicht ordnungsgemäß spezifiziert ist. Bei gepulsten Lasern (ns, ps, fs) ist die Spitzenenergiedichte der kritische Parameter: Geschmolzenes Quarzglas und LIDT-zertifizierte Beschichtungen sind oberhalb von einigen Dutzend mJ/cm² unverzichtbar.