Foucault-Prisma

Das Foucault-Prisma, auch foucaultsches Prisma (nach Léon Foucault), ist ein auf Doppelbrechung und Totalreflexion basierender Polarisator, der unpolarisiertes Licht linear polarisiert (p-Polarisation, d. h., die Polarisationsebene ist in der Einfallsebene). Das Prinzip ähnlich dem Nicol-Prisma wurde 1857 von Foucault vorgestellt.

Strahlverlauf im Foucault-Prisma. Die optische Achse (OA) der Kalkspatprismen liegt in der Zeichnungsebene. Die dem außerordentlichen Strahl überlagerten vertikalen Pfeile deuten die Polarisationsrichtung parallel zur OA an, die Punkte auf dem ordentlichen Strahl die Polarisation senkrecht dazu.

Aufbau

Das Foucault-Prisma ist ein modifiziertes Nicol-Prisma, bei dem die Zwischenschicht aus Kanadabalsam durch Luft ersetzt wurde. Die Vorgehensweise bei der Herstellung ist daher weitgehend identisch, siehe Nicol-Prisma. Da die Brechungsindex von Luft immer kleiner ist als die Brechungsindex für den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl, muss der Schnittwinkel so gewählt werden, dass der Einfallswinkel auf die Schnittfläche für den ordentlichen Strahl größer und für den außerordentlichen Strahl kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion. Andernfalls erfolgt keine klare Strahltrennung unter Nutzung der Totalreflexion.

Foucault gab den Schnittwinkel mit 59° bzw. ein Seitenverhältnis von 5:4 (Länge zu Höhe) an. Neuere Werke zu Polarisationsprismen geben hingegen 51° an, was in sinnvollere Werte für den Strahlverlauf zeigt, siehe unten. In beiden Fällen liegt der Schnittwinkel näherungsweise parallel zur optischen Achse und die Länge des Prismas kann deutlich reduziert werden (das Längenverhältnis ist immer 1,5:1 oder kleiner). Der Materialbedarf ist ca. ein Drittel des Nicol-Prismas und ist damit vor allem bei Prismen für große Strahldurchmesser deutlich günstiger.

Funktionsweise und Eigenschaften

Fällt ein parallel zu den langen Seitenflächen verlaufender Lichtstrahl (Im Beispiel mit der Wellenlänge 589 nm, Natrium-D-Linie) auf die linke Stirnfläche, wird er gemäß dem Brechungsgesetz gebrochen. Der Einfallswinkel auf der Stirnfläche beträgt 22° (= 90° − 68° Neigung der Stirnfläche). Aufgrund der doppelbrechenden Eigenschaften von Kalkspat und der Tatsache, dass die Stirnfläche senkrecht auf der optischen Achse steht, spaltet sich der einfallende Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen auf: dem ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl. Aufgrund unterschiedlicher Brechzahlen ergeben sich die Brechungswinkel 13,06° für den ordentlichen Strahl (n_o = 1,658) und 14,6° für den außerordentlichen Strahl (n_ao = 1,486).

Durch die Winkelbeziehung der Stirnflächen zur Schnittfläche fällt der ordentliche Strahl mit 37,94° (= 51° − 13,06°) auf die Schnittfläche (Grenzfläche zu Luft) ein. Dies ist größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion von 37,1°. Der ordentliche Strahl wird daher totalreflektiert und tritt an einer Seitenfläche aus dem Prisma aus.

Der außerordentliche Strahl trifft hingegen mit einem Winkel von 36,4° (= 51° − 14,6°) als p-polarisierte Strahl auf die Schnittfläche. Dies ist kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion von 42,3° und der außerordentliche Strahl wird an der Grenzfläche normal gebrochen (23,5°), aber auch teilweise in reflektiert (Reflexionsgrad R = 0,5 %). Der transmittierte Teil wird nochmals an der Schnittfläche zum zweiten Prismateil gebrochen (und teilweise reflektiert) und tritt als parallel zur optischen Achse linear polarisierter Strahl, leicht versetzt zum einfallenden Strahl an der zweiten Stirnfläche aus dem Prisma aus.

Da die Begrenzungen durch das Kanadabalsam entfallen zeigt das Foucault-Prisma bessere Eigenschaften für ultraviolettes Licht und höheren Strahlungsleistungen als das Nicol-Prisma. Jedoch weisen Polarisationsprismen mit Luft als Zwischenmedium generell kleinere Akzeptanzwinkel für die Konvergenz eines Strahlenbündels, diese beträgt beim Foucault-Prisma nur noch 8°. Zudem ist es schwieriger das Prisma in eine Fassung einzubauen und die Mehrfachreflexionen in der Luftschicht können störende Interferenzen erzeugen.

Abgrenzung zu anderen Prismenarten

Das Foucault-Prisma wird nur wenig in Lehrbüchern zur Optik erwähnt und heute kaum von Prismen-Herstellern angeboten. Wie andere Prismen vom Nicol-Typ wurde auch das Foucault-Prisma durch eine entsprechende Variante des Glan-Typ mit besseren optischen Eigenschaften und ebenfalls kürzeren Bauformen, dem Glan-Foucault-Prisma bzw. dem Glan-Taylor-Prisma, verdrängt (vor allem für Laseranwendungen mit höheren Strahlungsleistungen).

Einzelnachweise

1. Léon Foucault: Nouveau polariseur en spath d'Island. Expérience de fluorescence. In: Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences. Band 45, 17. August 1857, S. 238–241 (Digitalisat auf Gallica). 
   Léon Foucault: On a new polarizer of Iceland spar. Experiment on fluorescence. In: The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. Series 4. Band 14, 1857, S. 552–555 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche – Englische Übersetzung). 
2. Michael Bass (Hrsg.): Handbook of Optics, Third Edition Volume I : Geometrical and Physical Optics, Polarized Light, Components and Instruments. McGraw-Hill Professional, 2009, ISBN 978-0-07-162925-6, S. 13.9–13.12. 
3. Heinz Haferkorn: Optik: physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen. 4., bearb. und erw. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2003, ISBN 3-527-40372-8, S. 433 f.