Apakah Prisma Optik? Jenis, Fungsi & Aplikasi

Memahami Prisma Optik

An prisma optik ialah unsur optik lutsinar dengan permukaan rata dan berkilat yang membiaskan cahaya. Prinsip asas di sebalik prisma ialah ia boleh membengkok, memantul, atau membelah cahaya berdasarkan geometri dan sifat biasan bahannya. . Tidak seperti kanta yang menggunakan permukaan melengkung, prisma menggunakan permukaan satah yang diletakkan pada sudut tertentu untuk memanipulasi laluan cahaya.

Kebanyakan prisma optik diperbuat daripada kaca atau plastik lutsinar dengan indeks biasan yang tepat. Bentuk yang paling dikenali ialah prisma segi tiga, yang menyebarkan cahaya putih ke dalam warna spektrum konstituennya—fenomena yang pertama kali dikaji secara sistematik oleh Isaac Newton pada tahun 1666. Walau bagaimanapun, prisma mempunyai lebih banyak tujuan daripada mencipta pelangi; ia adalah komponen penting dalam pelbagai sistem optik dari periskop mudah kepada spektrometer lanjutan.

Ciri utama yang membezakan prisma daripada unsur optik lain ialah keupayaan mereka untuk menukar arah cahaya tanpa perlu memfokuskannya. , menjadikannya tidak ternilai untuk stereng rasuk, pembetulan orientasi imej dan aplikasi pemisahan panjang gelombang.

Bagaimana Prisma Optik Berfungsi

Operasi prisma optik dikawal oleh dua prinsip optik asas: pembiasan dan pantulan dalaman total.

Biasan dalam Prisma

Apabila cahaya memasuki prisma pada sudut, ia membengkok mengikut Hukum Snell. Tahap lenturan bergantung pada panjang gelombang cahaya dan indeks biasan bahan prisma . Untuk kaca optik standard (kaca mahkota), indeks biasan adalah lebih kurang 1.52, bermakna cahaya bergerak 1.52 kali lebih perlahan di dalam kaca berbanding di udara.

Biasan bergantung kepada panjang gelombang ini menerangkan mengapa prisma boleh memisahkan cahaya putih kepada warna-cahaya biru membengkok lebih tajam daripada cahaya merah kerana ia mempunyai panjang gelombang yang lebih pendek. Dalam prisma penyebaran biasa dengan a Sudut puncak 60 darjah , pemisahan sudut antara cahaya merah dan ungu adalah lebih kurang 3 darjah .

Refleksi Dalaman Keseluruhan

Banyak prisma mengeksploitasi pantulan dalaman total dan bukannya pembiasan. Apabila cahaya bergerak melalui medium yang lebih tumpat (seperti kaca) mengenai sempadan dengan medium yang kurang tumpat (seperti udara) pada sudut yang lebih besar daripada sudut genting, 100% cahaya memantul kembali ke dalam medium yang lebih tumpat . Untuk kaca mahkota, sudut genting ini adalah lebih kurang 41.8 darjah .

Fenomena ini membolehkan prisma berfungsi sebagai cermin yang sangat cekap tanpa salutan logam, menjadikannya lebih baik daripada cermin konvensional dalam banyak aplikasi kerana terdapat sifar kehilangan cahaya daripada penyerapan.

Jenis Biasa Prisma Optik

Prisma optik dikategorikan berdasarkan geometri dan fungsi utamanya. Setiap jenis menyediakan aplikasi khusus dalam sistem optik.

Prisma Penyerakan

Prisma segi tiga klasik terutamanya menyebarkan cahaya. Prisma ini dicirikan oleh sudut puncaknya (biasanya antara 30 dan 60 darjah ) dan adalah asas kepada analisis spektroskopi. Spektrometer moden boleh menggunakan penyebaran prisma untuk mengenal pasti bahan dengan tandatangan spektrumnya resolusi panjang gelombang turun kepada 0.1 nanometer .

Mencerminkan Prisma

Mencerminkan prisma mengubah hala cahaya tanpa serakan yang ketara. Sistem prisma Porro, yang dicipta oleh Ignazio Porro pada tahun 1854, kekal sebagai standard dalam banyak teropong. Sepasang prisma Porro boleh membina imej terbalik sambil turut meningkatkan panjang laluan optik , membenarkan reka bentuk instrumen padat dengan pembesaran yang berkesan.

Prisma Mengkutubkan

Prisma khusus seperti prisma Nicol atau prisma Glan-Thompson memisahkan cahaya kepada keadaan polarisasi ortogon. Peranti ini mencapai nisbah kepupusan melebihi 100,000:1 , menjadikannya penting untuk aplikasi polarimetri dan penyelidikan optik.

Aplikasi Dunia Sebenar Prisma Optik

Prisma optik terdapat di mana-mana dalam teknologi moden, selalunya berfungsi secara tidak kelihatan dalam peranti yang kami gunakan setiap hari.

Fotografi dan Pengimejan

Kamera refleks kanta tunggal (SLR) bergantung pada pentaprisma untuk memberikan jurugambar pandangan tegak, berorientasikan betul melalui pemidang tilik. Pentaprisme memantulkan cahaya lima kali secara dalaman , membetulkan imej terbalik dan terbalik yang dihasilkan oleh lensa kamera tanpa memerlukan elemen optik tambahan.

Projektor digital menggunakan pemasangan prisma untuk menggabungkan imej daripada panel LCD merah, hijau dan biru atau cip DLP yang berasingan. Sistem prisma dikroik dalam a projektor tiga cip boleh mencapai ketepatan warna dalam 2% daripada piawaian profesional .

Instrumentasi Saintifik

Spektrometer menggunakan prisma untuk menganalisis komposisi bahan. Sebagai contoh, spektrograf astronomi menggunakan penyebaran prisma untuk menentukan komposisi kimia bintang yang jauh. Instrumen spektroskopi Teleskop Angkasa Hubble boleh mengesan kelimpahan kimia dengan ketepatan lebih baik daripada 5% dalam atmosfera bintang.

Dalam makmal kimia, refraktometer Abbe menggunakan prisma untuk mengukur indeks biasan cecair dengan ketepatan hingga empat tempat perpuluhan , membolehkan pengecaman tepat bahan dan ukuran kepekatan.

Telekomunikasi dan Teknologi Laser

Sistem gentian optik menggunakan prisma untuk pemultipleksan pembahagian panjang gelombang, di mana berbilang aliran data pada panjang gelombang yang berbeza bergerak melalui satu gentian. Sistem DWDM moden boleh memultiplekskan lebih 80 saluran berasingan , setiap satu membawa 100 Gbps, menggunakan pemisahan panjang gelombang berasaskan prisma.

Sistem stereng pancaran laser menggunakan prisma berputar atau pasangan prisma untuk mengawal arah pancaran dengan tepat tanpa menggerakkan sumber laser itu sendiri, mencapai ketepatan kedudukan dalam mikroradian .

Optik Pengguna

Teropong menggabungkan Porro atau prisma bumbung untuk mencipta reka bentuk ergonomik yang padat sambil memberikan imej yang diperbesarkan dan berorientasikan betul. Teropong berkualiti tinggi menggunakan salutan pembetulan fasa pada prisma bumbung untuk mencapai penghantaran cahaya melebihi 90% , menyaingi kecerahan tontonan langsung.

Bahan dan Pembuatan

Prestasi prisma optik bergantung secara kritikal pada sifat bahan dan ketepatan pembuatannya.

Bahan Prisma Biasa

• Kaca BK7: Kaca optik yang paling biasa dengan indeks biasan 1.517, digunakan dalam prisma tujuan umum untuk panjang gelombang dari 380-2100 nm
• Silika Bercantum: Menawarkan penghantaran luar biasa dalam julat ultraungu dan pengembangan haba yang rendah, penting untuk aplikasi laser berkuasa tinggi
• Kaca SF11: Indeks biasan tinggi (1.785) memberikan penyebaran yang lebih besar, sesuai untuk sistem spektroskopi padat
• Kalsium Fluorida: Memancarkan panjang gelombang inframerah dan ultraviolet, penting untuk spektroskopi khusus dengan penghantaran dari 180 nm hingga 8000 nm

Ketepatan Pembuatan

Prisma ketepatan memerlukan toleransi pembuatan yang luar biasa. Kerataan permukaan lazimnya mestilah lebih baik daripada λ/4 (satu perempat daripada panjang gelombang cahaya) , yang diterjemahkan kepada sisihan kurang daripada 150 nanometer untuk cahaya yang boleh dilihat. Keperluan ketepatan sudut adalah sama ketat, selalunya ditentukan dalam saat arka (1/3600 darjah) .

Salutan optik meningkatkan prestasi prisma dengan ketara. Salutan anti-pantulan boleh mengurangkan kehilangan pantulan permukaan daripada 4% kepada kurang daripada 0.25% setiap permukaan . Salutan logam atau dielektrik pada permukaan pantulan meningkatkan kecekapan dan membolehkan pantulan selektif panjang gelombang.

Kelebihan dan Had

Memahami masa untuk menggunakan prisma berbanding komponen optik alternatif memerlukan mengetahui kekuatan dan kelemahannya.

Kelebihan Utama

• Tiada kehilangan penyerapan: Jumlah prisma pantulan dalaman mencapai hampir 100% kecekapan pantulan, lebih baik daripada cermin logam yang biasanya mencerminkan 90-95%
• Pemisahan panjang gelombang: Prisma memberikan penyebaran panjang gelombang berterusan, tidak seperti grating pembelauan yang menghasilkan berbilang pesanan
• Ketahanan: Permukaan pantulan dalaman dilindungi daripada pencemaran alam sekitar dan kerosakan mekanikal
• Kawalan polarisasi: Jenis prisma tertentu boleh memisahkan atau menganalisis keadaan polarisasi dengan ketulenan yang luar biasa

Had Praktikal

• Saiz dan berat: Prisma kaca adalah jauh lebih berat daripada sistem cermin yang setara, mengehadkan penggunaannya dalam aplikasi sensitif berat
• Kos: Prisma ketepatan dengan salutan berkualiti tinggi boleh menelan kos 10-50 kali lebih tinggi daripada cermin mudah
• Kesan kromatik: Prisma penyebaran memisahkan panjang gelombang, yang tidak diingini dalam aplikasi pengimejan yang memerlukan prestasi akromatik
• Kepekaan suhu: Perubahan indeks biasan dengan suhu boleh menjejaskan prestasi prisma dalam persekitaran yang melampau, dengan variasi biasa 1-5 bahagian per juta setiap darjah Celsius

Memilih Prisma yang Tepat

Memilih prisma yang sesuai untuk aplikasi tertentu melibatkan mempertimbangkan pelbagai faktor secara sistematik.

Kriteria Pemilihan Kritikal

1. Julat panjang gelombang: Padankan bahan prisma dengan panjang gelombang operasi; Aplikasi UV memerlukan silika bersatu, manakala IR mungkin memerlukan bahan khusus seperti zink selenide
2. Keperluan sisihan rasuk: Tentukan sudut pesongan yang diperlukan (45°, 90°, 180°) dan sama ada orientasi imej mesti dikekalkan
3. Keperluan penyebaran: Tentukan sama ada pemisahan panjang gelombang dikehendaki atau bermasalah untuk aplikasi
4. Kekangan saiz: Pertimbangkan had ruang fizikal dan sekatan berat
5. Pengendalian kuasa: Aplikasi laser berkuasa tinggi memerlukan bahan dengan ambang kerosakan yang tinggi, biasanya lebih besar daripada 10 J/cm² untuk silika bercantum

Pertimbangan Salutan

Pilihan salutan optik secara dramatik mempengaruhi prestasi prisma. Salutan anti-pantulan standard disediakan pantulan di bawah 0.5% setiap permukaan merentasi panjang gelombang yang boleh dilihat, manakala salutan jalur lebar memanjangkan prestasi ini dari 400-700 nm. Untuk aplikasi kritikal, salutan berbilang lapisan tersuai boleh dicapai pemantulan di bawah 0.1% pada panjang gelombang tertentu.

Salutan logam (aluminium atau perak) pada permukaan pantulan membolehkan penggunaan melebihi sudut genting, walaupun pada kos 3-10% kehilangan pantulan . Salutan perak terlindung menawarkan pemantulan yang unggul dalam inframerah sambil mengekalkan prestasi boleh dilihat yang mencukupi.

Perkembangan Masa Depan dalam Teknologi Prisma

Kemajuan dalam sains bahan dan pembuatan sedang mengembangkan keupayaan dan aplikasi prisma.

Prisma Metamaterial

Penyelidik sedang membangunkan prisma menggunakan bahan metamaterial—bahan berstruktur buatan dengan sifat optik yang tidak ditemui dalam alam semula jadi. Prisma metamaterial ini boleh dicapai pembiasan negatif atau penyebaran super , membolehkan sistem spektroskopi ultra-kompak dan peranti pengimejan baru. Prototaip awal menunjukkan pekali serakan 10 kali lebih besar daripada kaca konvensional.

Prisma Adaptif

Bahan hablur cecair dan elektro-optik membolehkan prisma boleh ditala secara elektrik yang boleh melaraskan sifat optiknya secara dinamik. Peranti ini boleh merevolusikan stereng rasuk dan pemilihan panjang gelombang, dengan masa menukar di bawah 1 milisaat dan tiada bahagian yang bergerak.

Pengecilan

Tatasusunan prisma mikro yang direka menggunakan teknik pembuatan semikonduktor membolehkan peranti fotonik bersepadu. Prisma mikroskopik ini, dengan dimensi diukur dalam mikrometer, adalah komponen penting dalam peranti MEMS optik dan kamera telefon pintar, di mana tatasusunan prisma menyediakan penstabilan imej optikal dalam pakej yang lebih kecil daripada 5mm merentas.