Ce este o prismă optică? Tipuri, funcții și aplicații

Înțelegerea prismelor optice

An prismă optică este un element optic transparent cu suprafețe plane, lustruite, care refractează lumina. Principiul fundamental din spatele unei prisme este că poate îndoi, reflecta sau diviza lumina pe baza geometriei sale și a proprietăților de refracție ale materialului său. . Spre deosebire de lentilele care folosesc suprafețe curbate, prismele utilizează suprafețe plane poziționate la unghiuri specifice pentru a manipula căile luminii.

Majoritatea prismelor optice sunt fabricate din sticlă sau materiale plastice transparente cu indici de refracție precisi. Cea mai recunoscută formă este prisma triunghiulară, care dispersează lumina albă în culorile sale constitutive ale spectrului – un fenomen studiat pentru prima dată sistematic de Isaac Newton în 1666. Cu toate acestea, prismele servesc mult mai mult decât crearea de curcubee; sunt componente esențiale în numeroase sisteme optice, de la periscoape simple la spectrometre avansate.

Caracteristica cheie care distinge prismele de alte elemente optice este capacitatea lor de a schimba direcția luminii fără a o focaliza neapărat. , făcându-le de neprețuit pentru direcția fasciculului, corecția orientării imaginii și aplicațiile de separare a lungimii de undă.

Cum funcționează prismele optice

Funcționarea prismelor optice este guvernată de două principii optice fundamentale: refracția și reflexia internă totală.

Refracția în prisme

Când lumina intră într-o prismă sub un unghi, se îndoaie conform legii lui Snell. Gradul de îndoire depinde de lungimea de undă a luminii și de indicele de refracție al materialului prismei . Pentru sticla optică standard (sticlă coroană), indicele de refracție este de aproximativ 1,52, ceea ce înseamnă că lumina se deplasează de 1,52 ori mai lent în sticlă decât în ​​aer.

Această refracție dependentă de lungimea de undă explică de ce prismele pot separa lumina albă în culori - lumina albastră se îndoaie mai puternic decât lumina roșie, deoarece are o lungime de undă mai scurtă. Într-o prismă dispersivă tipică cu a Unghi de vârf de 60 de grade , separarea unghiulară dintre lumina roșie și violetă este de aproximativ 3 grade .

Reflecție internă totală

Multe prisme exploatează reflexia internă totală mai degrabă decât refracția. Când lumina care călătorește printr-un mediu mai dens (cum ar fi sticla) lovește limita cu un mediu mai puțin dens (cum ar fi aerul) la un unghi mai mare decât unghiul critic, 100% din lumină se reflectă înapoi în mediul mai dens . Pentru sticla coroană, acest unghi critic este de aproximativ 41,8 grade .

Acest fenomen permite prismelor să funcționeze ca oglinzi foarte eficiente fără acoperiri metalice, făcându-le superioare oglinzilor convenționale în multe aplicații, deoarece nu există pierderi de lumină din absorbție.

Tipuri comune de prisme optice

Prismele optice sunt clasificate în funcție de geometria și funcția lor primară. Fiecare tip servește aplicații specifice în sisteme optice.

Prisme dispersive

Prisma triunghiulară clasică dispersează în primul rând lumina. Aceste prisme sunt caracterizate prin unghiul lor de vârf (de obicei între 30 și 60 de grade ) și sunt fundamentale pentru analiza spectroscopică. Spectrometrele moderne pot folosi dispersia prismă pentru a identifica materialele după semnăturile lor spectrale rezoluție a lungimii de undă de până la 0,1 nanometri .

Prisme reflectorizante

Prismele reflectorizante redirecționează lumina fără dispersie semnificativă. Sistemul de prisme Porro, inventat de Ignazio Porro în 1854, rămâne standardul în multe binocluri. O pereche de prisme Porro poate ridica o imagine inversată în timp ce crește lungimea căii optice , permițând modele compacte de instrumente cu mărire eficientă.

Prisme polarizante

Prismele specializate precum prisma Nicol sau prisma Glan-Thompson separă lumina în stări de polarizare ortogonală. Aceste dispozitive realizează rate de extincție care depășesc 100.000:1 , făcându-le esențiale pentru aplicații de polarimetrie și cercetare optică.

Aplicații în lumea reală ale prismelor optice

Prismele optice sunt omniprezente în tehnologia modernă, funcționând adesea în mod invizibil în dispozitivele pe care le folosim zilnic.

Fotografie și imagistică

Camerele reflex cu un singur obiectiv (SLR) se bazează pe pentaprisme pentru a oferi fotografilor o vedere verticală, orientată corect prin vizor. O pentaprismă reflectă lumina de cinci ori în interior , corectând imaginea inversată și inversată produsă de obiectivul camerei fără a necesita elemente optice suplimentare.

Proiectoarele digitale folosesc ansambluri de prisme pentru a combina imaginile de la panouri LCD roșii, verzi și albastre separate sau cipuri DLP. Sistemul de prisme dicroice în a Proiectorul cu trei cipuri poate atinge acuratețea culorilor cu 2% din standardele profesionale .

Instrumentatie stiintifica

Spectrometrele folosesc prisme pentru a analiza compoziția materialelor. De exemplu, spectrografele astronomice folosesc dispersia prismelor pentru a determina compoziția chimică a stelelor îndepărtate. Instrumentele spectroscopice ale telescopului spațial Hubble pot detecta abundența chimică precizie mai mare de 5% în atmosfere stelare.

În laboratoarele de chimie, refractometrele Abbe folosesc prisme pentru a măsura indicele de refracție al lichidelor cu precizie la patru zecimale , permițând identificarea precisă a substanțelor și măsurătorile concentrației.

Telecomunicații și tehnologie laser

Sistemele de fibră optică folosesc prisme pentru multiplexarea prin diviziune a lungimii de undă, în care fluxuri multiple de date la lungimi de undă diferite călătoresc printr-o singură fibră. Sistemele moderne DWDM pot multiplexa peste 80 de canale separate , fiecare transportând 100 Gbps, folosind separarea lungimii de undă bazată pe prisme.

Sistemele de direcție a fasciculului laser utilizează prisme rotative sau perechi de prisme pentru a controla cu precizie direcția fasciculului fără a muta sursa laser în sine, realizând precizia de poziționare în microradiani .

Optica de consum

Binoclul încorporează Porro sau prisme de acoperiș pentru a crea un design compact, ergonomic, oferind în același timp imagini mărite, orientate corect. Binoclul de înaltă calitate utilizează acoperiri de corectare a fază pe prismele de acoperiș pentru a obține o transmisie a luminii care depășește 90% , rivalizând cu luminozitatea vizionării directe.

Materiale și fabricație

Performanța unei prisme optice depinde în mod critic de proprietățile materialelor sale și de precizia de fabricație.

Materiale Prism comune

• Sticla BK7: Cea mai comună sticlă optică cu indice de refracție 1,517, utilizată în prisme de uz general pentru lungimi de undă de la 380-2100 nm
• Silice topită: Oferă transmisie excepțională în domeniul ultraviolet și expansiune termică scăzută, critică pentru aplicațiile laser de mare putere
• Sticla SF11: Indicele de refracție ridicat (1,785) asigură o dispersie mai mare, ideală pentru sistemele spectroscopice compacte
• Fluorura de calciu: Transmite lungimi de undă în infraroșu și ultraviolete, esențiale pentru spectroscopie specializată cu transmisie de la 180 nm la 8000 nm

Precizie de fabricație

Prismele de precizie necesită toleranțe extraordinare de fabricație. Planeitatea suprafeței trebuie să fie de obicei mai bună decât λ/4 (un sfert din lungimea de undă a luminii) , care se traduce prin abateri mai mici de 150 de nanometri pentru lumina vizibilă. Cerințele de precizie a unghiului sunt la fel de stricte, adesea specificate în interior secunde de arc (1/3600 de grad) .

Acoperirile optice îmbunătățesc semnificativ performanța prismei. Acoperirile anti-reflexie pot reduce pierderile de reflexie la suprafață de la 4% la mai puțin de 0,25% pe suprafață . Acoperirile metalice sau dielectrice de pe suprafețele de reflexie îmbunătățesc eficiența și permit reflexia selectivă a lungimii de undă.

Avantaje și limitări

Înțelegerea când să folosiți prisme versus componente optice alternative necesită cunoașterea punctelor forte și a punctelor slabe ale acestora.

Avantaje cheie

• Fără pierderi de absorbție: Prismele de reflexie internă totală ating o eficiență de reflexie de aproape 100%, superioară oglinzilor metalice care reflectă de obicei 90-95%
• Separarea lungimii de unda: Prismele asigură o dispersie continuă a lungimii de undă, spre deosebire de rețelele de difracție care produc ordine multiple
• Durabilitate: Suprafețele interioare de reflexie sunt protejate de contaminarea mediului și daune mecanice
• Controlul polarizării: Anumite tipuri de prisme pot separa sau analiza stările de polarizare cu o puritate excepțională

Limitări practice

• Dimensiune si greutate: Prismele de sticlă sunt substanțial mai grele decât sistemele de oglindă echivalente, limitând utilizarea lor în aplicații sensibile la greutate
• Cost: Prismele de precizie cu acoperiri de înaltă calitate pot costa de 10-50 de ori mai mult decât oglinzile simple
• Efecte cromatice: Prismele dispersive separă lungimile de undă, ceea ce este nedorit în aplicațiile de imagistică care necesită performanță acromatică
• Sensibilitate la temperatura: Modificările indicelui de refracție cu temperatura pot afecta performanța prismei în medii extreme, cu variații tipice de 1-5 părți per milion pe grad Celsius

Selectarea prismei potrivite

Alegerea unei prisme adecvate pentru o anumită aplicație implică luarea în considerare a mai multor factori în mod sistematic.

Criterii critice de selecție

1. Gama de lungimi de unda: Potriviți materialul prismei cu lungimile de undă de lucru; Aplicațiile UV necesită silice topită, în timp ce IR poate avea nevoie de materiale specializate, cum ar fi seleniura de zinc
2. Cerințe de abatere a fasciculului: Determinați unghiul de deviere necesar (45°, 90°, 180°) și dacă orientarea imaginii trebuie păstrată
3. Nevoi de dispersie: Decideți dacă separarea lungimii de undă este dorită sau problematică pentru aplicație
4. Constrângeri de dimensiune: Luați în considerare limitările de spațiu fizic și restricțiile de greutate
5. Manevrarea puterii: Aplicațiile laser de mare putere necesită materiale cu praguri mari de deteriorare, de obicei mai mare de 10 J/cm² pentru silice topită

Considerații privind acoperirea

Alegerea acoperirilor optice afectează dramatic performanța prismei. Acoperirile antireflex standard oferă reflexie sub 0,5% pe suprafață pe lungimi de undă vizibile, în timp ce acoperirile de bandă largă extind această performanță de la 400-700 nm. Pentru aplicații critice, se pot obține acoperiri personalizate cu mai multe straturi reflectivitate sub 0,1% la anumite lungimi de undă.

Acoperirile metalice (aluminiu sau argint) pe suprafețele de reflexie permit utilizarea dincolo de unghiul critic, deși cu prețul 3-10% pierdere de reflexie . Straturile de argint protejate oferă reflectivitate superioară în infraroșu, menținând în același timp o performanță vizibilă adecvată.

Evoluții viitoare în tehnologia Prism

Progresele în știința materialelor și producție extind capacitățile și aplicațiile prismei.

Prisme metamateriale

Cercetătorii dezvoltă prisme folosind metamateriale - materiale structurate artificial cu proprietăți optice care nu se găsesc în natură. Aceste prisme metamateriale pot realiza refracție negativă sau super-dispersie , permițând sisteme spectroscopice ultracompacte și dispozitive noi de imagistică. Prototipurile timpurii demonstrează coeficienți de dispersie de 10 ori mai mari decât sticla convențională.

Prisme adaptive

Materialele cu cristale lichide și electro-optice permit prisme reglabile electric, care își pot ajusta dinamic proprietățile optice. Aceste dispozitive ar putea revoluționa direcția fasciculului și selectarea lungimii de undă, cu timpi de comutare sub 1 milisecundă și fără piese în mișcare.

Miniaturizare

Rețelele de microprisme fabricate folosind tehnici de fabricare a semiconductoarelor permit dispozitive fotonice integrate. Aceste prisme microscopice, cu dimensiuni măsurate în micrometri, sunt componente critice în dispozitivele optice MEMS și camerele smartphone, unde matricele de prisme asigură stabilizarea optică a imaginii în pachete mai mici de 5 mm diametru.