Nicolsches Prisma

Kalkspat-Rhomboeder

Ein natürlicher Doppelspat-Kristall aus Kalkspat (Calcit) ist die Grundlage für das nicolsche Prisma. Ausgegangen wird von einem natürlich vorkommenden massiven Kristall, aus dem leicht die typische Rhomboeder-Form, bestehend aus sechs Rhomben, gewonnen werden kann. Die Winkel der Rhomboederkanten betragen 105,08° und 74,917°.[2] Die für Funktion des nicolschen Prismas wichtige optische Achse des Kristalls verläuft durch die Ecken, an denen die Kanten drei stumpfe Winkel bilden. Jede die optische Achse enthaltende Fläche steht senkrecht auf den beiden Stirnflächen des Rhomboeders. Nimmt man einen solchen Kalkspat-Rhomboeder (günstigerweise mit einem Seitenverhältnis von 3:1) und dreht ihn so, dass die optische Achse parallel zur betrachteten Ebene liegt, bilden die natürlichen Bruchkanten einen Winkel von 70,867°.[2] Die Einfallsflächen werden nun so zurück geschliffen und poliert, dass sie einen Winkel von 68° bilden, womit ein höherer Akzeptanzwinkel einfallenden Lichts erreicht wird. Anschließend wird der Kristall rechtwinklig zu den Stirnflächen diagonal gesägt. Schließlich werden die beiden so entstandenen Hälften mit einem Kitt bzw. Kleber wieder zusammengefügt. Traditionell wurde als Kleber Kanadabalsam verwendet, dessen Brechungsindex zwischen den Brechungsindizes für den ordentlichen und für den außerordentlich Strahl in Kalkspat liegt (Details siehe unten); heute sind auch andere Materialien verfügbar. Der Abstand der beiden Hälften muss dabei groß genug sein, um ein optisches Tunneln (verhinderte Totalreflexion) zu verhindern (über 1 mm). Um Streulicht zu unterdrücken, können zudem die Seitenflächen mit einer opaken, lichtabsorbierenden Beschichtung versehen werden.[3]

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).

Aufgrund der Winkelbeziehung der Stirnflächen zur Schnittfläche fällt der ordentliche Strahl mit 76,94° (= 90° − 13,06°) auf die Grenzfläche zum Kanadabalsam (n_k = 1,55) ein. Dies ist deutlich größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion von 69,2°. Der ordentliche Strahl wird daher totalreflektiert und tritt um 90° gedreht an einer Seitenfläche aus dem Prisma aus.

Der außerordentliche Strahl trifft hingegen mit einem Winkel von 75,4° (= 90° − 14,6°) als p-polarisierte Strahl auf die Grenzfläche zum Kanadabalsam. Aufgrund des größeren Brechungsindexes des außerordentlichen Strahls ggü. dem Kanadabalsam wird der Strahl normal an der Grenzfläche in das Kanadabalsam gebrochen (68,2°), aber auch teilweise reflektiert (Reflexionsgrad R = 1,24 %). Der transmittierte Teil wird nochmals an der Grenzfläche von Kanadabalsam und dem 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.

Der beschriebene Vorgang gilt (mit anderen Winkel) auch für schräg einfallende Strahlen und konvergente Strahlenbündel, solange der ordentliche Strahl an der Grenzfläche zum Kanadabalsam totalreflektiert wird. Unterschreitet der Einfallswinkel des ordentlichen Strahls den Grenzwinkel, wird dieser ebenfalls teilweise in das zweite Prisma teil transmittiert und der austretende Strahl ist nicht länger stark linear polarisiert, sondern elliptisch polarisiert (die genaue Polarisation ergibt sich aus der Überlagerung der beiden Teile unter Beachtung der gegeneinander verschobenen Phasen, aufgrund unterschiedlicher Geschwindigkeiten und optischen Weglängen im Prisma).[3] Der nutzbare Konvergenzwinkel (symmetrisch zum längs verlaufenden, oben beschrieben Fall) beträgt (2 · 9,7° =) 19,4°.[3] Dies ist streng genommen auch abhängig vom eingesetzten Licht, da sich aufgrund der wellenlängenabhängigen Brechzahlen (Dispersion) von Kalkspat und Kanadabalsam die oben beschrieben Verhältnisse und Werte ändern. Aus diesem Grund zeigen sich beim Einfall von weißem Licht farbige Ringe bzw. Ränder des austretenden Bündels.[2]

Nicolsche Prismen wurden lange Zeit in der Polarisationsmikroskopie als Polarisator eingesetzt. Mittlerweile wurden sie durch Polarisationsfolien ersetzt, die preisgünstiger sind und weniger Platz einnehmen. Für Präzisionsmessungen werden jedoch weiterhin Polarisationsprismen wie das nicolsche Prisma eingesetzt. Letzteres wurde jedoch durch Bauformen mit besseren Eigenschaften[3] wie das Glan-Thompson-Prisma oder das Glan-Taylor-Prisma ersetzt. Heutzutage hat das nicolsche Prisma daher kaum noch Bedeutung in technischen Anwendungen und kommt nur noch in älteren Geräten vor.

Neben dem ursprünglichen Prisma von Nicol gibt es noch weitere Polarisattionsprismen des „Nicol-Typs“, die auf dieser Arbeit basieren. Zu nennen ist hier die Variante mit Luft als Zwischenmedium, das von Leon Foucault vorgeschlagen wurde (siehe foucaultsches Prisma), sowie weitere angepasste Prismen.[3][4]

Wie man an der bereits von Nicol durchgeführten Anpassung der Stirnseitenwinkel sowie der generellen Funktionsweise schließen kann, ist der Schnittwinkel beim nicolschen Prisma nicht kritisch, das heißt, Abweichungen führen nicht zu drastisch verschlechterten Eigenschaften oder dem Verlust der Funktion. Verschiedenste andere Schnitt- und Schliffvarianten wurden in der Folge vom nicolschen Prisma vorgeschlagen und verwendet. Diese vielfältige Aktivität brachte unter anderem das Glan-Thompson-Prisma hervor, die erste Variante des sogenannten „Glan-Typs“. Im Folgenden sollen einige relevante bzw. wichtige Formen kurz beschrieben werden.

1. W. Nicol: On a method of so far increasing the divergence of the two rays in calcareous-spar that only one image may be seen at a time. In: Edinburgh New Philosophical Journal. Band 6, 1828, S. 83–84 (biodiversitylibrary.org [abgerufen am 3. November 2020]).
2. Heinz Haferkorn: Optik: physikalisch-technische Grundlagen und Anwendungen. 4., bearb. und erw. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2003, ISBN 3-527-40372-8, S. 432 ff.
3. 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.
4. K. Feussner: Ueber Prismen zur Polarisation des Lichtes. In: Zeitschrift für Instrumentenkunde. Band 4, Nr. 2, April 1884, S. 41–50, doi:10.1007/BF01335319 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
5. L. Dippel: Thopmson's modification of the Nicol prism giving wider angle of field (Philos. Mag. 1886 , p. 478 — 480, 1 pl. ; cfr. Journ. R. Microsc. Soc. Ser. II vol. IV , 1886, pt. 6 p. 1054). In: Zeitschrift für wissenschaftliche Mikroskopie und mikroskopische Technik. Band 3, Nr. 4, 1886, S. 500–502 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
6. Hartnack, Prazmowski: Polarisationsprisma. In: Repertorium für Experimental-Physik, für Physikalische Technik, Mathematische und Astronomische Instrumentenkunde. Band 2, 1866, S. 217 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
   Hartnack, Prazmowski: Prisme polarisateur. In: Ann. de Chim. et de Phys. Ser. 4. Band 7, 1866, S. 181–189 (Digitalisat auf Gallica).
   Hartnack, Prazmowski: Polarisationsprisma. In: Annalen der Physik. Band 203, Nr. 3, 1866, S. 494–496, doi:10.1002/andp.18662030315.