Призма (оптика)

Оптическая призма — это прозрачный оптический элемент с плоскими полированными поверхностями, предназначенными для преломления света . Хотя бы одна поверхность должна быть наклонена — элементы с двумя параллельными поверхностями не являются призмами. Самый известный тип оптической призмы — треугольная призма , имеющая треугольное основание и прямоугольные стороны. Не все оптические призмы являются геометрическими призмами , и не все геометрические призмы можно считать оптическими призмами. Призмы могут быть изготовлены из любого материала, прозрачного для волн , для которых они предназначены. Типичные материалы включают стекло , акрил и флюорит .

можно Дисперсионную призму использовать для разделения белого света на составляющие его спектральные цвета (цвета радуги ) с образованием спектра , как описано в следующем разделе. Другие типы призм, указанные ниже, можно использовать для отражения света или для разделения света на компоненты с различной поляризацией .

Типы

Дисперсионный

Дисперсионные призмы используются для разделения света на составляющие его спектральные цвета, поскольку показатель преломления зависит от длины волны ; Белый свет, попадающий в призму, представляет собой смесь волн разной длины, каждая из которых изгибается немного по-разному. Синий свет замедляется сильнее, чем красный, и поэтому будет преломляться сильнее, чем красный.

Треугольная призма
Призма Амичи и другие типы составных призм.
Призма Литтроу с зеркалом на задней грани.
Призма Пеллина – Брока
Призма Аббе
Гризма — дисперсионная призма с дифракционной решеткой на поверхности.
Призма Фери

Спектральная дисперсия — наиболее известное свойство оптических призм, хотя и не самая частая цель использования оптических призм на практике.

Светоотражающий

Светоотражающие призмы используются для отражения света, чтобы переворачивать, инвертировать, вращать, отклонять или смещать световой луч. Обычно их используют для создания изображения в биноклях или однообъективных зеркальных фотоаппаратах — без призм изображение для пользователя было бы перевернутым.

В отражающих призмах используется полное внутреннее отражение для достижения почти идеального отражения света, который падает на грани под достаточно наклонным углом. Призмы обычно изготавливаются из оптического стекла , что в сочетании с антибликовым покрытием входных и выходных граней приводит к значительно меньшим потерям света, чем металлические зеркала.

Нечетное количество отражений, изображения перевернуты (зеркально)
- отражатель треугольной призмы, проецирует изображение вбок (хроматическая дисперсия равна нулю в случае перпендикулярного падения входного и выходного сигнала)
- Пентапризма крыши проецирует изображение, перевернутое вдоль другой оси.
- Призма Dove проецирует изображение вперед
- Угловой ретрорефлектор проецирует изображение назад
Четное количество отражений, изображение проецируется вертикально (без изменения направления руки; можно поворачивать, а можно и нет)
- Призма Порро проецирует изображение назад и смещает
- Призма Порро – Аббе проецирует изображение вперед, повернута на 180 ° и смещена.
- Призма Пергера, разработка на основе призмы Порро – Аббе, проецирует изображение вперед, повернуто на 180 ° и смещено.
- Призма Аббе – Кенига проецирует изображение вперед, повернуто на 180 ° и коллинеарно (4 внутренних отражения [2 отражения находятся на плоскостях крыши]).
- Призма Бауэрнфайнда проецирует изображение вбок (наклонено на 45°).
- Крышеобразная призма Amici проецирует изображение вбок
- Пентапризма проецирует изображение в сторону
- Призма Шмидта – Печана проецирует изображение вперед, повернув на 180 ° (6 отражений [2 отражения находятся на плоскостях крыши]; состоит из части Бауэрнфейнда и Шмидта ) части
- Призма Уппендаля проецирует изображение вперед, повернуто на 180° и коллинеарно (6 отражений [2 отражения на плоскостях крыши]); состоит из трех призм, склеенных вместе)

светоделение

Различные тонкопленочные оптические слои можно наносить на гипотенузу одной прямоугольной призмы и приклеивать к другой призме, образуя светоделительный куб. Общие оптические характеристики такого куба определяются тонким слоем.

По сравнению с обычной стеклянной подложкой стеклянный куб обеспечивает защиту тонкопленочного слоя с обеих сторон и лучшую механическую стабильность. Куб также может устранить эталонные эффекты , отражение от обратной стороны и небольшое отклонение луча.

дихроичные цветные фильтры образуют дихроичную призму
Поляризационные кубические светоделители имеют более низкий коэффициент затухания, чем двулучепреломляющие, но менее дорогие.
Частично металлизированные зеркала обеспечивают неполяризующие светоделители.
Воздушный зазор. Когда гипотенузы двух треугольных призм расположены очень близко друг к другу с воздушным зазором, нарушение полного внутреннего отражения в одной призме позволяет объединить часть излучения в распространяющуюся волну во второй призме. Передаваемая мощность падает экспоненциально с увеличением ширины зазора, поэтому ее можно регулировать на многие порядки с помощью микрометрического винта.
Бипризма (или бипризма Френеля): две призмы, соединенные основаниями, образуют широкий угол при вершине (~ 180°); используется в интерферометрии общего пути . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

поляризационный

Другой класс образуют поляризационные призмы , которые используют двойное лучепреломление для разделения луча света на компоненты различной поляризации . В видимом и УФ-диапазонах они имеют очень низкие потери, а коэффициент затухания обычно превышает $10^{5}:1$ , что превосходит другие типы поляризаторов . Они могут использовать или не использовать полное внутреннее отражение;

Одна поляризация отделена полным внутренним отражением:
- Николь призма
- Призма Глана – Фуко
- Призма Глана – Тейлора , вариант с высоким увеличением, также обозначается как Глана – лазера. призма
- Призма Глана – Томпсона
Одна поляризация отклоняется только за счет другого преломления:
- Призма Рошона
- Призма Сенармона
Обе поляризации отклоняются из-за рефракции:
- Призма Волластона
- Призма Номарского – вариант призмы Волластона, в которой p- и s- компоненты смещены и сближаются друг к другу; важен для дифференциально-интерференционно-контрастной микроскопии
Обе поляризации остаются параллельными, но пространственно разделены:
- вытеснители поляризационного пучка, обычно изготовленные из толстого анизотропного кристалла с плоскопараллельными гранями.

Обычно они изготавливаются из кристаллического материала с двойным лучепреломлением, такого как кальцит другие материалы, такие как кварц и α-BBO . , но для УФ-приложений могут потребоваться и МгФ ₂ , YVO ₄ и TiO ₂ ) расширит передачу дальше в инфракрасный спектральный диапазон.

Призмы, изготовленные из изотропных материалов, таких как стекло, также изменяют поляризацию света, поскольку частичное отражение под косыми углами не сохраняет соотношение амплитуд (ни фазы) s- и p-поляризованных компонентов света, что приводит к общей эллиптической поляризации . Обычно это нежелательный эффект дисперсионных призм. В некоторых случаях этого можно избежать, выбрав геометрию призмы, при которой свет входит и выходит под перпендикулярным углом, компенсируя неплоскую траекторию света или используя p-поляризованный свет.

Полное внутреннее отражение изменяет только взаимную фазу между s- и p-поляризованным светом. При правильно выбранном угле падения эта фаза близка к $\pi /4$ .

Ромб Френеля использует этот эффект для преобразования круговой и линейной поляризации. Эта разность фаз не зависит явно от длины волны, а только от показателя преломления, поэтому ромбы Френеля, изготовленные из стекол с низкой дисперсией, достигают гораздо более широкого спектрального диапазона, чем четвертьволновые пластинки . Однако они смещают луч.
Двойной ромб Френеля с четверным отражением и нулевым смещением луча заменяет полуволновую пластинку .
Подобный эффект также можно использовать для создания оптики, сохраняющей поляризацию.

Деполяризаторы

Кристаллы с двойным лучепреломлением могут быть собраны таким образом, что это приводит к явной деполяризации света.

Деполяризация не наблюдалась бы для идеальной монохроматической плоской волны , поскольку фактически оба устройства превращают пониженную временную когерентность или пространственную когерентность соответственно луча в декогерентность его поляризационных компонентов.

Другое использование

Полное внутреннее отражение в призмах находит множество применений в оптике, плазмонике и микроскопии. В частности:

Призмы используются для связи распространяющегося света с поверхностными плазмонами . Либо гипотенуза треугольной призмы металлизирована (конфигурация Кречмана), либо затухающая волна связана с очень близкой металлической поверхностью (конфигурация Отто).
Некоторые лазерные активные среды могут быть выполнены в виде призмы, в которой низкокачественный луч накачки попадает на переднюю грань, а усиленный луч претерпевает полное внутреннее отражение при скользящем падении от нее. Такая конструкция меньше страдает от термических напряжений и легко поддается накачке мощными лазерными диодами.

Другие варианты использования призм основаны на их преломлении, отклоняющем луч:

Клиновые призмы используются для отклонения луча монохроматического света на фиксированный угол. Пара таких призм может использоваться для управления лучом ; вращая призмы, луч можно отклонить на любой желаемый угол в пределах конического «поля обзора». Наиболее распространенной реализацией является пара призм Рисли . ^{[ 3 ]}
Прозрачные окна, например, вакуумных камер или кювет, также могут быть слегка заклинены (10' - 1°). Хотя это не уменьшает отражение, оно подавляет помехи Фабри-Перо , которые в противном случае модулировали бы их спектр передачи.
Анаморфная пара подобных, но асимметрично расположенных призм также может изменить профиль луча. Это часто используется для получения круглого луча из эллиптического выходного сигнала лазерного диода . Благодаря монохроматическому свету небольшая хроматическая дисперсия, возникающая из-за различного наклона клина, не является проблемой.
Палубные призмы использовались на парусных судах для освещения палубы дневным светом. ^{[ 4 ]} так как свечи и керосиновые лампы являются пожароопасными на деревянных судах.

В оптометрии

Смещая корректирующие линзы от оси , изображения, видимые через них, могут смещаться так же, как призма смещает изображения. Специалисты по офтальмологии используют призмы, а также линзы, смещенные по оси, для решения различных ортоптических проблем:

Диплопия (двоение в глазах)
Проблемы положительного и отрицательного слияния ^{[ двусмысленный ]}^{[ нужна ссылка ]}

Призматические очки с одной призмой осуществляют относительное смещение обоих глаз, тем самым корректируя эзо-, экзо-, гипер- или гипотропию.

Напротив, очки с призмами одинаковой силы для обоих глаз, называемые ярмовыми призмами (также: сопряженные призмы , амбиентные линзы или функциональные очки ), смещают поле зрения обоих глаз в одинаковой степени. ^{[ 5 ]}

См. также

Ссылки

^ «Определение БИППРИЗМЫ» . Мерриам-Вебстер . 6 февраля 2023 г. Проверено 9 февраля 2023 г.
^ «Эксперимент с бипризмой Френеля – Волновая оптика, Физика» . ЭСарал . 6 мая 2022 г. Проверено 13 ноября 2023 г.
^ Дункан, Б.Д.; Бос, ПиДжей; Серган, В. (2003). «Широкоугольное управление лучом ахроматической призмы для целей противодействия инфракрасному излучению» . Опция англ . 42 (4): 1038–1047. Бибкод : 2003OptEn..42.1038D . дои : 10.1117/1.1556393 .
^ Лоенен, Ник (февраль 2012 г.). Строительство деревянной лодки: как построить парусную лодку класса «Дракон» . ФризенПресс. ISBN 9781770974067 .
^ Каплан, М; Кармоди, ДП; Гайдос, А (1996). «Изменения постуральной ориентации при аутизме в ответ на окружающие линзы». Детская психиатрия и развитие человека . 27 (2): 81–91. дои : 10.1007/BF02353802 . ПМИД 8936794 . S2CID 37007723 .

Дальнейшее чтение

Хехт, Юджин (2001). Оптика (4-е изд.). Пирсон Образование. ISBN 0-8053-8566-5 .

Внешние ссылки

«Призма» . Британская энциклопедия . Том. 22 (11-е изд.). 1911. с. 361.
Java-апплет преломления через призму

[Merriam-Webster_2023-1] «Определение БИППРИЗМЫ» . Мерриам-Вебстер . 6 февраля 2023 г. Проверено 9 февраля 2023 г.

[eSaral_2022-2] «Эксперимент с бипризмой Френеля – Волновая оптика, Физика» . ЭСарал . 6 мая 2022 г. Проверено 13 ноября 2023 г.

[3] Дункан, Б.Д.; Бос, ПиДжей; Серган, В. (2003). «Широкоугольное управление лучом ахроматической призмы для целей противодействия инфракрасному излучению» . Опция англ . 42 (4): 1038–1047. Бибкод : 2003OptEn..42.1038D . дои : 10.1117/1.1556393 .

[4] Лоенен, Ник (февраль 2012 г.). Строительство деревянной лодки: как построить парусную лодку класса «Дракон» . ФризенПресс. ISBN 9781770974067 .

[5] Каплан, М; Кармоди, ДП; Гайдос, А (1996). «Изменения постуральной ориентации при аутизме в ответ на окружающие линзы». Детская психиатрия и развитие человека . 27 (2): 81–91. дои : 10.1007/BF02353802 . ПМИД 8936794 . S2CID 37007723 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]