Hvordan fungerer et prisme? Lys, refraksjon og dispersjon forklart

Et prisme fungerer ved å bøye lyset når det passerer gjennom glasset, og fordi hver lysfarge bøyer seg i en litt annen vinkel, vifter hvitt lys ut til et fullt synlig spektrum. Denne prosessen involverer to viktige fysiske prinsipper: brytning og spredning . Å forstå hvordan disse to kreftene samhandler forklarer alt fra regnbuer på himmelen til lasereksperimenter i et fysikklaboratorium.

Hva skjer når lys kommer inn i et prisme

Når en lysstråle går fra luft til glass, bremser den ned. Glass er optisk tettere enn luft, noe som betyr at lys beveger seg gjennom det med lavere hastighet. Denne endringen i hastighet får lysstrålen til å bøye seg ved grensen mellom de to materialene. Denne bøyningen kalles brytning .

Mengden av bøyning er beskrevet av Snells lov, som sier at forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og sinusen til brytningsvinkelen er lik forholdet mellom lyshastighetene i de to mediene. Rent praktisk bøyer lyset seg mot en linje vinkelrett på overflaten når det kommer inn i et tettere medium og bøyer seg bort fra det når det går ut.

Et prisme er formet med minst to flate, vinklede overflater. Lys kommer inn gjennom ett ansikt og går ut gjennom et annet. Fordi de to overflatene ikke er parallelle, oppheves ikke brytningen som skjer ved inngangen ved utgang. I stedet forenes begge brytningene og bøyer lyset ytterligere i samme retning.

Hvorfor hvitt lys deler seg i farger

Hvitt lys er ikke en enkelt farge. Det er en blanding av alle fargene i det synlige spekteret, hver med sin egen bølgelengde. Fiolett lys har en bølgelengde på omtrent 380 til 450 nanometer, mens rødt lys sitter i den andre enden på omtrent 620 til 750 nanometer.

Den kritiske detaljen er at glass bremser forskjellige bølgelengder med forskjellige mengder. Kortere bølgelengder, som fiolett, bremser mer inne i glasset og bøyer seg derfor skarpere. Lengre bølgelengder, som rød, bremser mindre og bøyer mindre. Denne variasjonen i bøyevinkel basert på bølgelengde kalles spredning .

I et typisk glassprisme er forskjellen i brytningsindeks mellom fiolett og rødt lys omtrentlig 0,02 til 0,05 , avhengig av type glass. Den lille forskjellen er nok til å spre fargene til en synlig regnbue når lyset kommer ut av prismet.

Fargenes rekkefølge i spekteret

Fargene vises alltid i samme rekkefølge fordi de alltid bøyer seg med faste, forutsigbare mengder. Fra minst bøyd til mest bøyd er rekkefølgen:

• Rødt
• Oransje
• Gul
• Grønn
• Blått
• Indigo
• Fiolett

Dette er den samme sekvensen som sees i naturlige regnbuer, der vanndråper fungerer som små prismer i atmosfæren.

Prismeeformens rolle

Den trekantede formen til et standardprisme er ikke tilfeldig. Vinkelen på toppen av trekanten, kalt apex-vinkelen eller prismevinkelen, styrer direkte hvor mye totalt avvik lyset gjennomgår. En større spissvinkel gir større separasjon mellom farger.

De fleste demonstrasjonsprismer har en spissvinkel på 60 grader , som gir en sterk og lett synlig spredning uten å kreve en ekstrem geometri. Et 30-graders prisme avleder lyset mer skånsomt, mens vinkler over 70 grader begynner å forårsake betydelig lystap på grunn av indre refleksjoner ved overflatene.

Materialet i prismet har også betydning. Tett flintglass har en høyere brytningsindeks enn standard borosilikatglass, så det sprer farger sterkere. Dette er grunnen til at optiske instrumenter som krever presis fargeseparasjon bruker spesiallaget glass i stedet for vanlig vindusglass.

Brytningsindeks sammenlignet på tvers av farger

Selv om forskjellene i brytningsindeksen ser små ut på papiret, gir de en tydelig synlig spredning av farger når prismets geometri forsterker dem over utgangsflaten.

Kan et prisme rekombinere lys tilbake til hvitt

Ja. Isaac Newton demonstrerte dette i 1666 ved å plassere et andre prisme opp ned i banen til det spredte spekteret fra det første. Det andre prismet bøyde hver farge tilbake til justering, og kombinerte dem til en enkelt stråle med hvitt lys. Dette eksperimentet beviste to ting: hvitt lys inneholder alle farger, og prismet i seg selv gir ikke farge til lyset, men avslører bare det som allerede var tilstede.

Denne reversibiliteten er viktig i optisk design. Systemer som trenger å skille bølgelengder for analyse kan senere rekombinere dem uten tap av informasjon, forutsatt ideell optikk uten aberrasjoner.

Praktisk bruk av prismer utover fargeseparasjon

Prismer brukes ikke bare til å lage regnbuer. De tjener en rekke presise funksjoner innen optiske instrumenter og teknologi.

Spektroskopi

Forskere bruker prismebaserte spektrometre for å analysere lyset som sendes ut eller absorberes av stoffer. Hvert element produserer et unikt sett med spektrallinjer, som fungerer som et fingeravtrykk. Astronomer bruker denne teknikken til å bestemme den kjemiske sammensetningen av stjerner som er millioner av lysår unna, uten noen gang å samle en fysisk prøve.

Kikkerter og periskoper

Takprismer og Porro-prismer inne i kikkerten bruker total indre refleksjon heller enn spredning. Når lys treffer den indre overflaten av glasset i en vinkel som er brattere enn den kritiske vinkelen, reflekteres det helt uten tap. Dette gjør at kikkerten kan brette den optiske banen til en kompakt form samtidig som bildets lysstyrke og orientering opprettholdes.

Telekommunikasjon og fiberoptikk

Bølgelengdedelingsmultipleksing i fiberoptiske nettverk bruker dispersjonsbaserte komponenter som fungerer på samme måte som prismer. Ulike datakanaler blir overført på forskjellige bølgelengder av lys og deretter separert eller kombinert ved hjelp av diffraksjonsgitter eller prisme-lignende elementer, slik at en enkelt fiber kan bære enorme mengder informasjon samtidig.

Kamera- og projektorsystemer

Høy-end videokameraer bruker strålesplittende prismer for å dele innkommende lys i separate røde, grønne og blå kanaler, hver fanget opp av en dedikert sensor. Dette gir mer nøyaktig fargegjengivelse enn enkeltsensorsystemer som er avhengige av fargefiltermatriser.

Hvordan innfallsvinkel påvirker utgangen

Vinkelen som lyset treffer prismeoverflaten med påvirker resultatet betydelig. Ved minimum avviksvinkel passerer lyset symmetrisk gjennom prismet og spredningen er renest. Ved brattere innfallsvinkler kan noen bølgelengder gjennomgå total intern refleksjon og ikke gå ut av prismet i det hele tatt.

For et 60-graders kroneglassprisme er minimum avviksvinkel omtrentlig 37 til 40 grader for synlig lys. Optiske ingeniører beregner dette nøyaktig når de designer instrumenter for å sikre at de ønskede bølgelengdene passerer gjennom med minimal forvrengning.

Hvis lys treffer overflaten i en for liten vinkel, kan det reflekteres i stedet for å komme inn i glasset i det hele tatt, et fenomen styrt av Fresnel-ligningene. Antirefleksbelegg av høy kvalitet optiske prismer minimer dette overflatetapet og forbedre overføringseffektiviteten.

Forskjellen mellom prismer og diffraksjonsgitter

Både prismer og diffraksjonsgitter kan skille lys i dets komponentbølgelengder, men de gjør det gjennom helt andre fysiske mekanismer. Et prisme bruker brytning og bølgelengdeavhengigheten til brytningsindeksen. Et diffraksjonsgitter bruker interferensen fra lysbølger som er spredt fra en overflate dekket med tusenvis av fine parallelle linjer.

Spesielt er fargerekkefølgen reversert mellom de to. I et prisme er fiolett bøyd mest. I et diffraksjonsgitter diffrakteres rødt til den største vinkelen. Denne forskjellen er en direkte konsekvens av den underliggende fysikken i hvert enkelt tilfelle.

Hvorfor noen materialer sprer lys mer enn andre

Tendensen til et materiale til å spre lys måles ved dets Abbe-nummer. A lavt Abbe-tall betyr høy spredning, noe som betyr at materialet skiller farger sterkt. Et høyt Abbe-tall betyr lav spredning. Tett flintglass har et Abbe-tall rundt 36, mens borosilikatkroneglass er nær 64.

I kameralinser er høy spredning vanligvis uønsket fordi det skaper kromatisk aberrasjon, der forskjellige farger fokuserer på litt forskjellige avstander og produserer frynser eller uskarphet. Linsedesignere kombinerer bevisst elementer laget av høy- og lavspredningsglass for å oppheve den kromatiske feilen, en teknikk som kalles akromatisk korreksjon.

I et prismespektrometer er høy spredning imidlertid akkurat det du ønsker. Jo sterkere spredningen er, jo mer spredt spekteret, noe som gjør det lettere å skille bølgelengder med tett avstand.

Viktige takeaways

Et prisme deler hvitt lys inn i et spektrum fordi glass bremser forskjellige bølgelengder med forskjellige mengder, noe som får hver farge til å brytes i en unik vinkel. Den trekantede geometrien til prismet sikrer at både inn- og utgangsbrytninger bøyer lyset i samme retning, og forsterker separasjonen. Resultatet er en synlig regnbue som går fra rød i den grunne enden til fiolett i den bratte enden.

1. Refraksjon får lys til å bøye seg når det beveger seg mellom materialer med ulik optisk tetthet.
2. Spredning får forskjellige bølgelengder til å bøye seg i forskjellige mengder innenfor samme materiale.
3. Prismeformen forener brytningen på to overflater, og produserer en synlig separasjon av farger.
4. Prosessen er fullt reversibel, som Newton beviste ved å rekombinere spekteret med et andre prisme.
5. Prismer brukes i spektroskopi, bildebehandlingssystemer, kikkerter og telekommunikasjon, ikke bare i klasseromsdemonstrasjoner.