Ano ang isang Optical Prism? Mga Uri, Function at Application

Pag-unawa sa Optical Prisms

An optical prism ay isang transparent na optical na elemento na may patag, makintab na ibabaw na nagre-refract ng liwanag. Ang pangunahing prinsipyo sa likod ng isang prisma ay na maaari itong yumuko, sumasalamin, o hatiin ang liwanag batay sa geometry nito at sa mga katangian ng repraktibo ng materyal nito. . Hindi tulad ng mga lente na gumagamit ng mga hubog na ibabaw, ang mga prisma ay gumagamit ng mga planar na ibabaw na nakaposisyon sa mga partikular na anggulo upang manipulahin ang mga magagaan na landas.

Karamihan sa mga optical prism ay gawa sa salamin o transparent na plastik na may mga tiyak na refractive index. Ang pinakakilalang anyo ay ang tatsulok na prisma, na nagpapakalat ng puting liwanag sa mga bumubuo nitong kulay ng spectrum—isang kababalaghan na unang sistematikong pinag-aralan ni Isaac Newton noong 1666. Gayunpaman, ang mga prisma ay nagsisilbi ng higit pang mga layunin kaysa sa paglikha ng mga bahaghari; ang mga ito ay mahahalagang bahagi sa maraming optical system mula sa mga simpleng periskop hanggang sa mga advanced na spectrometer.

Ang pangunahing katangian na nagpapakilala sa mga prisma mula sa iba pang mga optical na elemento ay ang kanilang kakayahang baguhin ang direksyon ng liwanag nang hindi kinakailangang tumuon dito. , ginagawa silang napakahalaga para sa pagpipiloto ng sinag, pagwawasto ng oryentasyon ng imahe, at mga aplikasyon ng paghihiwalay ng haba ng daluyong.

Paano Gumagana ang Optical Prisms

Ang operasyon ng optical prisms ay pinamamahalaan ng dalawang pangunahing optical na prinsipyo: repraksyon at kabuuang panloob na pagmuni-muni.

Repraksyon sa Prisms

Kapag ang liwanag ay pumasok sa isang prisma sa isang anggulo, ito ay yumuyuko ayon sa Snell's Law. Ang antas ng baluktot ay nakasalalay sa haba ng daluyong ng liwanag at ang refractive index ng prism material . Para sa karaniwang optical glass (crown glass), ang refractive index ay humigit-kumulang 1.52, ibig sabihin, 1.52 beses na mas mabagal ang ilaw sa salamin kaysa sa hangin.

Ipinapaliwanag ng wavelength-dependent refraction na ito kung bakit maaaring paghiwalayin ng mga prism ang puting liwanag sa mga kulay—mas mabilis na yumuko ang asul na liwanag kaysa sa pulang ilaw dahil mas maikli ang wavelength nito. Sa isang tipikal na dispersive prism na may a 60-degree na tuktok na anggulo , ang angular na separation sa pagitan ng pula at violet na ilaw ay humigit-kumulang 3 degrees .

Kabuuang Panloob na Pagninilay

Maraming prisma ang nagsasamantala sa kabuuang panloob na pagmuni-muni kaysa sa repraksyon. Kapag ang liwanag na naglalakbay sa isang mas siksik na daluyan (tulad ng salamin) ay tumama sa hangganan na may hindi gaanong siksik na daluyan (tulad ng hangin) sa isang anggulo na mas malaki kaysa sa kritikal na anggulo, 100% ng liwanag ay sumasalamin pabalik sa mas siksik na daluyan . Para sa crown glass, ang kritikal na anggulo na ito ay humigit-kumulang 41.8 degrees .

Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay nagbibigay-daan sa mga prism na gumana bilang napakahusay na mga salamin na walang metalikong coatings, na ginagawang mas mataas ang mga ito kaysa sa mga nakasanayang salamin sa maraming mga aplikasyon dahil walang pagkawala ng liwanag mula sa pagsipsip.

Mga Karaniwang Uri ng Optical Prisms

Ang mga optical prism ay ikinategorya batay sa kanilang geometry at pangunahing pag-andar. Naghahain ang bawat uri ng mga partikular na aplikasyon sa mga optical system.

Dispersive Prisms

Ang klasikong triangular na prism ay pangunahing nagpapakalat ng liwanag. Ang mga prism na ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng kanilang tuktok na anggulo (karaniwang sa pagitan ng 30 at 60 degrees ) at mahalaga sa pagsusuri ng spectroscopic. Ang mga modernong spectrometer ay maaaring gumamit ng prism dispersion upang matukoy ang mga materyales sa pamamagitan ng kanilang mga spectral na lagda resolution ng wavelength pababa sa 0.1 nanometer .

Sinasalamin ang Prisms

Sinasalamin ang mga prism na nagre-redirect ng liwanag nang walang makabuluhang dispersion. Ang Porro prism system, na naimbento ni Ignazio Porro noong 1854, ay nananatiling pamantayan sa maraming binocular. Ang isang pares ng Porro prisms ay maaaring magtayo ng isang baligtad na imahe habang pinapataas din ang haba ng optical path , na nagpapahintulot sa mga compact na disenyo ng instrumento na may epektibong pag-magnify.

Polarizing Prisms

Ang mga espesyal na prism tulad ng Nicol prism o Glan-Thompson prism ay naghihiwalay ng liwanag sa mga estado ng orthogonal polarization. Nakakamit ang mga device na ito extinction ratios na lampas sa 100,000:1 , na ginagawang mahalaga ang mga ito para sa mga aplikasyon ng polarimetry at optical na pananaliksik.

Mga Real-World na Application ng Optical Prisms

Ang mga optical prism ay nasa lahat ng dako sa modernong teknolohiya, kadalasang gumagana nang hindi nakikita sa loob ng mga device na ginagamit namin araw-araw.

Photography at Imaging

Ang mga single-lens reflex (SLR) na mga camera ay umaasa sa mga pentaprism upang mabigyan ang mga photographer ng isang tuwid, tamang pagtingin sa view sa pamamagitan ng viewfinder. Ang isang pentaprism ay sumasalamin sa liwanag ng limang beses sa loob , pagwawasto sa baligtad at baligtad na imahe na ginawa ng lens ng camera nang hindi nangangailangan ng karagdagang optical elements.

Gumagamit ang mga digital projector ng mga prism assemblies upang pagsamahin ang mga larawan mula sa magkahiwalay na pula, berde, at asul na LCD panel o DLP chips. Ang dichroic prism system sa a ang three-chip projector ay maaaring makamit ang katumpakan ng kulay sa loob ng 2% ng mga propesyonal na pamantayan .

Instrumentasyong Siyentipiko

Ang mga spectrometer ay gumagamit ng mga prisma upang pag-aralan ang komposisyon ng mga materyales. Halimbawa, ang mga astronomical spectrograph ay gumagamit ng prism dispersion upang matukoy ang kemikal na komposisyon ng malalayong bituin. Ang mga instrumento ng spectroscopic ng Hubble Space Telescope ay maaaring makakita ng maraming kemikal na may katumpakan mas mahusay kaysa sa 5% sa stellar atmospheres.

Sa mga laboratoryo ng kimika, ang mga refractometer ng Abbe ay gumagamit ng mga prisma upang sukatin ang refractive index ng mga likido na may katumpakan sa apat na decimal na lugar , na nagbibigay-daan sa tumpak na pagkakakilanlan ng mga sangkap at pagsukat ng konsentrasyon.

Telekomunikasyon at Laser Technology

Ang mga fiber optic system ay gumagamit ng mga prisma para sa wavelength division multiplexing, kung saan ang maramihang data stream sa iba't ibang wavelength ay naglalakbay sa iisang fiber. Ang mga modernong DWDM system ay maaaring mag-multiplex sa higit sa 80 magkahiwalay na channel , bawat isa ay nagdadala ng 100 Gbps, gamit ang prism-based na wavelength separation.

Gumagamit ang mga sistema ng pagpipiloto ng laser beam ng umiikot na prism o mga pares ng prisma upang tumpak na kontrolin ang direksyon ng sinag nang hindi ginagalaw ang pinagmulan ng laser mismo, na nakakamit katumpakan ng pagpoposisyon sa loob ng microradians .

Consumer Optik

Ang mga binocular ay may kasamang Porro o mga prisma sa bubong upang lumikha ng isang compact, ergonomic na disenyo habang nagbibigay ng pinalaki at wastong oriented na mga imahe. Ang mga de-kalidad na binocular ay gumagamit ng mga phase-correction coating sa mga prisma ng bubong upang makamit ang light transmission na lampas sa 90% , karibal sa liwanag ng direktang pagtingin.

Mga Materyales at Paggawa

Ang pagganap ng isang optical prism ay kritikal na nakasalalay sa mga materyal na katangian nito at katumpakan ng pagmamanupaktura.

Karaniwang Prism Materials

• Salamin ng BK7: Ang pinakakaraniwang optical glass na may refractive index 1.517, na ginagamit sa general-purpose prisms para sa mga wavelength mula 380-2100 nm
• Fused Silica: Nag-aalok ng pambihirang transmission sa hanay ng ultraviolet at mababang thermal expansion, kritikal para sa mga high-power na laser application
• Salamin ng SF11: Ang mataas na refractive index (1.785) ay nagbibigay ng mas malawak na dispersion, perpekto para sa mga compact spectroscopic system
• Calcium Fluoride: Nagpapadala ng infrared at ultraviolet wavelength, mahalaga para sa espesyal na spectroscopy na may transmission mula 180 nm hanggang 8000 nm

Katumpakan sa Paggawa

Ang mga precision prism ay nangangailangan ng hindi pangkaraniwang mga pagpapaubaya sa pagmamanupaktura. Ang flatness ng ibabaw ay karaniwang mas mahusay kaysa sa λ/4 (isang quarter ng wavelength ng liwanag) , na isinasalin sa mga deviation na mas mababa sa 150 nanometer para sa nakikitang liwanag. Ang mga kinakailangan sa katumpakan ng anggulo ay pantay na mahigpit, kadalasang tinutukoy sa loob arc segundo (1/3600 ng isang degree) .

Ang mga optical coating ay makabuluhang nagpapahusay sa pagganap ng prisma. Ang mga anti-reflection coatings ay maaaring mabawasan ang mga pagkalugi sa ibabaw ng reflection mula 4% hanggang mas mababa sa 0.25% bawat ibabaw . Ang mga metallic o dielectric na coatings sa reflection surface ay nagpapabuti sa kahusayan at nagpapagana ng wavelength-selective reflection.

Mga Bentahe at Limitasyon

Ang pag-unawa kung kailan gagamit ng mga prisma kumpara sa mga alternatibong optical na bahagi ay nangangailangan ng pag-alam sa kanilang mga lakas at kahinaan.

Pangunahing Kalamangan

• Walang pagkawala ng pagsipsip: Ang kabuuang panloob na mga prisma ng pagmuni-muni ay nakakamit ng halos 100% na kahusayan sa pagmuni-muni, higit sa metal na mga salamin na karaniwang sumasalamin sa 90-95%
• Paghihiwalay ng wavelength: Ang mga prism ay nagbibigay ng tuluy-tuloy na wavelength dispersion, hindi tulad ng diffraction gratings na gumagawa ng maraming order
• Katatagan: Ang mga panloob na ibabaw ng pagmuni-muni ay protektado mula sa kontaminasyon sa kapaligiran at pinsala sa makina
• Kontrol ng polariseysyon: Maaaring paghiwalayin o pag-aralan ng ilang uri ng prisma ang mga estado ng polarization na may pambihirang kadalisayan

Mga Praktikal na Limitasyon

• Sukat at timbang: Ang mga glass prism ay mas mabigat kaysa sa katumbas na mga mirror system, na nililimitahan ang kanilang paggamit sa mga application na sensitibo sa timbang
• Gastos: Ang mga precision prism na may mataas na kalidad na mga coatings ay maaaring nagkakahalaga ng 10-50 beses na mas mataas kaysa sa mga simpleng salamin
• Chromatic effects: Ang mga dispersive prism ay naghihiwalay ng mga wavelength, na hindi kanais-nais sa mga aplikasyon ng imaging na nangangailangan ng achromatic na pagganap
• Sensitibo sa temperatura: Ang mga pagbabago sa refractive index na may temperatura ay maaaring makaapekto sa pagganap ng prisma sa matinding kapaligiran, na may mga tipikal na pagkakaiba-iba ng 1-5 bahagi bawat milyon kada degree Celsius

Pagpili ng Tamang Prisma

Ang pagpili ng naaangkop na prisma para sa isang partikular na aplikasyon ay nagsasangkot ng pagsasaalang-alang sa maraming mga kadahilanan nang sistematikong.

Kritikal na Pamantayan sa Pagpili

1. Saklaw ng wavelength: Itugma ang prism material sa operating wavelength; Ang mga aplikasyon ng UV ay nangangailangan ng fused silica, habang ang IR ay maaaring mangailangan ng mga espesyal na materyales tulad ng zinc selenide
2. Mga kinakailangan sa paglihis ng sinag: Tukuyin ang kinakailangang anggulo ng pagpapalihis (45°, 90°, 180°) at kung dapat pangalagaan ang oryentasyon ng imahe
3. Mga pangangailangan sa pagpapakalat: Magpasya kung ang wavelength separation ay ninanais o may problema para sa aplikasyon
4. Mga hadlang sa laki: Isaalang-alang ang mga limitasyon sa pisikal na espasyo at mga paghihigpit sa timbang
5. Paghawak ng kapangyarihan: Ang mga high-power na laser application ay nangangailangan ng mga materyales na may mataas na damage threshold, karaniwan higit sa 10 J/cm² para sa fused silica

Mga Pagsasaalang-alang sa Patong

Ang pagpili ng mga optical coatings ay kapansin-pansing nakakaapekto sa pagganap ng prisma. Nagbibigay ang mga karaniwang anti-reflection coatings pagmuni-muni sa ibaba 0.5% bawat ibabaw sa mga nakikitang wavelength, habang pinahaba ng mga broadband coatings ang pagganap na ito mula 400-700 nm. Para sa mga kritikal na aplikasyon, maaaring makamit ang mga custom na multi-layer coating reflectivity sa ibaba 0.1% sa mga tiyak na wavelength.

Ang mga metalikong patong (aluminyo o pilak) sa mga ibabaw ng repleksyon ay nagbibigay-daan sa paggamit sa kabila ng kritikal na anggulo, kahit na sa halaga ng 3-10% pagkawala ng pagmuni-muni . Ang mga protektadong silver coating ay nag-aalok ng superior reflectivity sa infrared habang pinapanatili ang sapat na nakikitang performance.

Mga Pag-unlad sa Hinaharap sa Prism Technology

Ang mga pag-unlad sa agham at pagmamanupaktura ng mga materyales ay nagpapalawak ng mga kakayahan at aplikasyon ng prisma.

Metamaterial Prisms

Gumagawa ang mga mananaliksik ng mga prisma gamit ang mga metamaterial—mga materyales na artipisyal na nakabalangkas na may mga optical na katangian na hindi matatagpuan sa kalikasan. Ang mga metamaterial prism na ito ay maaaring makamit negatibong repraksyon o super-dispersion , na nagpapagana ng mga ultra-compact spectroscopic system at novel imaging device. Nagpapakita ang mga naunang prototype dispersion coefficients ng 10 beses na mas malaki kaysa sa ordinaryong salamin.

Adaptive Prisms

Ang likidong kristal at mga electro-optic na materyales ay nagbibigay-daan sa mga electrically tunable prisms na maaaring dynamic na ayusin ang kanilang mga optical properties. Maaaring baguhin ng mga device na ito ang beam steering at pagpili ng wavelength, gamit ang mga oras ng paglipat sa ilalim ng 1 millisecond at walang gumagalaw na bahagi.

Miniaturization

Ang mga micro-prism array na gawa-gawa gamit ang mga diskarte sa pagmamanupaktura ng semiconductor ay nagpapagana ng mga pinagsama-samang photonic device. Ang mga microscopic prism na ito, na may sukat na sinusukat sa micrometers, ay mga kritikal na bahagi sa optical MEMS device at smartphone camera, kung saan Ang mga prism array ay nagbibigay ng optical image stabilization sa mga pakete na mas maliit sa 5mm sa kabuuan.