Co to jest pryzmat optyczny? Typy, funkcje i zastosowania

Zrozumienie pryzmatów optycznych

An pryzmat optyczny to przezroczysty element optyczny o płaskich, polerowanych powierzchniach, które załamują światło. Podstawową zasadą pryzmatu jest to, że może on zaginać, odbijać lub rozszczepiać światło w oparciu o swoją geometrię i właściwości załamujące materiał . W przeciwieństwie do soczewek wykorzystujących zakrzywione powierzchnie, pryzmaty wykorzystują płaskie powierzchnie ustawione pod określonymi kątami w celu manipulowania ścieżkami światła.

Większość pryzmatów optycznych jest wykonana ze szkła lub przezroczystych tworzyw sztucznych o precyzyjnych współczynnikach załamania światła. Najbardziej rozpoznawalną formą jest pryzmat trójkątny, który rozprasza białe światło na składowe kolory widma — zjawisko to zostało po raz pierwszy systematycznie zbadane przez Izaaka Newtona w 1666 r. Jednakże pryzmaty służą znacznie więcej celom niż tworzenie tęczy; są niezbędnymi elementami wielu systemów optycznych, od prostych peryskopów po zaawansowane spektrometry.

Kluczową cechą odróżniającą pryzmaty od innych elementów optycznych jest ich zdolność do zmiany kierunku światła bez konieczności jego skupiania , co czyni je nieocenionymi w zastosowaniach związanych ze sterowaniem wiązką, korekcją orientacji obrazu i separacją długości fali.

Jak działają pryzmaty optyczne

Działaniem pryzmatów optycznych rządzą dwie podstawowe zasady optyczne: załamanie i całkowite wewnętrzne odbicie.

Załamanie w pryzmatach

Kiedy światło wpada do pryzmatu pod kątem, załamuje się zgodnie z prawem Snella. Stopień zagięcia zależy od długości fali światła i współczynnika załamania światła materiału pryzmatu . W przypadku standardowego szkła optycznego (szkło koronowe) współczynnik załamania światła wynosi około 1,52, co oznacza, że ​​światło w szkle przemieszcza się 1,52 razy wolniej niż w powietrzu.

To załamanie zależne od długości fali wyjaśnia, dlaczego pryzmaty potrafią rozdzielać światło białe na kolory — światło niebieskie załamuje się bardziej niż światło czerwone, ponieważ ma krótszą długość fali. W typowym pryzmacie dyspersyjnym o Kąt wierzchołkowy 60 stopni , odległość kątowa między światłem czerwonym i fioletowym wynosi w przybliżeniu 3 stopnie .

Całkowite wewnętrzne odbicie

Wiele pryzmatów wykorzystuje raczej całkowite wewnętrzne odbicie niż załamanie. Kiedy światło przechodzące przez ośrodek gęstszy (np. szkło) uderza w granicę z ośrodkiem mniej gęstym (np. powietrze) pod kątem większym niż kąt krytyczny, 100% światła odbija się z powrotem do gęstszego ośrodka . W przypadku szkła koronowego ten kąt krytyczny wynosi w przybliżeniu 41,8 stopnia .

Zjawisko to umożliwia pryzmatom działanie jako wysoce wydajne zwierciadła bez powłok metalicznych, co czyni je lepszymi od konwencjonalnych zwierciadeł w wielu zastosowaniach, ponieważ nie powodują utraty światła na skutek absorpcji.

Typowe typy pryzmatów optycznych

Pryzmaty optyczne są klasyfikowane na podstawie ich geometrii i podstawowej funkcji. Każdy typ służy do określonych zastosowań w układach optycznych.

Pryzmaty dyspersyjne

Klasyczny trójkątny pryzmat przede wszystkim rozprasza światło. Pryzmaty te charakteryzują się kątem wierzchołkowym (zwykle pomiędzy 30 i 60 stopni ) i mają fundamentalne znaczenie dla analizy spektroskopowej. Nowoczesne spektrometry mogą wykorzystywać dyspersję pryzmową do identyfikacji materiałów na podstawie ich sygnatur widmowych rozdzielczość fali do 0,1 nanometra .

Odbijające pryzmaty

Odbijające pryzmaty przekierowują światło bez znacznego rozproszenia. System pryzmatów Porro, wynaleziony przez Ignazio Porro w 1854 roku, pozostaje standardem w wielu lornetkach. Para pryzmatów Porro może stworzyć odwrócony obraz, jednocześnie zwiększając długość ścieżki optycznej , umożliwiając kompaktowe konstrukcje instrumentów z efektywnym powiększeniem.

Pryzmaty polaryzacyjne

Wyspecjalizowane pryzmaty, takie jak pryzmat Nicola lub pryzmat Glan-Thompsona, rozdzielają światło na ortogonalne stany polaryzacji. Urządzenia te osiągają współczynniki ekstynkcji przekraczające 100 000:1 , co czyni je niezbędnymi do zastosowań w polarymetrii i badaniach optycznych.

Zastosowania pryzmatów optycznych w świecie rzeczywistym

Pryzmaty optyczne są wszechobecne w nowoczesnej technologii, często pracując w sposób niewidoczny w urządzeniach, z których korzystamy na co dzień.

Fotografia i obrazowanie

Lustrzanki jednoobiektywowe (SLR) wykorzystują pryzmaty pentagonalne, aby zapewnić fotografom pionowy, prawidłowo zorientowany widok przez wizjer. Pryzmat pentagonalny odbija światło wewnętrznie pięć razy , korygując odwrócony i odwrócony obraz wytwarzany przez obiektyw aparatu bez konieczności stosowania dodatkowych elementów optycznych.

Projektory cyfrowe wykorzystują zespoły pryzmowe do łączenia obrazów z oddzielnych czerwonych, zielonych i niebieskich paneli LCD lub układów DLP. Układ pryzmatów dichroicznych w a Projektor trójchipowy może osiągnąć dokładność kolorów w granicach 2% standardów profesjonalnych .

Instrumentacja naukowa

Spektrometry wykorzystują pryzmaty do analizy składu materiałów. Na przykład spektrografy astronomiczne wykorzystują dyspersję pryzmatyczną do określenia składu chemicznego odległych gwiazd. Instrumenty spektroskopowe Kosmicznego Teleskopu Hubble'a mogą wykrywać obfitość substancji chemicznych precyzja lepsza niż 5% w atmosferach gwiazd.

W laboratoriach chemicznych refraktometry Abbe wykorzystują pryzmaty do pomiaru współczynnika załamania światła cieczy dokładność do czterech miejsc po przecinku , umożliwiając precyzyjną identyfikację substancji i pomiary stężeń.

Telekomunikacja i technologia laserowa

Systemy światłowodowe wykorzystują pryzmaty do multipleksowania z podziałem długości fali, gdzie wiele strumieni danych o różnych długościach fal przepływa przez pojedyncze włókno. Nowoczesne systemy DWDM umożliwiają multipleksowanie ponad 80 oddzielnych kanałów , każdy o przepustowości 100 Gb/s, wykorzystujący separację długości fali opartą na pryzmacie.

Systemy sterowania wiązką laserową wykorzystują obracające się pryzmaty lub pary pryzmatów do precyzyjnego sterowania kierunkiem wiązki bez konieczności przesuwania samego źródła lasera dokładność pozycjonowania w zakresie mikroradianów .

Optyka konsumencka

Lornetki zawierają pryzmaty Porro lub dachowe, które tworzą zwartą, ergonomiczną konstrukcję, zapewniając jednocześnie powiększony i prawidłowo zorientowany obraz. Wysokiej jakości lornetki wykorzystują powłoki z korekcją fazy na pryzmatach dachowych, aby osiągnąć transmisję światła przekraczającą 90% dorównującą jasnością bezpośredniego oglądania.

Materiały i produkcja

Działanie pryzmatu optycznego zależy w dużym stopniu od jego właściwości materiałowych i precyzji wykonania.

Typowe materiały pryzmatyczne

• Szkło BK7: Najpopularniejsze szkło optyczne o współczynniku załamania światła 1,517, stosowane w pryzmatach ogólnego przeznaczenia dla długości fali od 380-2100 nm
• Topiona krzemionka: Zapewnia wyjątkową transmisję w zakresie ultrafioletu i niską rozszerzalność cieplną, co jest krytyczne w zastosowaniach laserowych dużej mocy
• Szkło SF11: Wysoki współczynnik załamania światła (1,785) zapewnia większą dyspersję, idealną do kompaktowych systemów spektroskopowych
• Fluorek wapnia: Transmisja fal podczerwonych i ultrafioletowych niezbędnych w specjalistycznej spektroskopii z transmisją od 180 nm do 8000 nm

Precyzja produkcji

Precyzyjne pryzmaty wymagają nadzwyczajnych tolerancji produkcyjnych. Płaskość powierzchni musi zazwyczaj być lepsza niż λ/4 (jedna czwarta długości fali światła) , co przekłada się na odchylenia mniejsze niż 150 nanometrów dla światła widzialnego. Wymagania dotyczące dokładności kąta są równie rygorystyczne, często określone w granicach sekunda łukowa (1/3600 stopnia) .

Powłoki optyczne znacznie poprawiają wydajność pryzmatu. Powłoki przeciwodblaskowe mogą zmniejszyć straty odbicia powierzchniowego z 4% do mniej niż 0,25% na powierzchnię . Powłoki metaliczne lub dielektryczne na powierzchniach odbijających poprawiają wydajność i umożliwiają odbicie selektywne pod względem długości fali.

Zalety i ograniczenia

Zrozumienie, kiedy używać pryzmatów, a kiedy alternatywnych komponentów optycznych, wymaga znajomości ich mocnych i słabych stron.

Kluczowe zalety

• Brak strat absorpcyjnych: Pryzmaty całkowitego wewnętrznego odbicia osiągają praktycznie 100% skuteczność odbicia, lepszą od zwierciadeł metalicznych, które zazwyczaj odbijają 90-95%
• Separacja długości fali: Pryzmaty zapewniają ciągłą dyspersję długości fal, w przeciwieństwie do siatek dyfrakcyjnych, które wytwarzają wielokrotne rzędy
• Trwałość: Wewnętrzne powierzchnie odbijające są chronione przed zanieczyszczeniami środowiskowymi i uszkodzeniami mechanicznymi
• Kontrola polaryzacji: Niektóre typy pryzmatów mogą oddzielać lub analizować stany polaryzacji z wyjątkową czystością

Praktyczne ograniczenia

• Rozmiar i waga: Pryzmaty szklane są znacznie cięższe niż równoważne systemy zwierciadeł, co ogranicza ich zastosowanie w zastosowaniach wrażliwych na wagę
• Koszt: Precyzyjne pryzmaty z wysokiej jakości powłokami mogą kosztować 10-50 razy więcej niż proste lustra
• Efekty chromatyczne: Pryzmaty dyspersyjne oddzielają długości fal, co jest niepożądane w zastosowaniach obrazowania wymagających wydajności achromatycznej
• Czułość temperaturowa: Zmiany współczynnika załamania światła wraz z temperaturą mogą wpływać na działanie pryzmatu w ekstremalnych warunkach, z typowymi wahaniami wynoszącymi 1-5 części na milion na stopień Celsjusza

Wybór odpowiedniego pryzmatu

Wybór odpowiedniego pryzmatu do konkretnego zastosowania wymaga systematycznego uwzględnienia wielu czynników.

Krytyczne kryteria wyboru

1. Zakres długości fali: Dopasuj materiał pryzmatu do długości fali roboczej; Zastosowania UV wymagają topionej krzemionki, natomiast IR mogą wymagać specjalistycznych materiałów, takich jak selenek cynku
2. Wymagania dotyczące odchylenia wiązki: Określ niezbędny kąt odchylenia (45°, 90°, 180°) i czy musi zostać zachowana orientacja obrazu
3. Potrzeby dyspersji: Zdecyduj, czy separacja długości fali jest pożądana, czy problematyczna dla danego zastosowania
4. Ograniczenia rozmiaru: Weź pod uwagę ograniczenia przestrzeni fizycznej i ograniczenia wagi
5. Obsługa mocy: Zastosowania lasera dużej mocy wymagają zazwyczaj materiałów o wysokim progu uszkodzenia większa niż 10 J/cm² dla topionej krzemionki

Uwagi dotyczące powłok

Wybór powłok optycznych ma ogromny wpływ na wydajność pryzmatu. Zapewniają standardowe powłoki przeciwodblaskowe odbicie poniżej 0,5% na powierzchnię w zakresie fal widzialnych, natomiast powłoki szerokopasmowe zwiększają tę wydajność w zakresie 400–700 nm. W przypadku zastosowań krytycznych można zastosować niestandardowe powłoki wielowarstwowe współczynnik odbicia poniżej 0,1% przy określonych długościach fal.

Powłoki metaliczne (aluminium lub srebro) na powierzchniach odbijających umożliwiają użycie poza kątem krytycznym, jednak kosztem 3-10% utraty odbicia . Chronione powłoki srebra zapewniają doskonały współczynnik odbicia w podczerwieni, przy jednoczesnym zachowaniu odpowiednich parametrów widzialnych.

Przyszły rozwój technologii pryzmatów

Postępy w materiałoznawstwie i produkcji poszerzają możliwości i zastosowania pryzmatów.

Pryzmaty metamateriałowe

Naukowcy opracowują pryzmaty, korzystając z metamateriałów — materiałów o sztucznej strukturze o właściwościach optycznych niespotykanych w naturze. Te metamaterialne pryzmaty mogą osiągnąć ujemne załamanie lub superdyspersja , umożliwiając ultrakompaktowe systemy spektroskopowe i nowatorskie urządzenia do obrazowania. Wczesne prototypy demonstrują współczynniki dyspersji 10 razy większe niż konwencjonalne szkło.

Pryzmaty adaptacyjne

Materiały ciekłokrystaliczne i elektrooptyczne umożliwiają elektrycznie przestrajalne pryzmaty, które mogą dynamicznie dostosowywać swoje właściwości optyczne. Urządzenia te mogą zrewolucjonizować sterowanie wiązką i wybór długości fali czasy przełączania poniżej 1 milisekundy i żadnych ruchomych części.

Miniaturyzacja

Układy mikropryzmatów wytwarzane przy użyciu technik produkcji półprzewodników umożliwiają integrację urządzeń fotonicznych. Te mikroskopijne pryzmaty, których wymiary mierzone są w mikrometrach, są kluczowymi elementami optycznych urządzeń MEMS i aparatów w smartfonach, gdzie układy pryzmowe zapewniają optyczną stabilizację obrazu w paczkach o średnicy mniejszej niż 5 mm.