Mi az optikai prizma? Típusok, funkciók és alkalmazások

Az optikai prizmák megértése

An optikai prizma egy átlátszó optikai elem, sík, polírozott felületekkel, amelyek megtörik a fényt. A prizma mögött meghúzódó alapelv az, hogy geometriája és anyagának törési tulajdonságai alapján képes meghajlítani, visszaverni vagy megosztani a fényt. . Az ívelt felületeket használó lencsékkel ellentétben a prizmák meghatározott szögben elhelyezett sík felületeket használnak a fénypályák manipulálására.

A legtöbb optikai prizma üvegből vagy átlátszó műanyagból készül, pontos törésmutatóval. A legismertebb forma a háromszög alakú prizma, amely a fehér fényt szétszórja a spektrum alkotó színeire – ezt a jelenséget először Isaac Newton vizsgálta szisztematikusan 1666-ban. A prizmák azonban sokkal több célt szolgálnak, mint a szivárvány létrehozása; számos optikai rendszer alapvető alkotóelemei, az egyszerű periszkópoktól a fejlett spektrométerekig.

A prizmákat a többi optikai elemtől megkülönböztető fő jellemző az, hogy képesek megváltoztatni a fény irányát anélkül, hogy szükségszerűen fókuszálnának. , így felbecsülhetetlen értékűek a sugárirányítás, a képtájolás korrekciója és a hullámhossz-leválasztási alkalmazások terén.

Hogyan működnek az optikai prizmák

Az optikai prizmák működését két alapvető optikai elv szabályozza: a fénytörés és a teljes belső visszaverődés.

Fénytörés prizmában

Amikor a fény szögben lép be a prizmába, a Snell-törvény szerint meghajlik. A hajlítás mértéke a fény hullámhosszától és a prizma anyagának törésmutatójától függ . A szabványos optikai üveg (koronaüveg) törésmutatója körülbelül 1,52, ami azt jelenti, hogy a fény 1,52-szer lassabban halad az üvegben, mint a levegőben.

Ez a hullámhossz-függő fénytörés megmagyarázza, hogy a prizmák miért tudják szétválasztani a fehér fényt színekre – a kék fény élesebben hajlik, mint a vörös fény, mert rövidebb a hullámhossza. Egy tipikus diszperzív prizmában a 60 fokos csúcsszög , a vörös és az ibolya fény közötti szögtávolság kb 3 fok .

Teljes belső reflexió

Sok prizma a teljes belső reflexiót használja ki a fénytörés helyett. Amikor a sűrűbb közegen (például üvegen) áthaladó fény a kritikus szögnél nagyobb szögben üti el a határt egy kevésbé sűrű közeggel (például levegővel), A fény 100%-a visszaverődik a sűrűbb közegbe . Koronaüveg esetén ez a kritikus szög kb 41,8 fok .

Ez a jelenség lehetővé teszi, hogy a prizmák fémbevonat nélküli, rendkívül hatékony tükörként működjenek, így számos alkalmazásban jobbak a hagyományos tükröknél, mivel az abszorpcióból eredő fényveszteség nulla.

Az optikai prizmák gyakori típusai

Az optikai prizmákat geometria és elsődleges funkciójuk alapján kategorizálják. Mindegyik típus speciális alkalmazásokat szolgál ki az optikai rendszerekben.

Diszperzív prizmák

A klasszikus háromszög prizma elsősorban a fényt oszlatja szét. Ezeket a prizmákat a csúcsszögük jellemzi (jellemzően a 30 és 60 fok ), és alapvetőek a spektroszkópiai elemzéshez. A modern spektrométerek prizma-diszperziót használhatnak az anyagok azonosítására spektrális aláírásaik alapján hullámhossz felbontás 0,1 nanométerig .

Tükröző prizmák

A fényvisszaverő prizmák jelentős szórás nélkül irányítják át a fényt. Az Ignazio Porro által 1854-ben feltalált Porro prizmarendszer sok távcső szabványa marad. Egy pár Porro prizma fordított képet állíthat fel, miközben növeli az optikai út hosszát , amely lehetővé teszi a kompakt műszerek kialakítását hatékony nagyítással.

Polarizáló prizmák

A speciális prizmák, mint a Nicol-prizma vagy a Glan-Thompson-prizma a fényt ortogonális polarizációs állapotokra választják szét. Ezek az eszközök elérik 100 000:1-et meghaladó kioltási arányok , így elengedhetetlenek a polarimetriai és optikai kutatási alkalmazásokhoz.

Az optikai prizmák valós alkalmazásai

Az optikai prizmák mindenütt jelen vannak a modern technológiában, gyakran láthatatlanul működnek a naponta használt eszközökön.

Fényképezés és képalkotás

Az egylencsés tükörreflexes (SLR) fényképezőgépek pentaprizmákra támaszkodnak, hogy a fotósok függőlegesen, helyesen tájolt képet kapjanak a keresőn keresztül. A pentaprizma belülről ötször veri vissza a fényt , korrigálja a kamera lencséje által előállított fordított és fordított képet anélkül, hogy további optikai elemekre lenne szükség.

A digitális kivetítők prizmaszerelvényeket használnak a különálló vörös, zöld és kék LCD-panelekről vagy DLP-chipekről származó képek kombinálására. A dikroikus prizmarendszer a A háromchipes projektor a professzionális szabványok 2%-án belüli színpontosságot képes elérni .

Tudományos műszerezés

A spektrométerek prizmákat használnak az anyagok összetételének elemzésére. Például a csillagászati ​​spektrográfok prizmás diszperziót alkalmaznak a távoli csillagok kémiai összetételének meghatározására. A Hubble Űrteleszkóp spektroszkópiai műszerei képesek a vegyi anyagok mennyiségének kimutatására 5%-nál jobb pontosság csillagok légkörében.

A kémiai laboratóriumokban az Abbe refraktométerek prizmákat használnak a folyadékok törésmutatójának mérésére. négy tizedesjegy pontossággal , amely lehetővé teszi az anyagok pontos azonosítását és a koncentráció mérését.

Távközlés és lézertechnológia

A száloptikai rendszerek prizmákat használnak a hullámhosszosztásos multiplexeléshez, ahol több különböző hullámhosszú adatfolyam halad át egyetlen szálon. A modern DWDM rendszerek több mint 80 különálló csatornát képesek multiplexelni , amelyek mindegyike 100 Gbps sebességet hordoz, prizma alapú hullámhossz-leválasztással.

A lézersugár-kormányzási rendszerek forgó prizmákat vagy prizmapárokat alkalmaznak a sugár irányának pontos szabályozására anélkül, hogy magát a lézerforrást elmozdítanák. helymeghatározási pontosság mikroradiánon belül .

Fogyasztói optika

A távcsövek Porro- vagy tetőprizmákat tartalmaznak, így kompakt, ergonomikus kialakítást hoznak létre, miközben nagyított, helyesen tájolt képeket biztosítanak. A kiváló minőségű távcsövek fáziskorrekciós bevonatot alkalmaznak a tetőprizmákon, hogy elérjék a 90%-ot meghaladó fényáteresztést , vetekszik a közvetlen megtekintés fényerejével.

Anyagok és gyártás

Az optikai prizma teljesítménye alapvetően függ az anyagtulajdonságoktól és a gyártási pontosságtól.

Általános prizmaanyagok

• BK7 üveg: A legelterjedtebb 1,517-es törésmutatójú optikai üveg, amelyet általános célú prizmákban használnak 380-2100 nm hullámhosszra
• Olvasztott szilícium-dioxid: Kivételes átvitelt biztosít ultraibolya tartományban és alacsony hőtágulást, ami kritikus a nagy teljesítményű lézeres alkalmazásoknál
• SF11 üveg: A magas törésmutató (1,785) nagyobb diszperziót biztosít, ideális kompakt spektroszkópiai rendszerekhez
• Kalcium-fluorid: Infravörös és ultraibolya hullámhosszokat sugároz, amelyek elengedhetetlenek a speciális spektroszkópiához, 180 nm és 8000 nm között

Precíziós gyártás

A precíziós prizmák rendkívüli gyártási tűréseket igényelnek. A felület síkságának általában jobbnak kell lennie, mint λ/4 (a fény hullámhosszának egynegyede) , ami a látható fénynél 150 nanométernél kisebb eltérést jelent. A szögpontossági követelmények ugyanilyen szigorúak, gyakran belül vannak megadva ívmásodperc (1/3600 fok) .

Az optikai bevonatok jelentősen javítják a prizma teljesítményét. A tükröződésgátló bevonatok 4%-ról csökkenthetik a felületi visszaverődési veszteséget felületenként kevesebb, mint 0,25%. . A reflexiós felületeken lévő fémes vagy dielektromos bevonatok javítják a hatékonyságot és lehetővé teszik a hullámhossz-szelektív visszaverődést.

Előnyök és korlátok

Ahhoz, hogy megértsük, mikor kell prizmákat használni az alternatív optikai alkatrészekkel szemben, ismerni kell azok erősségeit és gyengeségeit.

Főbb előnyök

• Nincs abszorpciós veszteség: A teljes belső reflexiós prizmák gyakorlatilag 100%-os visszaverődési hatékonyságot érnek el, ami jobb, mint a fémes tükrök, amelyek általában 90-95%-ot tükröznek.
• Hullámhossz elválasztás: A prizmák folyamatos hullámhossz-diszperziót biztosítanak, ellentétben a diffrakciós rácsokkal, amelyek többszörös sorrendet hoznak létre
• Tartósság: A belső reflexiós felületek védve vannak a környezeti szennyeződésektől és a mechanikai sérülésektől
• Polarizáció szabályozás: Bizonyos prizmatípusok kivételes tisztasággal képesek elkülöníteni vagy elemezni a polarizációs állapotokat

Gyakorlati korlátok

• Méret és súly: Az üvegprizmák lényegesen nehezebbek, mint az egyenértékű tükörrendszerek, ami korlátozza használatukat a súlyérzékeny alkalmazásokban
• Költség: A kiváló minőségű bevonattal ellátott precíziós prizmák 10-50-szer drágábbak lehetnek, mint az egyszerű tükrök
• Kromatikus hatások: A diszperzív prizmák elválasztják a hullámhosszokat, ami nem kívánatos az akromatikus teljesítményt igénylő képalkotó alkalmazásokban
• Hőmérséklet érzékenység: A hőmérséklet hatására bekövetkező törésmutató-változások befolyásolhatják a prizma teljesítményét extrém környezetben, tipikusan 1-5 ppm/C Celsius-fokon ingadozással.

A megfelelő prizma kiválasztása

Egy adott alkalmazáshoz megfelelő prizma kiválasztása több tényező szisztematikus figyelembe vételével jár.

Kritikus kiválasztási kritériumok

1. Hullámhossz tartomány: A prizma anyagának hozzáigazítása a működési hullámhosszokhoz; Az UV-alkalmazásokhoz olvasztott szilícium-dioxidra van szükség, míg az IR-hez speciális anyagokra, például cink-szelenidre lehet szükség
2. A nyaláb eltérésére vonatkozó követelmények: Határozza meg a szükséges eltérítési szöget (45°, 90°, 180°) és azt, hogy meg kell-e őrizni a kép tájolását
3. Diszperziós igények: Döntse el, hogy a hullámhossz-leválasztás kívánatos-e vagy problémás-e az alkalmazás szempontjából
4. Méretkorlátozások: Vegye figyelembe a fizikai helykorlátozásokat és a súlykorlátozásokat
5. Erőkezelés: A nagy teljesítményű lézeres alkalmazásokhoz általában magas károsodási küszöbű anyagokra van szükség nagyobb, mint 10 J/cm² olvasztott szilícium-dioxidhoz

A bevonattal kapcsolatos szempontok

Az optikai bevonatok kiválasztása drámaian befolyásolja a prizma teljesítményét. A szabványos tükröződésgátló bevonatok biztosítják felületenként 0,5% alatti visszaverődés a látható hullámhosszokon, míg a szélessávú bevonatok ezt a teljesítményt 400-700 nm-ről növelik. Kritikus alkalmazások esetén egyedi többrétegű bevonatok érhetők el fényvisszaverő képesség 0,1% alatt meghatározott hullámhosszokon.

A reflexiós felületeken lévő fémes bevonatok (alumínium vagy ezüst) lehetővé teszik a kritikus szögön túli használatot, de ennek költsége 3-10% visszaverődési veszteség . A védett ezüst bevonatok kiváló visszaverődést biztosítanak az infravörös sugárzásban, miközben megfelelő láthatóságot biztosítanak.

A prizmatechnológia jövőbeli fejlesztései

Az anyagtudomány és a gyártás fejlődése a prizma-képességek és alkalmazások bővülését jelenti.

Metaanyag prizmák

A kutatók prizmákat fejlesztenek metaanyagok – a természetben nem található optikai tulajdonságokkal rendelkező, mesterségesen strukturált anyagok – felhasználásával. Ezek a metaanyag-prizmák képesek elérni negatív fénytörés vagy szuperdiszperzió , amely ultrakompakt spektroszkópiai rendszereket és új képalkotó eszközöket tesz lehetővé. A korai prototípusok mutatják a diszperziós együtthatók 10-szer nagyobbak mint a hagyományos üveg.

Adaptív prizmák

A folyadékkristályos és elektrooptikai anyagok lehetővé teszik az elektromosan hangolható prizmákat, amelyek dinamikusan módosíthatják optikai tulajdonságaikat. Ezek az eszközök forradalmasíthatják a sugárirányítást és a hullámhossz-választást kapcsolási idő 1 milliszekundum alatt és nincs mozgó alkatrész.

Miniatürizálás

A félvezető gyártási technikákkal előállított mikroprizmatömbök integrált fotonikus eszközöket tesznek lehetővé. Ezek a mikrométerben mért mikroszkopikus prizmák kritikus összetevői az optikai MEMS-eszközöknek és az okostelefon-kameráknak, ahol A prizmatömbök optikai képstabilizálást biztosítanak 5 mm-nél kisebb átmérőjű csomagokban.