Što je optička prizma? Vrste, funkcije i primjene

Razumijevanje optičkih prizmi

An optička prizma je proziran optički element s ravnim, poliranim površinama koje lome svjetlost. Temeljni princip koji stoji iza prizme je da može savijati, reflektirati ili dijeliti svjetlost na temelju svoje geometrije i svojstava loma svog materijala . Za razliku od leća koje koriste zakrivljene površine, prizme koriste ravne površine postavljene pod određenim kutovima za manipuliranje svjetlosnim stazama.

Većina optičkih prizmi izrađena je od stakla ili prozirne plastike s preciznim indeksom loma. Najprepoznatljiviji oblik je trokutasta prizma, koja raspršuje bijelu svjetlost u sastavne boje spektra—fenomen koji je prvi sustavno proučavao Isaac Newton 1666. godine. Međutim, prizme služe daleko više od stvaranja duga; oni su bitne komponente u brojnim optičkim sustavima u rasponu od jednostavnih periskopa do naprednih spektrometara.

Ključna karakteristika koja razlikuje prizme od ostalih optičkih elemenata je njihova sposobnost promjene smjera svjetlosti bez nužnog fokusiranja , što ih čini neprocjenjivim za upravljanje snopom, korekciju orijentacije slike i aplikacije odvajanja valne duljine.

Kako rade optičke prizme

Djelovanjem optičkih prizmi upravljaju dva temeljna optička principa: lom i potpuni unutarnji odraz.

Lom u prizmama

Kada svjetlost uđe u prizmu pod kutom, ona se savija prema Snellovom zakonu. Stupanj savijanja ovisi o valnoj duljini svjetlosti i indeksu loma materijala prizme . Za standardno optičko staklo (krunsko staklo), indeks loma je približno 1,52, što znači da svjetlost putuje 1,52 puta sporije u staklu nego u zraku.

Ova refrakcija ovisna o valnoj duljini objašnjava zašto prizme mogu razdvojiti bijelu svjetlost u boje - plava svjetlost se savija oštrije od crvene jer ima kraću valnu duljinu. U tipičnoj disperzivnoj prizmi s a Kut vrha od 60 stupnjeva , kutni razmak između crvene i ljubičaste svjetlosti je približno 3 stupnja .

Totalni unutarnji odraz

Mnoge prizme iskorištavaju potpuni unutarnji odraz umjesto loma. Kada svjetlost koja putuje kroz gušći medij (poput stakla) udari u granicu s manje gustim medijem (poput zraka) pod kutom većim od kritičnog kuta, 100% svjetla se reflektira natrag u gušći medij . Za krunsko staklo ovaj kritični kut iznosi približno 41,8 stupnjeva .

Ovaj fenomen omogućuje prizmama da funkcioniraju kao vrlo učinkovita zrcala bez metalnih premaza, što ih čini superiornijima od konvencionalnih zrcala u mnogim primjenama budući da nema gubitka svjetla zbog apsorpcije.

Uobičajeni tipovi optičkih prizmi

Optičke prizme kategorizirane su na temelju njihove geometrije i primarne funkcije. Svaki tip služi za posebne primjene u optičkim sustavima.

Disperzivne prizme

Klasična trokutasta prizma prvenstveno raspršuje svjetlost. Ove prizme karakterizira njihov vršni kut (obično između 30 i 60 stupnjeva ) i temeljni su za spektroskopsku analizu. Moderni spektrometri mogu koristiti disperziju prizme za identifikaciju materijala prema njihovim spektralnim potpisima razlučivost valne duljine do 0,1 nanometra .

Reflektirajuće prizme

Reflektirajuće prizme preusmjeravaju svjetlost bez značajne disperzije. Sustav Porro prizme, koji je izumio Ignazio Porro 1854., ostaje standard u mnogim dalekozorima. Par Porro prizmi može podići obrnutu sliku dok također povećava duljinu optičkog puta , omogućujući kompaktne dizajne instrumenata s učinkovitim povećanjem.

Polarizirajuće prizme

Specijalizirane prizme poput Nicolove prizme ili Glan-Thompsonove prizme razdvajaju svjetlost na stanja ortogonalne polarizacije. Ovi uređaji postižu omjeri izumiranja veći od 100 000:1 , što ih čini bitnim za primjene u polarimetriji i optičkim istraživanjima.

Primjena optičkih prizmi u stvarnom svijetu

Optičke prizme su sveprisutne u modernoj tehnologiji, često rade nevidljivo unutar uređaja koje svakodnevno koristimo.

Fotografija i slikanje

Refleksni fotoaparati s jednom lećom (SLR) oslanjaju se na pentaprizme kako bi fotografima pružili uspravan, pravilno usmjeren pogled kroz tražilo. Pentaprizma reflektira svjetlost pet puta iznutra , ispravljajući obrnutu i obrnutu sliku koju proizvodi leća fotoaparata bez potrebe za dodatnim optičkim elementima.

Digitalni projektori koriste sklopove prizme za kombiniranje slika s zasebnih crvenih, zelenih i plavih LCD panela ili DLP čipova. Sustav dikroične prizme u a projektor s tri čipa može postići točnost boja unutar 2% od profesionalnih standarda .

Znanstvena instrumentacija

Spektrometri koriste prizme za analizu sastava materijala. Na primjer, astronomski spektrografi koriste disperziju prizme za određivanje kemijskog sastava dalekih zvijezda. Spektroskopski instrumenti svemirskog teleskopa Hubble mogu detektirati obilje kemikalija sa preciznost bolja od 5% u zvjezdanim atmosferama.

U kemijskim laboratorijima, Abbeovi refraktometri koriste prizme za mjerenje indeksa loma tekućina s točnost do četiri decimale , omogućujući preciznu identifikaciju tvari i mjerenje koncentracije.

Telekomunikacije i laserska tehnologija

Svjetlovodni sustavi koriste prizme za multipleksiranje valne duljine, gdje više tokova podataka na različitim valnim duljinama putuje kroz jedno vlakno. Moderni DWDM sustavi mogu multipleksirati preko 80 zasebnih kanala , svaki nosi 100 Gbps, koristeći odvajanje valnih duljina na temelju prizme.

Sustavi za upravljanje laserskom zrakom koriste rotirajuće prizme ili parove prizmi za preciznu kontrolu smjera zrake bez pomicanja samog laserskog izvora, postižući točnost pozicioniranja unutar mikroradijana .

Potrošačka optika

Dalekozori sadrže Porro ili krovne prizme za stvaranje kompaktnog, ergonomskog dizajna dok pružaju uvećane, pravilno usmjerene slike. Visokokvalitetni dalekozori koriste slojeve za korekciju faze na krovnim prizmama za postizanje prijenosa svjetla većeg od 90% , nadmašujući svjetlinu izravnog gledanja.

Materijali i proizvodnja

Učinkovitost optičke prizme uvelike ovisi o svojstvima materijala i preciznosti izrade.

Uobičajeni materijali prizme

• BK7 staklo: Najčešće optičko staklo s indeksom loma 1,517, koje se koristi u prizmama opće namjene za valne duljine od 380-2100 nm
• Taljeni silicij: Nudi izuzetan prijenos u ultraljubičastom rasponu i nisko toplinsko širenje, kritično za laserske primjene velike snage
• SF11 staklo: Visoki indeks loma (1,785) osigurava veću disperziju, idealno za kompaktne spektroskopske sustave
• Kalcijev fluorid: Prenosi infracrvene i ultraljubičaste valne duljine, neophodne za specijaliziranu spektroskopiju s prijenosom od 180 nm do 8000 nm

Preciznost proizvodnje

Precizne prizme zahtijevaju izvanredne proizvodne tolerancije. Ravnost površine obično mora biti bolja od λ/4 (jedna četvrtina valne duljine svjetlosti) , što znači odstupanja manja od 150 nanometara za vidljivu svjetlost. Zahtjevi za kutnu točnost su jednako strogi, često točno određeni lučne sekunde (1/3600 stupnja) .

Optički premazi značajno poboljšavaju performanse prizme. Antirefleksni premazi mogu smanjiti gubitke površinske refleksije od 4% do manje od 0,25% po površini . Metalne ili dielektrične prevlake na reflektirajućim površinama poboljšavaju učinkovitost i omogućuju refleksiju selektivnu prema valnim duljinama.

Prednosti i ograničenja

Razumijevanje kada koristiti prizme u odnosu na alternativne optičke komponente zahtijeva poznavanje njihovih prednosti i slabosti.

Ključne prednosti

• Nema gubitaka apsorpcije: Prizme s potpunom unutarnjom refleksijom postižu gotovo 100% učinkovitost refleksije, bolju od metalnih zrcala koja obično odbijaju 90-95%
• Razdvajanje valne duljine: Prizme daju kontinuiranu disperziju valne duljine, za razliku od difrakcijskih rešetki koje proizvode više redova
• Trajnost: Unutarnje reflektirajuće površine zaštićene su od onečišćenja okoliša i mehaničkih oštećenja
• Kontrola polarizacije: Određene vrste prizmi mogu odvojiti ili analizirati polarizacijska stanja s iznimnom čistoćom

Praktična ograničenja

• Veličina i težina: Staklene prizme znatno su teže od ekvivalentnih zrcalnih sustava, ograničavajući njihovu upotrebu u aplikacijama osjetljivim na težinu
• Cijena: Precizne prizme s visokokvalitetnim premazima mogu koštati 10-50 puta više od jednostavnih zrcala
• Kromatski efekti: Disperzivne prizme odvajaju valne duljine, što je nepoželjno u slikovnim aplikacijama koje zahtijevaju akromatsku izvedbu
• Temperaturna osjetljivost: Promjene indeksa loma s temperaturom mogu utjecati na performanse prizme u ekstremnim okruženjima, s tipičnim varijacijama od 1-5 dijelova na milijun po stupnju Celzija

Odabir prave prizme

Odabir odgovarajuće prizme za određenu primjenu uključuje sustavno razmatranje više faktora.

Kritični kriteriji odabira

1. Raspon valnih duljina: Uskladite materijal prizme s radnim valnim duljinama; UV aplikacije zahtijevaju topljeni silicij, dok IR mogu zahtijevati specijalizirane materijale poput cinkovog selenida
2. Zahtjevi za odstupanje snopa: Odredite potrebni kut otklona (45°, 90°, 180°) i mora li se sačuvati orijentacija slike
3. Potrebe disperzije: Odlučite je li odvajanje valne duljine poželjno ili problematično za aplikaciju
4. Ograničenja veličine: Uzmite u obzir ograničenja fizičkog prostora i težine
5. Rukovanje snagom: Primjene lasera velike snage obično zahtijevaju materijale s visokim pragovima oštećenja veći od 10 J/cm² za taljeni silicij

Razmatranja premazivanja

Izbor optičkih premaza dramatično utječe na izvedbu prizme. Standardni antirefleksni premazi pružaju refleksija ispod 0,5% po površini preko vidljivih valnih duljina, dok širokopojasni premazi proširuju ovu izvedbu od 400-700 nm. Za kritične primjene mogu se postići prilagođeni višeslojni premazi refleksija ispod 0,1% na određenim valnim duljinama.

Metalne prevlake (aluminij ili srebro) na reflektirajućim površinama omogućuju korištenje izvan kritičnog kuta, iako po cijenu 3-10% gubitka refleksije . Zaštićeni srebrni premazi nude vrhunsku refleksiju u infracrvenom zračenju dok zadržavaju odgovarajuću vidljivost.

Budući razvoj tehnologije Prism

Napredak u znanosti o materijalima i proizvodnji proširuje mogućnosti i primjene prizme.

Metamaterijalne prizme

Istraživači razvijaju prizme koristeći metamaterijale—umjetno strukturirane materijale s optičkim svojstvima kakvih nema u prirodi. Ove metamaterijalne prizme mogu postići negativna refrakcija ili super-disperzija , omogućujući ultrakompaktne spektroskopske sustave i nove uređaje za snimanje. Rani prototipovi pokazuju koeficijenti disperzije 10 puta veći od konvencionalnog stakla.

Adaptivne prizme

Tekući kristali i elektrooptički materijali omogućuju električno podesive prizme koje mogu dinamički prilagoditi svoja optička svojstva. Ovi bi uređaji mogli revolucionirati upravljanje snopom i odabir valne duljine, sa vremena prebacivanja ispod 1 milisekunde i nema pokretnih dijelova.

Minijaturizacija

Nizovi mikroprizmi proizvedeni korištenjem tehnika proizvodnje poluvodiča omogućuju integrirane fotonske uređaje. Ove mikroskopske prizme, dimenzija mjerenih u mikrometrima, kritične su komponente u optičkim MEMS uređajima i kamerama pametnih telefona, gdje nizovi prizmi pružaju optičku stabilizaciju slike u paketima manjim od 5mm poprečno.