A prizma egy darab vágott üvegtömb , amely általában három oldalból áll egy háromszög alapon, de ez bonyolultabb alakokat is felvehet, és távol áll a szokásos háromszög alapú prizmától. Ez egy optikai eszköz használható Refract fény, tükrözi azt , vagy szétszórják azt. Speciális prizmák is alkalmazhatók a fény diffrakciójára, polarizálására, szétválasztására, vagy akár interferencia létrehozására.
Az ókorban dekoratív oldala, gyöngy formájában vagy a fény lebontására használt prizma a késő középkor végén tudományos eszközként fejlődött ki először . Ez nagy előrelépéseket tett lehetővé a fény összetételének megértésében Isaac Newton kísérleteivel a XVIII . Században . Azóta a prizmákat főleg spektroszkópiában és minden olyan alkalmazásban használják, ahol a sugár eltérése vagy hasadása szükséges. A spektroszkópia aranykora óta kezdetleges eszköznek tekintik a prizmákat, amelyek az optikában mindenütt jelen vannak, többféle alkalmazásban, például harmonikus szétválasztásban.
Úgynevezett Vitrum trigonum az ókori Rómában , a történet szerint Plinius is említi annak létezését a folyosón foglalkozó prizmával vágott kristály képes átalakítani a napfényt egy szivárvány . A gyártás ebben az időben a prizma alakú üveggyöngyök ben igazolt különösen a helyszínen Ban Don Ta Phet ( thai : บ้าน ดอน ตา เพชร ), egy vaskori régészeti lelőhely a Amphoe Phanom Thuan a Thaiföldön . Ezeket az átlátszó vagy áttetsző gyöngyöket szándékosan, például háromszög vagy hatszög alapú természetes kristályokhoz hasonló prizmák formájában vágják. A prizmák vagy hasonló elemek létezését Seneca is igazolja, aki a Questiones naturæ üvegrudakban említi a fény szivárvánnyá történő átalakítását, olyan prizmákat, amelyeket korában széles körben használtak volna. Seneca ugyanakkor a szivárvány színeit a szökevény hamis színeknek tulajdonítja, például a galamb tollának irizáló visszaverődését. 1275-ben Vitellion úgy reprodukálta ezt a jelenséget, hogy egy hatszögletű alapprizmát vízzel töltött meg, a fény áthaladásával a fény lebomlik.
Ha a lencse régóta ismert, a napfény többféle színben történő "átalakulása" még mindig nincs megmagyarázva, és a színeket a XVII . Századra tekintjük fény és árnyék keverékeként, vagy a tárgyak felszínéről származó részecskék hasonló keverékeiként fény. Várnunk kell Isaac Newton kísérleteire, aki a prizma kimenetén a sugár alakváltozásának megértésére törekszik, ahelyett, hogy érdekelnének a színek, hogy a spektrum bomlása megérthető legyen. Az ovális fénysugár deformálódik, amely ütközik az akkor ismert törési törvényekkel : a törésmutatót egyedülállónak és a fényt módosító közegre jellemzőnek tekintették. Newton kísérleteivel kimutatta, hogy nem a prizma módosítja a fényt, hanem az anyag tulajdonságai különböznek a színektől.
A prizmák növekvő használata együtt jár a fehér fényszórás jelenségének felfedezésével és annak megértésével, hogy ez a színek folytonosságából áll. Ennek a prizmás tapasztalatnak is köszönhető, hogy megértettük a teleszkópok kromatikus aberrációinak elkerülhetetlenségét . Elejétől a XIX E század , a kutatás a éterben egyre több, és a kísérleteket, amelyek célja igazolása szaporodnak. 1810-ben François Arago arra törekedett, hogy megfigyelje a fényhullámok sebességének különbségét az éterben, köszönhetően a csillag sugarainak elhajlásának a prizmában a nap különböző szakaszaiban. Ezt az élményt Augustin Fresnel újraértelmezi, és levonja belőle, hogy az éter részleges bevonáson megy keresztül olyan fénytörő közegekben, mint például a prizma. Mindenesetre egy évszázados kutatás az éterelmélet elvetésével zárult.
Az optikában használt prizmák, mivel precíziós alkalmazásokban használják őket, átlátszó, homogén és izotrop anyag blokkok. Ez nagyon fontos üvegminőséget jelent. Egyes prizmák, folyékony prizmák , olyan falak, amelyek szöget képeznek, amelybe folyadék, például víz áramlik.
Kevés a precíziós optikai prizmák vonalmegmunkálására szolgáló gép, a prizmák alakjának, méretének és minőségének sokfélesége miatt. Végfelhasználásuk határozza meg a megmunkálás pontosságát. Találunk a gyártók optikai alkatrészek, precíziós kezdve arcminute hogy ívmásodperces a szög a tetején, és polírozás adottságok akár 20/10 a semmiből, és dig ami a minőség általában megkövetelt lézert alkalmazásokat.
A megmunkálási folyamat hasonló az egyéb optikai üvegkomponensekhez, például a lencsékhez: egy nagyolási lépést hajtanak végre az üvegtömbön, majd finomabb fóliázást végeznek a polírozás előtt, amíg el nem érik a kívánt optikai minőséget. Minden lépésnél a szöget kézzel lehet szabályozni. A prizma gyártása meglehetősen hosszú, és a legbonyolultabb, sok felülettel rendelkező prizmák, például a tetőprizmák, csak meghosszabbítják a megmunkálási időt és megsokszorozzák a szükséges optikai ellenőrzéseket.
E három lépés után egyes prizmák fel nem használt élei letörhetők. Ezután a prizmát reflexió ellen kezelik, ha szükséges.
Az optikai prizmát „nyitási szöge” határozza meg: a 30 ° -os prizma csúcsszöge ilyen. Ez a csúcs a prizma fő éle, a prizma két oldalának metszéspontja alkotja. Háromszög alapú prizma esetén a harmadik arcot „alapnak” nevezik, és csak a teljes reflexiós prizmák esetében lép életbe.
A tetőprizmák olyan prizmák, amelyeknek az egyik oldala már nem lapos, hanem "tetővé" van vágva, vagyis derékszögben egy sarokban. Használhatók a prizma által alkotott kép megfordítására, ez az új él a kép inverziójának kívánt szimmetriatengely mentén helyezkedik el.
A pentaprizmus összetett prizma. Elsősorban optikai keresővel rendelkező reflex kamerák fényképezésénél használják a kép megfordításához, mielőtt továbbítanák az optikai keresőbe. Az első gyártó, aki 1957-ben használta, a Pentax volt .
Az optikai prizmák párban használhatók, térben elválasztva vagy ragasztóval vagy optikai érintkezéssel ragasztva .
A teljes visszaverődésű prizmákat a fény fényveszteség nélküli eltérítésére használják optikai rendszerekben, például távcsőben vagy kamerában; a tükrök alternatívája . A visszatükröződő prizma tehát nagy érdeklődéssel bír a tükrökhöz képest, tekintettel arra, hogy a prizma irányától függetlenül a nyaláb a beeső sugárral ellentétes irányba kerül vissza, párhuzamosan, amíg a prizma felülete valóban egy 90 ° -os szög egymással: ezt a rendszert könnyebb összehangolni, mint egy tükörrendszert, ahol a sugár beesési szöge sokkal nagyobb jelentőséggel bír. A kocka sarokprizmáknak is van ez a sajátosságuk mindhárom dimenzióban.
A prizma geometriai konfigurációja lehetővé teszi a nyaláb anamorfózisát ; gyakran egy prizmapárral hajtják végre, ezt a felhasználást gyakran a lézersugarak szimmetrizálására használják.
Az elv egyszerű geometriai optikán alapszik . Az anamorfózis elvégzéséhez csak egy prizma szükséges, de a sugár elhajlik. Egy prizma tartja az anamorfózis elérése közben a fény irányát. A jobb áteresztés érdekében ezt az összeszerelést leggyakrabban egy közeli vagy derékszögű beesési szöggel és egy Brewster szögprizma kimenettel hajtják végre, így a sugár TM polarizációja teljes mértékben áthalad. Egyetlen prizma egyszerű esetben az anamorfózis - a kimenő sugár és a bejövő sugár aránya - a prizma orientációjától függően a prizma törésmutatójával vagy a az index fordítottja.
Ha pár azonos prizmát használunk az anamorfózis elérésére, akkor a tényező az index négyzetére vagy annak inverz négyzetére növekszik. A kimenő sugár eltolása is marad, amelyet ugyan a bemeneti sugárral párhuzamosan, de a prizmák fénytörései ellensúlyoznak. Az eltolás törléséhez a beállításnak összesen négy prizmát kell tartalmaznia.
Ennek a szerelvénynek a legfőbb korlátja a hullámhosszra való érzékenysége, mivel átvitellel dolgozunk, nem lehet eltérni a kromatikus diszperziótól. Ezenkívül az asztigmatikus nyalábot kibocsátó lézerdiódákat ezek a rendszerek nem tudják anamorfizálni, mivel a prizmák nem tudják összpontosítani a sugár derekát .
A diszperz prizmákat sokat használták spektroszkópiai eszközökben, az úgynevezett spektroszkóp-prizmák és a spektrofotométerek prizma . Az első prizmás spektroszkópot 1860 körül találta ki Gustav Kirchhoff és Robert Bunsen . Jóllehet ezen a területen még mindig széles körben használják, a diffrakciós rácsok mind gazdasági okokból, mind nagyobb felbontóképességük miatt fokozatosan felváltották a prizmákat.
Ezen felhasználás mellett diszpergáló prizmákat is használnak a lézereknél annak érdekében, hogy megtisztítsák például a frekvencia megkétszereződött fénysugarat, vagy két különböző hullámhosszú sugár rekombinálására. A prizma által létrehozott diszperzió lehetővé teheti az emissziós hullámhossz finom beállítását, amikor egy lézerüregbe helyezzük.
Lézer üzemmódban rögzített (angol módú zár ) esetén két diszperzív prizma illeszkedik a frekvenciadiszperzió szabályozásához, mivel az optikai út a hullámhossztól függ, a bevezetett diszperzió rendellenes lehet, de a veszteségek korlátozottak lesznek amint a gerendák a Brewster szögben ütköznek .
Az első prizma egyszerűen szétszórja a fényt egy hullámhosszon, a második prizma pedig az első felé fordítva megtörik a nyalábot a bemeneti sugárral párhuzamosan, de mindegyik hullámhossz egy másik ponton fog kilépni. ezek a pontok a hullámhossztól függenek: ebben az esetben " térbeli csipogásról " beszélünk
A szemészetben a prizmákat akkor alkalmazzák, amikor a sztrabizmus korrekciójára van szükség. A strabismus prizmával történő korrekcióit prismakorrekciónak hívjuk. Lehetséges a túlkorrekció, beszélhetünk prizmatikus hiperkorrekcióról, vagy alulkorrekcióról, beszélünk prizmatikus hipokorrekcióról, erről a strabismusról különböző okokból: a fel nem használt retina területek aktiválása, az ezt követő teljes korrekció fokozatos akklimatizálása stb.
Néha hasznos elkülöníteni a polarizációkat vagy szűrni egy fénysugár polarizációit. Ehhez a lehetséges polarizátorok között létezik prizma-összeállítás. A kettős törésű anyagokból álló legklassikusabb szerelvény két prizmát tartalmaz, amelyeknek a fény polarizációs tengelyei eltérően vannak orientálva, összekapcsolódnak a nagy homlokzattal, és így kockát alkotnak.
Ezeknek az osztókockáknak az az előnye, hogy ellenállnak a nagy erőknek, mivel használatuk abból áll, hogy elválasztanak egy gerendát, és nem veszik fel annak egy részét.
A polarizáló prizmákat még mindig széles körben használják, bár más polarizáló eszközök versenyeznek. Nagyon praktikus az ultraibolya fényben, de korlátozott az anyag tulajdonságai, amelyekből készültek, és / vagy a ragasztó, amely összeköti a két prizmát, Rochon vagy Wollaston típusú polarizáló prizmákat találunk UV-VUV közeli alkalmazásokhoz, hasított prizmákkal kalcitból vagy magnézium-fluoridból.
A következő szakaszok összefüggésében számos számítást dolgoznak ki a következő kommentárokkal:
A prizma szigorú megbélyegzése csak két esetben fordul elő:
A teljes visszaverődés jelensége miatt a rendszer geometriai konfigurációjától és a beesési szögtől függően előfordulhat, hogy a sugár nem tud előjönni. A megjelenési feltételek szükségesek és elégségesek a kimenő sugár fennállásához. A bemenő és a kimenő nyalábra .
Ez először azt jelenti a prizma tetején lévő szög esetében, hogy ahol a korlátozó eset azt sugallja, hogy a fennmaradó rész nem lehet elegendő feltétel a sugár megjelenéséhez, egyes sugarak megtörhetnek a második arc felé, mások pedig teljesen átgondoltak.
Ez a beesési szög szempontjából azt is jelenti .
A Snell-Descartes-törvények szerint az első dioptriánál és a másodiknál. Mivel egy háromszög szögeinek összege megegyezik pi-vel , ezért megkapjuk és .
Ha a szögek nagyon kicsiek, a trigonometrikus függvények korlátozott fejlesztésével lehetséges a szinuszok egyszerűsítése az elérésük szögével .
A beesési szögek ritkán vannak elég alacsonyak ahhoz, hogy e közelítés keretein belül helyezhetők el, azt találjuk:
Az így talált eltérési szögnek van egy minimuma, amely abban a pontban található, ahol az eltérés deriváltját az incidencia függvényében törlik. Ezt úgy találhatjuk meg, hogy az i vonatkozásában levezetjük a kifejezéseket:
És mivel a minimális eltérés abban a szögben lenne, amikor az eltérés deriváltja eltűnik, ez következik:
egyszerűsítve:
Az optikai prizmákhoz használt anyagok indexei nagyobbak, mint 1, ami azt jelenti, hogy az előző képletet kielégítő null kifejezés . A beesési és az előbukkanási szög szinuszai egyenlőek, tehát a két törésszög szinuszszáma egyenlő. Ezért legalább eltérés
A diszperzió jelensége, amely a prizmának adta nemesi betűit, különösen kapcsolódik a felhasznált üveg indexéhez. Az anyag törésmutatója a fény hullámhosszától függ. Az eltérés tehát nem azonos minden hullámhosszon, ami a prizma képletek differenciálásával mutatható ki:
Jön majd: , ami lehet egyszerűsíteni: . Ez a kifejezés azt mutatja, hogy az eltérés az index növekvő függvénye. Cauchy szerint azonban az index a hullámhossz csökkenő függvénye, következésképpen a hosszú (piros) hullámhosszaknak van a legkisebb indexük, és ezért a legkevésbé elhajlottak, ellentétben a diffrakciós rácsokkal, amelyek hullámhosszai ellentétes irányba terelnek: a nagyobbak jobban elhajlanak.
A prizmák spektrometriás eszközként történő tömeges alkalmazásának kezdetén a felhasznált anyagok főleg természetes kristályok voltak, például kristályos kvarc , fluorit és sókristályok, és különösen a közepes infravörös prizmáit a negyvenes évekig vágták le. megfelelő tisztaságúak megtalálásában: a diffrakciós rácsok akkor még drágábbak voltak, mint a prizmák.
A prizmáknak a hálózatokkal szembeni pénzügyi előnye a második világháború után csökkent : a szintetikus kristályok lehetővé tették a prizmák gyártási költségeinek csökkentését, de a hálózatok replikálásának módszereit egyidejűleg fedezték fel.
Diszperzív prizmák esetében az anyagot alapvetően az érdeklődés spektrális sávja és a prizma által elérhető felbontás határozza meg.
Anyag | Spektrális sáv (µm) | A legjobb spektrális felbontás helye (µm) | |
---|---|---|---|
Vezetéknév | Kémiai formula | ||
Lítium-fluorid | LiF | 2–5,3 vagy 0,120–9 µm | 4.3 |
Fluorit | CaF 2 | 5,3–8,5 vagy 0,13–12 µm | 8.3 |
Nátrium-klorid | NaCl | 8,5-15,4 vagy 0,2-26 µm | 11.1 |
Kálium-bromid | KBr | 15,4–26 vagy 0,25–40 µm | 20 |
Cézium-bromid | CsBr | 14–38 vagy 0,3–55 µm | 28.6 |
Cézium-jodid | CsI | 20–50 vagy 0,25–80 µm | 40 |
Vezetéknév | Kémiai formula | Használat |
---|---|---|
Kvarc | SiO 2 | |
Mészpát | CaCO 3 | A kalcit ideálisan alkalmazható a Glan-Taylor eszközhöz , és ez az egyik olyan anyag, amelyet a leghosszabb ideig használnak a prizmák, különösen a Nicol és más Glan típusú prizmák polarizálására . |
Ittrium ortovanadátus | YVO 4 | Mind az ortovanadátot, mind az ittrium-vanadátot Rochon , Wollaston és Glan prizmákhoz használják , a legmegfelelőbb a Glan-Taylor. Nagyon jó 3–5 µm átvitele alkalmassá teszi a NIR-re . |
Bárium-béta-borát (BBO) | β-BaB 2 O 4 | |
Magnézium-fluorid | MgF 2 | Használt VUV-ban, különösen Rochon vagy Wollaston készülékekben. |
Webhelyek:
A cikk szerkesztésében használt könyvek: