Optik Prizma Nedir? Türler, İşlevler ve Uygulamalar

Optik Prizmaları birlamak

An optik prizma ışığı kıran düz, cilalı yüzeylere sahip şeffaf bir optik elementtir. Bir prizmanın arkasındaki temel prensip, geometrisine ve malzemesinin kırılma özelliklerine bağlı olarak ışığı bükebilmesi, yansıtabilmesi veya bölebilmesidir. . Kavisli yüzeyler kullanan merceklerin aksine prizmalar, ışık yollarını değiştirmek için belirli açılarda konumlandırılmış düzlemsel yüzeyleri kullanır.

Çoğu optik prizma, hassas kırılma indisine sahip cam veya şeffaf plastikten yapılır. En tanınabilir biçim, beyaz ışığı kendisini oluşturan spektrum renklerine dağıtan üçgen prizmadır; bu, ilk kez 1666'da Isaac Newton tarafından sistematik olarak incelenen bir olgudur. Ancak prizmalar, gökkuşağı oluşturmaktan çok daha fazla amaca hizmet eder; basit periskoplardan gelişmiş spektrometrelere kadar çok sayıda optik sistemin temel bileşenleridirler.

Prizmaları diğer optik elemanlardan ayıran temel özellik, ışığın yönünü odaklamaya gerek kalmadan değiştirebilmeleridir. Bu da onları ışın yönlendirme, görüntü yönlendirme düzeltmesi ve dalga boyu ayırma uygulamaları için paha biçilmez kılmaktadır.

Optik Prizmalar Nasıl Çalışır?

Optik prizmaların çalışması iki temel optik prensibe göre yönetilir: kırılma ve toplam iç yansıma.

Prizmalarda Kırılma

Işık bir prizmaya belirli bir açıyla girdiğinde Snell Yasasına göre bükülür. Bükülmenin derecesi ışığın dalga boyuna ve prizma malzemesinin kırılma indisine bağlıdır. . Standart optik cam (taç cam) için kırılma indisi yaklaşık 1,52'dir; bu, ışığın camda havaya göre 1,52 kat daha yavaş ilerlediği anlamına gelir.

Dalga boyuna bağlı bu kırılma, prizmaların neden beyaz ışığı renklere ayırabildiğini açıklıyor; mavi ışık, daha kısa dalga boyuna sahip olduğundan kırmızı ışıktan daha keskin bir şekilde bükülüyor. Tipik bir dağıtıcı prizmada 60 derecelik tepe açısı kırmızı ve mor ışık arasındaki açısal ayrım yaklaşık olarak 3 derece .

Toplam İç Yansıma

Pek çok prizma kırılma yerine toplam iç yansımayı kullanır. Daha yoğun bir ortamdan (cam gibi) geçen ışık, daha az yoğun bir ortamın (hava gibi) sınırına kritik açıdan daha büyük bir açıyla çarptığında, Işığın %100'ü daha yoğun ortama geri yansır . Taç cam için bu kritik açı yaklaşık olarak 41.8 derece .

Bu olgu, prizmaların metalik kaplamalar olmadan yüksek verimli aynalar olarak işlev görmesine olanak tanır ve emilimden kaynaklanan sıfır ışık kaybı nedeniyle onları birçok uygulamada geleneksel aynalardan üstün kılar.

Yaygın Optik Prizma Türleri

Optik prizmalar geometrilerine ve birincil işlevlerine göre kategorize edilir. Her tip optik sistemlerde belirli uygulamalara hizmet eder.

Dağıtıcı Prizmalar

Klasik üçgen prizma öncelikle ışığı dağıtır. Bu prizmalar tepe açılarıyla karakterize edilir (tipik olarak 30 ve 60 derece ) ve spektroskopik analizin temelini oluşturur. Modern spektrometreler, malzemeleri spektral imzalarına göre tanımlamak için prizma dağılımını kullanabilir. 0,1 nanometreye kadar dalga boyu çözünürlüğü .

Yansıtan Prizmalar

Yansıtıcı prizmalar ışığı önemli bir dağılım olmadan yeniden yönlendirir. 1854 yılında Ignazio Porro tarafından icat edilen Porro prizma sistemi birçok dürbün için standart olmaya devam ediyor. Bir çift Porro prizması ters bir görüntü oluştururken aynı zamanda optik yol uzunluğunu da artırabilir Etkili büyütmeye sahip kompakt cihaz tasarımlarına olanak tanır.

Polarize Prizmalar

Nicol prizması veya Glan-Thompson prizması gibi özel prizmalar, ışığı dik polarizasyon durumlarına ayırır. Bu cihazlar elde 100.000:1'i aşan yok olma oranları Bu da onları polarimetri ve optik araştırma uygulamaları için gerekli kılmaktadır.

Optik Prizmaların Gerçek Dünya Uygulamaları

Optik prizmalar modern teknolojinin her yerinde bulunur ve genellikle günlük olarak kullandığımız cihazların içinde görünmez bir şekilde çalışır.

Fotoğrafçılık ve Görüntüleme

Tek lens yansımalı (SLR) kameralar, fotoğrafçılara vizörden dik, doğru yönlendirilmiş bir görüş sağlamak için beşli prizmalara dayanır. Beşli prizma ışığı dahili olarak beş kez yansıtır , kamera merceğinin ürettiği ters ve ters görüntüyü ek optik öğeler gerektirmeden düzeltir.

Dijital projektörler, ayrı kırmızı, yeşil ve mavi LCD panellerden veya DLP yongalarından gelen görüntüleri birleştirmek için prizma düzeneklerini kullanır. Dikroik prizma sistemi üç çipli projektör, profesyonel standartların %2'si dahilinde renk doğruluğu elde edebilir .

Bilimsel Enstrümantasyon

Spektrometreler malzemelerin bileşimini analiz etmek için prizmalar kullanır. Örneğin astronomik spektrograflar, uzak yıldızların kimyasal bileşimini belirlemek için prizma dağılımını kullanır. Hubble Uzay Teleskobu'nun spektroskopik cihazları kimyasal bolluğu tespit edebilir. %5'ten daha iyi hassasiyet yıldız atmosferlerinde.

Kimya laboratuvarlarında Abbe refraktometreleri, sıvıların kırılma indisini ölçmek için prizmalar kullanır. dört ondalık basamağa kadar doğruluk Maddelerin kesin olarak tanımlanmasına ve konsantrasyon ölçümlerine olanak tanır.

Telekomünikasyon ve Lazer Teknolojisi

Fiber optik sistemler, farklı dalga boylarındaki birden fazla veri akışının tek bir fiber üzerinden geçtiği dalga boyu bölmeli çoğullama için prizmalar kullanır. Modern DWDM sistemleri 80'den fazla ayrı kanalı çoğaltabilir Her biri 100 Gbps taşıyan ve prizma tabanlı dalga boyu ayrımı kullanan.

Lazer ışını yönlendirme sistemleri, lazer kaynağını hareket ettirmeden ışın yönünü hassas bir şekilde kontrol etmek için dönen prizmalar veya prizma çiftleri kullanır. mikroradyan dahilinde konumlandırma doğruluğu .

Tüketici Optikleri

Dürbünler, büyütülmüş, doğru yönlendirilmiş görüntüler sağlarken kompakt, ergonomik bir tasarım oluşturmak için Porro veya çatı prizmalarını içerir. Yüksek kaliteli dürbünler, %90'ı aşan ışık iletimi sağlamak için çatı prizmalarında faz düzeltme kaplamaları kullanır , doğrudan görüntülemenin parlaklığına rakip olur.

Malzeme ve İmalat

Bir optik prizmanın performansı kritik olarak malzeme özelliklerine ve üretim hassasiyetine bağlıdır.

Ortak Prizma Malzemeleri

• BK7 Cam: 380-2100 nm dalga boyları için genel amaçlı prizmalarda kullanılan, kırılma indeksi 1.517 olan en yaygın optik cam
• Erimiş Silika: Yüksek güçlü lazer uygulamaları için kritik olan ultraviyole aralığında olağanüstü iletim ve düşük termal genleşme sunar
• SF11 Cam: Yüksek kırılma indeksi (1,785) daha fazla dağılım sağlar; kompakt spektroskopik sistemler için idealdir
• Kalsiyum Florür: 180 nm'den 8000 nm'ye kadar iletimle özel spektroskopi için gerekli olan kızılötesi ve ultraviyole dalga boylarını iletir

Üretim Hassasiyeti

Hassas prizmalar olağanüstü üretim toleransları gerektirir. Yüzey düzlüğü tipik olarak λ/4'ten (ışığın dalga boyunun dörtte biri) daha iyi olmalıdır. Bu, görünür ışıkta 150 nanometreden daha az sapma anlamına gelir. Açı doğruluğu gereksinimleri de aynı derecede katıdır ve genellikle yay saniyesi (bir derecenin 1/3600'ü) .

Optik kaplamalar prizma performansını önemli ölçüde artırır. Yansıma önleyici kaplamalar yüzey yansıma kayıplarını %4'ten %4'e kadar azaltabilir. yüzey başına %0,25'ten az . Yansıma yüzeylerindeki metalik veya dielektrik kaplamalar verimliliği artırır ve dalga boyu seçici yansımayı mümkün kılar.

Avantajlar ve Sınırlamalar

Prizmaların alternatif optik bileşenlere karşı ne zaman kullanılacağını anlamak, bunların güçlü ve zayıf yönlerini bilmeyi gerektirir.

Temel Avantajlar

• Emilim kaybı yok: Toplam iç yansıma prizmaları neredeyse %100 yansıma verimliliği elde eder ve tipik olarak %90-95 yansıtma yapan metalik aynalardan daha üstündür
• Dalga boyu ayrımı: Prizmalar, birden fazla düzen üreten kırınım ızgaralarının aksine, sürekli dalga boyu dağılımı sağlar
• Dayanıklılık: İç yansıma yüzeyleri çevresel kirlenmeden ve mekanik hasarlardan korunur
• Polarizasyon kontrolü: Bazı prizma türleri, polarizasyon durumlarını olağanüstü bir saflıkla ayırabilir veya analiz edebilir

Pratik Sınırlamalar

• Boyut ve ağırlık: Cam prizmalar eşdeğer ayna sistemlerinden önemli ölçüde daha ağırdır, bu da ağırlığa duyarlı uygulamalarda kullanımlarını sınırlamaktadır.
• Maliyet: Yüksek kaliteli kaplamalara sahip hassas prizmalar, basit aynalardan 10-50 kat daha pahalı olabilir
• Kromatik efektler: Dağıtıcı prizmalar, renksiz performans gerektiren görüntüleme uygulamalarında istenmeyen bir durum olan dalga boylarını ayırır.
• Sıcaklık hassasiyeti: Sıcaklıkla birlikte kırılma indisi değişiklikleri, santigrat derece başına milyonda 1-5 parçalık tipik değişikliklerle zorlu ortamlarda prizma performansını etkileyebilir.

Doğru Prizmayı Seçmek

Belirli bir uygulama için uygun prizmanın seçilmesi, birden fazla faktörün sistematik olarak dikkate alınmasını içerir.

Kritik Seçim Kriterleri

1. Dalga boyu aralığı: Prizma malzemesini çalışma dalga boylarıyla eşleştirin; UV uygulamaları erimiş silika gerektirirken IR çinko selenit gibi özel malzemelere ihtiyaç duyabilir
2. Işın sapması gereksinimleri: Gerekli sapma açısını (45°, 90°, 180°) ve görüntü yöneliminin korunması gerekip gerekmediğini belirleyin
3. Dispersiyon ihtiyaçları: Uygulama için dalga boyu ayrımının istenip istenmediğine veya sorunlu olup olmadığına karar verin
4. Boyut kısıtlamaları: Fiziksel alan sınırlamalarını ve ağırlık kısıtlamalarını göz önünde bulundurun
5. Güç kullanımı: Yüksek güçlü lazer uygulamaları, genellikle yüksek hasar eşiğine sahip malzemeler gerektirir 10 J/cm²'den büyük erimiş silika için

Kaplama Konuları

Optik kaplamaların seçimi prizma performansını önemli ölçüde etkiler. Standart yansıma önleyici kaplamalar şunları sağlar: yüzey başına %0,5'in altında yansıma görünür dalga boylarında geniş bant kaplamalar ise bu performansı 400-700 nm'ye kadar genişletir. Kritik uygulamalar için özel çok katmanlı kaplamalar, yansıtma oranı %0,1'in altında belirli dalga boylarında.

Yansıtma yüzeylerindeki metalik kaplamalar (alüminyum veya gümüş), maliyet açısından kritik açının ötesinde kullanıma olanak sağlar. %3-10 yansıma kaybı . Korumalı gümüş kaplamalar, yeterli görünür performansı korurken kızılötesinde üstün yansıtma sunar.

Prizma Teknolojisinde Gelecekteki Gelişmeler

Malzeme bilimi ve üretimdeki ilerlemeler prizma yeteneklerini ve uygulamalarını genişletiyor.

Metamalzeme Prizmaları

Araştırmacılar, doğada bulunmayan optik özelliklere sahip, yapay olarak yapılandırılmış materyaller olan metamateryalleri kullanarak prizmalar geliştiriyorlar. Bu metamateryal prizmalar başarabilir negatif kırılma veya süper dağılım ultra kompakt spektroskopik sistemleri ve yeni görüntüleme cihazlarını mümkün kılıyor. İlk prototipler gösteriyor dağılım katsayıları 10 kat daha fazla geleneksel camdan daha

Uyarlanabilir Prizmalar

Sıvı kristal ve elektro-optik malzemeler, optik özelliklerini dinamik olarak ayarlayabilen, elektriksel olarak ayarlanabilen prizmalara olanak tanır. Bu cihazlar ışın yönlendirmede ve dalga boyu seçiminde devrim yaratabilir. 1 milisaniyenin altında anahtarlama süreleri ve hareketli parça yok.

Minyatürleştirme

Yarı iletken üretim teknikleri kullanılarak üretilen mikro prizma dizileri, entegre fotonik cihazların kullanılmasına olanak sağlıyor. Boyutları mikrometre cinsinden ölçülen bu mikroskobik prizmalar, optik MEMS cihazlarında ve akıllı telefon kameralarında kritik bileşenlerdir. prizma dizileri optik görüntü sabitleme sağlar çapı 5 mm'den küçük paketler halinde.