Прозрачный оптический элемент с плоскими полированными поверхностями, преломляющими свет.
Знакомая дисперсионная призма
Оптическая призма — это прозрачный оптический элемент с плоскими, полированными поверхностями, которые предназначены для преломления света . По крайней мере одна поверхность должна быть наклонной — элементы с двумя параллельными поверхностями не являются призмами. Наиболее известным типом оптической призмы является треугольная призма , которая имеет треугольное основание и прямоугольные стороны. Не все оптические призмы являются геометрическими призмами , и не все геометрические призмы можно считать оптической призмой. Призмы могут быть изготовлены из любого материала, который прозрачен для длин волн , для которых они предназначены. Типичные материалы включают стекло , акрил и флюорит .
Дисперсионная призма может быть использована для разложения белого света на составляющие его спектральные цвета (цвета радуги ) для формирования спектра , как описано в следующем разделе. Другие типы призм, указанные ниже, могут быть использованы для отражения света или для разделения света на компоненты с различной поляризацией .
Типы
Дисперсионный
Сравнение спектров, полученных с дифракционной решетки путем дифракции (1) и призмы путем рефракции (2). Более длинные волны (красные) дифрагируют сильнее, но преломляются слабее, чем более короткие волны (фиолетовые).
Дисперсионные призмы используются для разложения света на составляющие его спектральные цвета, поскольку показатель преломления зависит от длины волны ; белый свет, входящий в призму, представляет собой смесь различных длин волн, каждая из которых преломляется немного по-разному. Синий свет замедляется больше, чем красный, и поэтому будет преломляться больше, чем красный.
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.
Отражающий
Отражающие призмы используются для отражения света, чтобы переворачивать, инвертировать, вращать, отклонять или смещать световой луч. Обычно они используются для возведения изображения в бинокль или однообъективный зеркальный фотоаппарат — без призм изображение было бы перевернутым для пользователя.
Отражательные призмы используют полное внутреннее отражение для достижения почти идеального отражения света, падающего на грани под достаточно косым углом. Призмы обычно изготавливаются из оптического стекла , что в сочетании с антибликовым покрытием входных и выходных граней приводит к значительно меньшим потерям света, чем у металлических зеркал.
Нечетное количество отражений, изображение проецируется перевернутым (зеркальным)
Треугольный призматический отражатель, проецирует изображение вбок (хроматическая дисперсия равна нулю в случае перпендикулярного падения входного и выходного лучей)
Призма Шмидта-Пехана проецирует изображение вперед, повернутое на 180° (6 отражений [2 отражения на кровельных плоскостях]; состоит из части Бауэрнфейнда и части Шмидта)
Призма Уппендаля проецирует изображение вперед, повернутое на 180° и коллинеарное (6 отражений [2 отражения на плоскостях крыши]); состоит из 3 призм, склеенных вместе)
Расщепление луча
Различные тонкопленочные оптические слои могут быть нанесены на гипотенузу одной прямоугольной призмы и приклеены к другой призме, образуя светоделительный куб. Общая оптическая производительность такого куба определяется тонким слоем.
По сравнению с обычной стеклянной подложкой стеклянный куб обеспечивает защиту тонкопленочного слоя с обеих сторон и лучшую механическую устойчивость. Куб также может устранить эталонные эффекты , отражение с обратной стороны и небольшое отклонение луча.
Поляризационные кубические светоделители имеют более низкий коэффициент затухания, чем двулучепреломляющие, но менее дорогие.
Частично металлизированные зеркала обеспечивают неполяризующиеся светоделители.
Воздушный зазор − Когда гипотенузы двух треугольных призм сложены очень близко друг к другу с воздушным зазором, нарушенное полное внутреннее отражение в одной призме позволяет связать часть излучения в распространяющуюся волну во второй призме. Пропускаемая мощность падает экспоненциально с шириной зазора, поэтому ее можно настраивать на много порядков с помощью микрометрического винта.
Бипризма (или бипризма Френеля): две призмы, соединенные основаниями, образующие широкий угол при вершине (~ 180°); используются в интерферометрии с общим лучом . [1] [2]
Поляризационный
Другой класс образован поляризационными призмами , которые используют двойное лучепреломление для разделения луча света на компоненты с различной поляризацией . В видимой и УФ-областях они имеют очень низкие потери, а их коэффициент затухания обычно превышает , что превосходит другие типы поляризаторов . Они могут использовать или не использовать полное внутреннее отражение;
Одна поляризация разделяется полным внутренним отражением:
Обе поляризации остаются параллельными, но пространственно разделены:
вытеснители поляризационного луча, обычно изготавливаемые из толстого анизотропного кристалла с плоскопараллельными гранями
Обычно они изготавливаются из двулучепреломляющего кристаллического материала, такого как кальцит , но для УФ-применения могут потребоваться и другие материалы, такие как кварц и α-BBO, а другие ( MgF2 , YVO4 и TiO2 ) расширяют пропускание дальше в инфракрасный спектральный диапазон.
Призмы из изотропных материалов, таких как стекло, также изменят поляризацию света, поскольку частичное отражение под косыми углами не сохраняет амплитудное соотношение (и фазу) s- и p-поляризованных компонентов света, что приводит к общей эллиптической поляризации . Это, как правило, нежелательный эффект дисперсионных призм. В некоторых случаях этого можно избежать, выбрав геометрию призмы, в которой свет входит и выходит под перпендикулярным углом, путем компенсации с помощью неплоской траектории света или путем использования p-поляризованного света.
Полное внутреннее отражение изменяет только взаимную фазу между s- и p-поляризованным светом. При правильно выбранном угле падения эта фаза близка к .
Ромб Френеля использует этот эффект для достижения преобразования между круговой и линейной поляризацией. Эта разность фаз не зависит явно от длины волны, а только от показателя преломления, поэтому ромбы Френеля, изготовленные из низкодисперсных стекол, достигают гораздо более широкого спектрального диапазона, чем четвертьволновые пластины . Однако они смещают луч.
Двойной ромб Френеля с четверным отражением и нулевым смещением луча заменяет полуволновую пластину .
Подобный эффект можно использовать и для создания оптики, сохраняющей поляризацию.
Деполяризаторы
Двулучепреломляющие кристаллы можно собрать таким образом, чтобы это привело к кажущейся деполяризации света.
Деполяризация не наблюдалась бы для идеальной монохроматической плоской волны , поскольку фактически оба устройства превращают сниженную временную или пространственную когерентность , соответственно, пучка в декогерентность его поляризационных компонентов.
Другие применения
Полное внутреннее отражение в призмах находит многочисленные применения в оптике, плазмонике и микроскопии. В частности:
Призмы используются для соединения распространяющегося света с поверхностными плазмонами . Либо гипотенуза треугольной призмы металлизирована (конфигурация Кречмана), либо затухающая волна связана с очень близкой металлической поверхностью (конфигурация Отто).
Некоторые активные лазерные среды могут быть сформированы в виде призмы, в которую низкокачественный луч накачки попадает на переднюю грань, а усиленный луч испытывает полное внутреннее отражение при скользящем падении от нее. Такая конструкция меньше страдает от термических напряжений и легко накачивается мощными лазерными диодами.
Другие применения призм основаны на преломлении отклоняющего луча:
Клиновидные призмы используются для отклонения луча монохроматического света на фиксированный угол. Пара таких призм может использоваться для управления лучом ; вращая призмы, луч может быть отклонен на любой желаемый угол в пределах конического «поля обзора». Наиболее часто встречающаяся реализация — пара призм Рисли. [3]
Прозрачные окна, например, вакуумных камер или кювет, также могут быть слегка заклинены (10' − 1°). Хотя это не уменьшает отражение, это подавляет помехи Фабри-Перо , которые в противном случае модулировали бы их спектр пропускания.
Анаморфная пара похожих, но асимметрично расположенных призм также может изменять профиль луча. Это часто используется для создания круглого луча из эллиптического выхода лазерного диода . С его монохроматическим светом небольшая хроматическая дисперсия, возникающая из-за разного наклона клина, не является проблемой.
Палубные призмы использовались на парусных судах для обеспечения дневного света под палубой [4] , поскольку свечи и керосиновые лампы представляют опасность возгорания на деревянных судах.
Призматические очки с одной призмой выполняют относительное смещение двух глаз, тем самым корректируя эзо-, экзо-, гипер- или гипотропию.
Напротив, очки с призмами одинаковой силы для обоих глаз, называемые ярмовыми призмами (также: сопряженные призмы , окружающие линзы или очки для повышения производительности ), смещают поле зрения обоих глаз в одинаковой степени. [5]
^ "Определение BIPRISM". Merriam-Webster . 6 февраля 2023 г. Получено 9 февраля 2023 г.
^ "Эксперимент с бипризмой Френеля - Волновая оптика, Физика". eSaral . 6 мая 2022 . Получено 13 ноября 2023 .
^ Дункан, Б. Д.; Бос, П. Дж.; Серган, В. (2003). «Широкоугольное ахроматическое призматическое управление лучом для инфракрасных противодействий». Opt. Eng . 42 (4): 1038–1047. Bibcode : 2003OptEn..42.1038D. doi : 10.1117/1.1556393.
^ Лёнен, Ник (февраль 2012 г.). Строительство деревянных лодок: как построить парусную лодку класса «Дракон». FriesenPress. ISBN9781770974067.
^ Каплан, М.; Кармоди, Д.П.; Гайдос, А. (1996). «Изменения постуральной ориентации при аутизме в ответ на окружающие линзы». Детская психиатрия и развитие человека . 27 (2): 81–91. doi :10.1007/BF02353802. PMID 8936794. S2CID 37007723.
Дальнейшее чтение
Хехт, Юджин (2001). Оптика (4-е изд.). Pearson Education. ISBN 0-8053-8566-5.
