Nicolsches Prisma

Ein Nicol-Prisma ist ein doppelbrechendes optisches Element aus Kalkspat (Calciumcarbonat-Kristall), das unpolarisiertes Licht in zwei orthogonale Polarisationszustände aufteilt und mittels Totalreflexion nur einen davon transmittiert. Das Gerät besteht aus zwei Teilen von optisch klarem Kalkspat, die in bestimmten Winkeln geschnitten, mit Kanadabalsam verkittet und in ein Messing- oder Aluminiumrohr montiert sind. Der Lichtwegdurch das Prisma wird so abgelenkt, dass eine Polarisationskomponente (der ordentliche Strahl) an der Grenzfläche zwischen Kalkspat und Balsam Totalreflexion erfährt, seitlich aus dem Prisma austritt und als Wärmeverschwendung oder Streulicht verloren geht, während die andere Komponente (der außerordentliche Strahl) hindurchgeht und als linear polarisiertes Licht austritt.

William Nicol, ein schottischer Physiker, patentierte dieses Design 1828, und es wurde zum Standard-Werkzeug für die Erzeugung und Analyse von polarisiertem Licht während des gesamten neunzehnten Jahrhunderts und weit ins zwanzigste Jahrhundert hinein. Die Geometrie des Prismas ist entscheidend: Kalkspat wird in einem Winkel von etwa 68 Grad zur optischen Achse geschnitten, so dass sich die Brechungsindizes der beiden Strahlen ausreichend unterscheiden, um den notwendigen Reflexionswinkel zu erzeugen. Typische Prismen sind 1 bis 2 Zentimeter lang und transmittieren Wellenlängen vom Ultravioletten durch das sichtbare Spektrum bis ins nahe Infrarot, wobei die Transmission außerhalb des sichtbaren Bereichs stark abnimmt.

Warum es wichtig war und warum es jetzt obsolet ist

Vor der Einführung von synthetischen Polarisationsfolien und beschichteten dichroitischen Spiegeln waren Nicol-Prismen die einzige zuverlässige Methode zur Erzeugung hochwertig polarisierten Lichts im Labor. Optische Bänke, Polarimeterinstrumente, Spektrophotometer und fotografische Geräte verließen sich auf Nicol-Prismen, um die Lichtpolarisation zu steuern. Da Kalkspat doppelbrechend ist, fand das Prisma auch Verwendung als Polarisierender Strahlenteiler, der einen Eingangstrahl in zwei senkrechte Polarisationskanäle für Interferometrie und andere Präzisionsarbeiten aufteilte.

Die Entwicklung von H-Folien (dichroitischen) Polarisatoren in den 1930er und 1940er Jahren, gefolgt von modernen Dünnfilm- und polymergestützten Polarisationsfolien, machte das Nicol-Prisma für Routinearbeiten im Labor weitgehend überflüssig. Diese Alternativen sind günstiger, kompakter, haben bessere Extinktionsverhältnisse im sichtbaren Bereich und verursachen weniger Verluste im Infrarot. Allerdings erscheinen Nicol-Prismen immer noch in speziellen Anwendungen: Einige alte optische Instrumente sind noch in Betrieb, und das Prisma bleibt ein Lernwerkzeug, da seine Funktionsweise Doppelbrechung und optische Anisotropie auf eine Weise veranschaulicht, die keine Folie erreichen kann.

Praktische Beschränkungen des Nicol-Prismas sind die Empfindlichkeit gegenüber Fehljustierung (die die Polarisationsreinheit verschlechtert), chromatische Effekte (das Extinktionsverhältnis variiert mit der Wellenlänge) und die Sprödigkeit sowie die Kosten großer, optisch homogener Kalkspatkristalle. Der Zement Kanadabalsam kann über Jahrzehnte vergilben und sich abbauen, was die Transmission vermindert. Das Gerät führt auch zu Astigmatismus und anderen Aberrationen, da Licht unter einem Winkel zur optischen Achse austritt; ein Problem, das spätere Varianten (wie das Glan-Thompson-Prisma, das einen anderen Zement verwendete) zu minimieren versuchten.