Mikä on optinen prisma? Tyypit, toiminnot ja sovellukset

Optisten prismien ymmärtäminen

An optinen prisma on läpinäkyvä optinen elementti tasaisilla, kiillotetuilla pinnoilla, jotka taittavat valoa. Prisman perusperiaate on, että se voi taivuttaa, heijastaa tai jakaa valoa geometriansa ja materiaalinsa taiteominaisuuksien perusteella. . Toisin kuin kaarevia pintoja käyttävät linssit, prismat käyttävät tasomaisia ​​pintoja, jotka on sijoitettu tiettyyn kulmaan valopolkujen manipuloimiseksi.

Useimmat optiset prismat on valmistettu lasista tai läpinäkyvästä muovista tarkalla taitekertoimella. Tunnetuin muoto on kolmion muotoinen prisma, joka hajottaa valkoisen valon sen spektrin väreihin – ilmiötä, jonka Isaac Newton tutki systemaattisesti ensimmäisen kerran vuonna 1666. Prismat palvelevat kuitenkin paljon muutakin kuin sateenkaarien luomista; ne ovat olennaisia ​​komponentteja lukuisissa optisissa järjestelmissä yksinkertaisista periskoopeista kehittyneisiin spektrometreihin.

Avainominaisuus, joka erottaa prismat muista optisista elementeistä, on niiden kyky muuttaa valon suuntaa ilman, että se fokusoi sitä. , mikä tekee niistä korvaamattomia säteen ohjauksessa, kuvan suunnan korjauksessa ja aallonpituuserottelussa.

Kuinka optiset prismat toimivat

Optisten prismien toimintaa ohjaa kaksi optista perusperiaatetta: taittuminen ja sisäinen kokonaisheijastus.

Taittuminen prismoissa

Kun valo tulee prismaan kulmassa, se taipuu Snellin lain mukaan. Taivutusaste riippuu valon aallonpituudesta ja prisman materiaalin taitekertoimesta . Tavallisen optisen lasin (kruunulasi) taitekerroin on noin 1,52, mikä tarkoittaa, että valo kulkee lasissa 1,52 kertaa hitaammin kuin ilmassa.

Tämä aallonpituudesta riippuvainen taittuminen selittää, miksi prismat voivat erottaa valkoisen valon väreiksi – sininen valo taipuu terävämmin kuin punainen valo, koska sillä on lyhyempi aallonpituus. Tyypillisessä dispersiivisessä prismassa, jossa on a 60 asteen huippukulma , punaisen ja violetin valon välinen kulmaero on noin 3 astetta .

Täydellinen sisäinen heijastus

Monet prismat hyödyntävät enemmän sisäistä heijastusta kuin taittumista. Kun tiheämmän väliaineen (kuten lasin) läpi kulkeva valo osuu rajaan vähemmän tiheän väliaineen (kuten ilman) kanssa kulmassa, joka on suurempi kuin kriittinen kulma, 100 % valosta heijastuu takaisin tiheämpään väliaineeseen . Kruunulasille tämä kriittinen kulma on noin 41,8 astetta .

Tämän ilmiön ansiosta prismat voivat toimia erittäin tehokkaina peileinä ilman metallipinnoitteita, mikä tekee niistä perinteisiä peilejä parempia monissa sovelluksissa, koska absorptiosta aiheutuva valohäviö on nolla.

Optisten prismien yleiset tyypit

Optiset prismat luokitellaan niiden geometrian ja ensisijaisen toiminnan perusteella. Jokainen tyyppi palvelee tiettyjä sovelluksia optisissa järjestelmissä.

Dispersiiviset prismat

Klassinen kolmioprisma hajottaa ensisijaisesti valoa. Näille prismoille on tunnusomaista niiden huippukulma (tyypillisesti välillä 30 ja 60 astetta ) ja ovat spektroskooppisen analyysin perusta. Nykyaikaiset spektrometrit voivat käyttää prismadispersiota materiaalien tunnistamiseen niiden spektraalisten allekirjoitusten perusteella aallonpituusresoluutio 0,1 nanometriin asti .

Heijastavat prismat

Heijastavat prismat ohjaavat valoa ilman merkittävää hajontaa. Ignazio Porron vuonna 1854 keksimä Porron prismajärjestelmä pysyy vakiona monissa kiikareissa. Porro-prismapari voi pystyttää käänteisen kuvan ja samalla kasvattaa optisen reitin pituutta , mikä mahdollistaa kompaktien instrumenttien suunnittelun tehokkaalla suurennuksella.

Polarisoivat prismat

Erikoisprismat, kuten Nicol-prisma tai Glan-Thompson-prisma, erottavat valon ortogonaalisiin polarisaatiotiloihin. Näillä laitteilla saavutetaan ekstinktiosuhteet yli 100 000:1 , mikä tekee niistä välttämättömiä polarimetriassa ja optisissa tutkimussovelluksissa.

Optisten prismojen todelliset sovellukset

Optiset prismat ovat läsnä nykyaikaisessa tekniikassa, ja ne toimivat usein näkymättömästi päivittäin käyttämissämme laitteissa.

Valokuvaus ja kuvantaminen

Yksilinssiset peilikamerat (SLR) käyttävät pentaprismoja, jotka tarjoavat valokuvaajalle pystysuoran, oikein suunnatun näkymän etsimen läpi. Pentaprisma heijastaa valoa viisi kertaa sisäisesti , korjaa kameran linssin tuottaman käänteisen ja käänteisen kuvan ilman ylimääräisiä optisia elementtejä.

Digitaaliset projektorit käyttävät prismakokoonpanoja kuvien yhdistämiseen erillisistä punaisista, vihreistä ja sinisistä LCD-paneeleista tai DLP-siruista. Dikroinen prismajärjestelmä a Kolmen sirun projektori voi saavuttaa väritarkkuuden 2 %:n sisällä ammattistandardeista .

Tieteellinen instrumentointi

Spektrometrit käyttävät prismoja analysoimaan materiaalien koostumusta. Esimerkiksi tähtitieteelliset spektrografit käyttävät prismadispersiota kaukaisten tähtien kemiallisen koostumuksen määrittämiseen. Hubble-avaruusteleskoopin spektroskooppiset instrumentit voivat havaita kemikaalien runsautta tarkkuus parempi kuin 5 % tähtien ilmapiirissä.

Kemialaboratorioissa Abben refraktometrit mittaavat nesteiden taitekerrointa prismoilla. neljän desimaalin tarkkuudella , joka mahdollistaa aineiden tarkan tunnistamisen ja pitoisuusmittauksen.

Tietoliikenne ja lasertekniikka

Kuituoptisissa järjestelmissä käytetään prismoja aallonpituusjakomultipleksoinnissa, jossa useita datavirtoja eri aallonpituuksilla kulkee yhden kuidun läpi. Nykyaikaiset DWDM-järjestelmät voivat multipleksoida yli 80 erillistä kanavaa , joista kukin kuljettaa 100 Gbps, käyttäen prismapohjaista aallonpituuserotusta.

Lasersäteen ohjausjärjestelmät käyttävät pyöriviä prismoja tai prismapareja ohjaamaan tarkasti säteen suuntaa liikuttamatta itse laserlähdettä, jolloin saavutetaan paikannustarkkuus mikroradiaaneissa .

Kuluttajaoptiikka

Kiikareissa on Porro- tai kattoprismat, jotka luovat kompaktin, ergonomisen muotoilun ja tarjoavat samalla suurennettuja, oikein suunnattuja kuvia. Laadukkaissa kiikareissa käytetään vaihekorjauspinnoitteita kattoprismoissa yli 90 % valonläpäisykyvyn saavuttamiseksi , joka kilpailee suoran katselun kirkkauden kanssa.

Materiaalit ja valmistus

Optisen prisman suorituskyky riippuu ratkaisevasti sen materiaaliominaisuuksista ja valmistustarkkuudesta.

Yleiset prismamateriaalit

• BK7 lasi: Yleisin optinen lasi, jonka taitekerroin on 1,517, käytetään yleisprismoissa aallonpituuksille 380-2100 nm
• Sulatettu piidioksidi: Tarjoaa poikkeuksellisen lähetyksen ultraviolettialueella ja alhaisen lämpölaajenemisen, mikä on kriittistä suuritehoisissa lasersovelluksissa
• SF11 lasi: Korkea taitekerroin (1,785) tarjoaa suuremman dispersion, mikä on ihanteellinen kompakteihin spektroskooppisiin järjestelmiin
• Kalsiumfluoridi: Lähettää infrapuna- ja ultraviolettiaallonpituuksia, jotka ovat välttämättömiä erikoisspektroskopiassa lähetyksessä 180 nm - 8000 nm

Valmistuksen tarkkuus

Tarkkuusprismat vaativat poikkeuksellisia valmistustoleransseja. Pinnan tasaisuuden on tyypillisesti oltava parempi kuin λ/4 (neljännes valon aallonpituudesta) , mikä tarkoittaa alle 150 nanometrin poikkeamia näkyvässä valossa. Kulman tarkkuusvaatimukset ovat yhtä tiukat, usein määritelty sisällä kaarisekuntia (1/3600 astetta) .

Optiset pinnoitteet parantavat prisman suorituskykyä merkittävästi. Heijasta estävät pinnoitteet voivat vähentää pinnan heijastushäviöitä 4 prosentista alle 0,25 % pintaa kohden . Heijastuspintojen metalliset tai dielektriset pinnoitteet parantavat tehokkuutta ja mahdollistavat aallonpituusselektiivisen heijastuksen.

Edut ja rajoitukset

Prismien ja vaihtoehtoisten optisten komponenttien käytön ymmärtäminen edellyttää niiden vahvuuksien ja heikkouksien tuntemista.

Tärkeimmät edut

• Ei absorptiohäviöitä: Sisäiset kokonaisheijastusprismat saavuttavat käytännössä 100 %:n heijastustehokkuuden, mikä on parempi kuin metalliset peilit, jotka heijastavat tyypillisesti 90-95 %.
• Aallonpituuden erotus: Prismat tarjoavat jatkuvan aallonpituusdispersion, toisin kuin diffraktiohilat, jotka tuottavat useita järjestyksiä
• Kestävyys: Sisäiset heijastuspinnat on suojattu ympäristön lialta ja mekaanisilta vaurioilta
• Polarisaatiosäätö: Tietyt prismatyypit voivat erottaa tai analysoida polarisaatiotiloja poikkeuksellisen puhtaasti

Käytännön rajoitukset

• Koko ja paino: Lasiprismat ovat huomattavasti raskaampia kuin vastaavat peilijärjestelmät, mikä rajoittaa niiden käyttöä painoherkissä sovelluksissa
• Kustannukset: Laadukkailla pinnoitteilla varustetut tarkkuusprismat voivat maksaa 10-50 kertaa enemmän kuin yksinkertaiset peilit
• Kromaattiset vaikutukset: Dispersiiviset prismat erottavat aallonpituuksia, mikä ei ole toivottavaa akromaattista suorituskykyä vaativissa kuvantamissovelluksissa
• Lämpötilaherkkyys: Taitekertoimen muutokset lämpötilan mukaan voivat vaikuttaa prisman suorituskykyyn äärimmäisissä ympäristöissä, tyypillisesti 1-5 miljoonasosaa celsiusastetta kohden.

Oikean prisman valinta

Sopivan prisman valinta tiettyyn sovellukseen edellyttää useiden tekijöiden systemaattista huomioon ottamista.

Kriittiset valintakriteerit

1. Aallonpituusalue: Sovita prisman materiaali toimintaaallonpituuksiin; UV-sovellukset vaativat sulatettua piidioksidia, kun taas IR voi tarvita erikoismateriaaleja, kuten sinkkiselenidia
2. Säteen poikkeamavaatimukset: Määritä tarvittava poikkeutuskulma (45°, 90°, 180°) ja pitääkö kuvan suunta säilyttää
3. Dispersion tarpeet: Päätä, onko aallonpituuserottelu toivottavaa vai ongelmallista sovelluksen kannalta
4. Kokorajoitukset: Harkitse fyysisiä tila- ja painorajoituksia
5. Tehon käsittely: Suuritehoiset lasersovellukset vaativat tyypillisesti materiaaleja, joilla on korkea vauriokynnys suurempi kuin 10 J/cm² sulatettua piidioksidia varten

Pinnoitusnäkökohdat

Optisten pinnoitteiden valinta vaikuttaa dramaattisesti prisman suorituskykyyn. Vakio heijastuksenestopinnoitteet tarjoavat heijastus alle 0,5 % pintaa kohden näkyvillä aallonpituuksilla, kun taas laajakaistapinnoitteet laajentavat tätä suorituskykyä 400-700 nm:stä. Kriittisissä sovelluksissa voidaan saavuttaa mukautetut monikerroksiset pinnoitteet heijastavuus alle 0,1 % tietyillä aallonpituuksilla.

Heijastuspintojen metallipinnoitteet (alumiini tai hopea) mahdollistavat käytön kriittisen kulman ulkopuolella, vaikkakin 3-10 % heijastushäviö . Suojatut hopeapinnoitteet tarjoavat erinomaisen heijastavuuden infrapunassa säilyttäen samalla riittävän näkyvän suorituskyvyn.

Prismateknologian tuleva kehitys

Materiaalitieteen ja valmistuksen edistysaskeleet laajentavat prisman ominaisuuksia ja sovelluksia.

Metamateriaaliprismat

Tutkijat kehittävät prismoja käyttämällä metamateriaaleja - keinotekoisesti strukturoituja materiaaleja, joiden optisia ominaisuuksia ei löydy luonnosta. Nämä metamateriaaliprismat voivat saavuttaa negatiivinen taittuminen tai superdispersio , joka mahdollistaa erittäin kompaktit spektroskooppiset järjestelmät ja uudet kuvantamislaitteet. Varhaiset prototyypit osoittavat dispersiokertoimet 10 kertaa suuremmat kuin tavallinen lasi.

Mukautuvat prismat

Nestekide- ja sähköoptiset materiaalit mahdollistavat sähköisesti viritettävät prismat, jotka voivat säätää optisia ominaisuuksiaan dynaamisesti. Nämä laitteet voivat mullistaa säteen ohjauksen ja aallonpituuden valinnan kytkentäajat alle 1 millisekunnissa eikä liikkuvia osia.

Miniatyrisointi

Puolijohdevalmistustekniikoilla valmistetut mikroprismaryhmät mahdollistavat integroidut fotonilaitteet. Nämä mikroskooppiset prismat, joiden mitat mitataan mikrometreinä, ovat tärkeitä komponentteja optisissa MEMS-laitteissa ja älypuhelinkameroissa, joissa prismaryhmät tarjoavat optisen kuvanvakauksen pakkauksissa, joiden halkaisija on alle 5 mm.