Hva er et optisk prisme? Typer, funksjoner og applikasjoner

Forstå optiske prismer

An optisk prisme er et transparent optisk element med flate, polerte overflater som bryter lys. Det grunnleggende prinsippet bak et prisme er at det kan bøye, reflektere eller splitte lys basert på geometrien og brytningsegenskapene til materialet. . I motsetning til linser som bruker buede overflater, bruker prismer plane overflater plassert i bestemte vinkler for å manipulere lysbaner.

De fleste optiske prismer er laget av glass eller gjennomsiktig plast med presise brytningsindekser. Den mest gjenkjennelige formen er det trekantede prismet, som sprer hvitt lys i dets konstituerende spektrumfarger – et fenomen som først systematisk ble studert av Isaac Newton i 1666. Prismer tjener imidlertid langt flere formål enn å lage regnbuer; de er essensielle komponenter i en rekke optiske systemer, alt fra enkle periskoper til avanserte spektrometre.

Nøkkelegenskapen som skiller prismer fra andre optiske elementer er deres evne til å endre lysretningen uten å nødvendigvis fokusere det , noe som gjør dem uvurderlige for strålestyring, bildeorienteringskorreksjon og bølgelengdeseparasjon.

Hvordan optiske prismer fungerer

Operasjonen til optiske prismer er styrt av to grunnleggende optiske prinsipper: brytning og total intern refleksjon.

Refraksjon i prismer

Når lys kommer inn i et prisme i en vinkel, bøyer det seg i henhold til Snells lov. Graden av bøyning avhenger av lysets bølgelengde og brytningsindeksen til prismematerialet . For standard optisk glass (kroneglass) er brytningsindeksen omtrent 1,52, noe som betyr at lys beveger seg 1,52 ganger langsommere i glasset enn i luft.

Denne bølgelengdeavhengige brytningen forklarer hvorfor prismer kan skille hvitt lys i farger – blått lys bøyer seg skarpere enn rødt lys fordi det har en kortere bølgelengde. I et typisk dispersivt prisme med en 60-graders spissvinkel , vinkelseparasjonen mellom rødt og fiolett lys er omtrentlig 3 grader .

Total intern refleksjon

Mange prismer utnytter total intern refleksjon i stedet for refraksjon. Når lys som beveger seg gjennom et tettere medium (som glass) treffer grensen med et mindre tett medium (som luft) i en vinkel større enn den kritiske vinkelen, 100 % av lyset reflekteres tilbake til det tettere mediet . For kroneglass er denne kritiske vinkelen ca 41,8 grader .

Dette fenomenet gjør at prismer kan fungere som svært effektive speil uten metalliske belegg, noe som gjør dem overlegne i forhold til konvensjonelle speil i mange bruksområder siden det er null lystap fra absorpsjon.

Vanlige typer optiske prismer

Optiske prismer er kategorisert basert på deres geometri og primære funksjon. Hver type tjener spesifikke applikasjoner i optiske systemer.

Dispersive prismer

Det klassiske trekantede prismet sprer først og fremst lys. Disse prismene er preget av deres toppvinkel (vanligvis mellom 30 og 60 grader ) og er grunnleggende for spektroskopisk analyse. Moderne spektrometre kan bruke prismespredning for å identifisere materialer ved deres spektrale signaturer bølgelengdeoppløsning ned til 0,1 nanometer .

Reflekterende prismer

Reflekterende prismer omdirigerer lys uten betydelig spredning. Porro-prismesystemet, oppfunnet av Ignazio Porro i 1854, er fortsatt standarden i mange kikkerter. Et par Porro-prismer kan reise et invertert bilde samtidig som den øker den optiske banelengden , som tillater kompakte instrumentdesign med effektiv forstørrelse.

Polariserende prismer

Spesialiserte prismer som Nicol-prisme eller Glan-Thompson-prisme skiller lys i ortogonale polarisasjonstilstander. Disse enhetene oppnår ekstinksjonsforhold som overstiger 100 000:1 , noe som gjør dem essensielle for polarimetri og optiske forskningsapplikasjoner.

Virkelige anvendelser av optiske prismer

Optiske prismer er allestedsnærværende i moderne teknologi, og fungerer ofte usynlig innenfor enheter vi bruker daglig.

Fotografering og bildebehandling

Single-linse reflex (SLR)-kameraer er avhengige av pentaprismer for å gi fotografer en oppreist, korrekt orientert visning gjennom søkeren. En pentaprisme reflekterer lys fem ganger innvendig , korrigerer det inverterte og reverserte bildet produsert av kameralinsen uten å kreve ekstra optiske elementer.

Digitale projektorer bruker prismesammenstillinger for å kombinere bilder fra separate røde, grønne og blå LCD-paneler eller DLP-brikker. Det dikroiske prismesystemet i en tre-brikke projektor kan oppnå fargenøyaktighet innenfor 2 % av profesjonelle standarder .

Vitenskapelig instrumentering

Spektrometre bruker prismer for å analysere sammensetningen av materialer. For eksempel bruker astronomiske spektrografer prismespredning for å bestemme den kjemiske sammensetningen av fjerne stjerner. Hubble-romteleskopets spektroskopiske instrumenter kan oppdage kjemiske overflod med presisjon bedre enn 5 % i stjerneatmosfærer.

I kjemilaboratorier bruker Abbe refraktometre prismer for å måle brytningsindeksen til væsker med nøyaktighet til fire desimaler , som muliggjør nøyaktig identifikasjon av stoffer og konsentrasjonsmålinger.

Telekommunikasjon og laserteknologi

Fiberoptiske systemer bruker prismer for bølgelengdedelingsmultipleksing, der flere datastrømmer ved forskjellige bølgelengder reiser gjennom en enkelt fiber. Moderne DWDM-systemer kan multipleksere over 80 separate kanaler , som hver bærer 100 Gbps, ved bruk av prismebasert bølgelengdeseparasjon.

Laserstrålestyringssystemer bruker roterende prismer eller prismepar for å nøyaktig kontrollere stråleretningen uten å flytte selve laserkilden, og oppnå posisjoneringsnøyaktighet innenfor mikroradianer .

Forbrukeroptikk

Kikkerter har Porro- eller takprismer for å skape en kompakt, ergonomisk design samtidig som den gir forstørrede, riktig orienterte bilder. Kikkerter av høy kvalitet bruker fasekorrigerende belegg på takprismer for å oppnå lystransmisjon som overstiger 90 % , som konkurrerer med lysstyrken til direkte visning.

Materialer og produksjon

Ytelsen til et optisk prisme avhenger kritisk av dets materialegenskaper og produksjonspresisjon.

Vanlige prismematerialer

• BK7 glass: Det vanligste optiske glasset med brytningsindeks 1.517, brukt i prismer for generelle formål for bølgelengder fra 380-2100 nm
• Fused Silica: Tilbyr eksepsjonell overføring i ultrafiolett rekkevidde og lav termisk ekspansjon, kritisk for laserapplikasjoner med høy effekt
• SF11 glass: Høy brytningsindeks (1.785) gir større spredning, ideell for kompakte spektroskopiske systemer
• Kalsiumfluorid: Sender infrarøde og ultrafiolette bølgelengder, avgjørende for spesialisert spektroskopi med overføring fra 180 nm til 8000 nm

Produksjonspresisjon

Presisjonsprismer krever ekstraordinære produksjonstoleranser. Overflatens flathet må typisk være bedre enn λ/4 (en fjerdedel av lysets bølgelengde) , som betyr avvik mindre enn 150 nanometer for synlig lys. Kravene til vinkelnøyaktighet er like strenge, ofte spesifisert innenfor buesekunder (1/3600 av en grad) .

Optiske belegg forbedrer prismeytelsen betydelig. Antirefleksjonsbelegg kan redusere overflaterefleksjonstap fra 4 % til mindre enn 0,25 % per overflate . Metalliske eller dielektriske belegg på refleksjonsflater forbedrer effektiviteten og muliggjør bølgelengdeselektiv refleksjon.

Fordeler og begrensninger

For å forstå når du skal bruke prismer kontra alternative optiske komponenter, kreves det å kjenne deres styrker og svakheter.

Viktige fordeler

• Ingen absorpsjonstap: Totale interne refleksjonsprismer oppnår praktisk talt 100 % refleksjonseffektivitet, overlegen metalliske speil som vanligvis reflekterer 90–95 %
• Bølgelengdeseparasjon: Prismer gir kontinuerlig bølgelengdespredning, i motsetning til diffraksjonsgitter som produserer flere ordrer
• Holdbarhet: Innvendige refleksjonsflater er beskyttet mot miljøforurensning og mekanisk skade
• Polarisasjonskontroll: Visse prismetyper kan skille eller analysere polarisasjonstilstander med eksepsjonell renhet

Praktiske begrensninger

• Størrelse og vekt: Glassprismer er vesentlig tyngre enn tilsvarende speilsystemer, noe som begrenser bruken av dem i vektfølsomme applikasjoner
• Kostnad: Presisjonsprismer med belegg av høy kvalitet kan koste 10-50 ganger mer enn enkle speil
• Kromatiske effekter: Dispersive prismer skiller bølgelengder, noe som er uønsket i bildebehandlingsapplikasjoner som krever akromatisk ytelse
• Temperaturfølsomhet: Brytningsindeksendringer med temperatur kan påvirke prismeytelsen i ekstreme miljøer, med typiske variasjoner på 1-5 deler per million per grad Celsius

Velge riktig prisme

Å velge et passende prisme for en spesifikk applikasjon innebærer å vurdere flere faktorer systematisk.

Kritiske utvalgskriterier

1. Bølgelengdeområde: Match prismemateriale til driftsbølgelengder; UV-applikasjoner krever smeltet silika, mens IR kan trenge spesialiserte materialer som sinkselenid
2. Krav til stråleavvik: Bestem nødvendig avbøyningsvinkel (45°, 90°, 180°) og om bildeorienteringen må bevares
3. Spredningsbehov: Bestem om bølgelengdeseparasjon er ønsket eller problematisk for applikasjonen
4. Størrelsesbegrensninger: Vurder fysiske plassbegrensninger og vektbegrensninger
5. Krafthåndtering: Laserapplikasjoner med høy effekt krever vanligvis materialer med høye skadeterskler større enn 10 J/cm² for smeltet silika

Beleggshensyn

Valget av optiske belegg påvirker prismeytelsen dramatisk. Standard antirefleksbelegg gir refleksjon under 0,5 % per overflate over synlige bølgelengder, mens bredbåndsbelegg utvider denne ytelsen fra 400-700 nm. For kritiske applikasjoner kan tilpassede flerlagsbelegg oppnås reflektivitet under 0,1 % ved bestemte bølgelengder.

Metalliske belegg (aluminium eller sølv) på refleksjonsflater muliggjør bruk utover den kritiske vinkelen, men på bekostning av 3-10 % refleksjonstap . Beskyttede sølvbelegg gir overlegen reflektivitet i det infrarøde, samtidig som tilstrekkelig synlig ytelse opprettholdes.

Fremtidig utvikling innen prismeteknologi

Fremskritt innen materialvitenskap og produksjon utvider prismekapasiteter og -applikasjoner.

Metamateriale prismer

Forskere utvikler prismer ved hjelp av metamaterialer - kunstig strukturerte materialer med optiske egenskaper som ikke finnes i naturen. Disse metamateriale prismene kan oppnå negativ brytning eller superdispersjon , som muliggjør ultrakompakte spektroskopiske systemer og nye bildeenheter. Tidlige prototyper demonstrerer spredningskoeffisienter 10 ganger større enn vanlig glass.

Adaptive prismer

Flytende krystall og elektro-optiske materialer muliggjør elektrisk avstembare prismer som dynamisk kan justere deres optiske egenskaper. Disse enhetene kan revolusjonere strålestyring og valg av bølgelengde, med koblingstider under 1 millisekund og ingen bevegelige deler.

Miniatyrisering

Mikroprisme-arrayer produsert ved bruk av halvlederproduksjonsteknikker muliggjør integrerte fotoniske enheter. Disse mikroskopiske prismene, med dimensjoner målt i mikrometer, er kritiske komponenter i optiske MEMS-enheter og smarttelefonkameraer, der prismearrayer gir optisk bildestabilisering i pakker mindre enn 5 mm i diameter.