Pryzmat (optyka)

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Droga promienia w trójkątnym pryzmacie

Pryzmat , pryzmat optyczny, to korpus wykonany z jednorodnego materiału przepuszczającego promieniowanie optyczne , ograniczony przez płaskie powierzchnie odbijające i załamujące światło, umieszczone pod ściśle określonymi kątami względem siebie[1] . W przypadku pryzmatów stosowanych w przyrządach optycznych stosuje się szkło optyczne o różnych współczynnikach załamania , w zależności od rodzaju i przeznaczenia pryzmatu. Pryzmaty optyczne dzielą się na trzy duże i wyraźnie różne klasy przeznaczenia: pryzmaty spektralne (pryzmaty refrakcyjne lub dyspersyjne do rozkładu światła na widmo ), pryzmaty refleksyjne (do zmiany kierunku światła) i pryzmaty polaryzacyjne (do uzyskania światła spolaryzowanego liniowo). Wykonane są głównie ze szkła , kwarcu , fluorytu , fluorku litu , bromku potasu i innych substancji [2] .

Droga promienia w trójkątnym pryzmacie

Najprostszym typem pryzmatu jest graniastosłup trójkątny, czyli bryła będąca figurą geometryczną pryzmatu o dwóch trójkątnych podstawach i trzech bocznych ścianach w formie prostokątów .

Rysunek przedstawia przekrój trójkątnego graniastosłupa z płaszczyzną równoległą do jego podstaw. Legenda: - kąt ugięcia, - kąt załamania światła pryzmatu [3] , - odpowiednio kąty padania promienia przechodzącego przez boczną powierzchnię pryzmatu i wychodzącego przez jego drugą boczną powierzchnię, Czy kąty załamania tych dwóch promieni są odpowiednio. Na tej figurze materiał pryzmatu jest ośrodkiem optycznie gęstszym niż jego otoczenie, ponieważ kąt padania padającego promienia jest większy niż jego kąt załamania. Oznacza to, że względny współczynnik załamania światła tego materiału jest większy niż jeden, oznaczamy go ... Najprostszy wzór na kąt ugięcia otrzymujemy, jeśli założymy, że kąt załamania pryzmatu i kąt padania wiązki przychodzącej są małe [4] . Wtedy kąt również będzie mały , co oznacza, że ​​kąty też będą małe ... Zgodnie z prawem załamania światła :

Biorąc pod uwagę, że suma kątów czworoboku wynosi i biorąc to pod uwagę :

Zatem przy małym kącie padania wiązki przychodzącej mamy przybliżony wzór na kąt ugięcia:

Wzór ten jest również ważny, ponieważ można go wykorzystać do wyprowadzenia zależności ogniskowej cienkiej soczewki od promieni jej powierzchni, podczas gdy cienką soczewkę zastępuje pryzmat trójkątny i stosuje się wzór na kąt ugięcia [5] .

W przypadku dowolnego kąta załamania pryzmatu i kąta padania wiązki przychodzącej oraz jeśli bezwzględny współczynnik załamania materiału pryzmatu jest i jej otoczenie - , podobnie rozumując można otrzymać wzór [6] :

Rodzaje pryzmatów

Pryzmaty dyspersyjne

Pryzmaty dyspersyjne są stosowane w przyrządach spektralnych do przestrzennego rozdzielania promieniowania o różnych długościach fal.

  • Prosty trójkątny pryzmat - pryzmat o kącie załamania a = 60 °.
  • Pryzmat Browninga-Rutherforda - pryzmat składający się z dwóch identycznych pryzmatów pomocniczych o małym kącie załamania, wykonanych z korony i jednego pryzmatu głównego z krzemienia.
  • Pryzmat Abbego to rodzaj pryzmatu dyspersyjnego o stałym odchyleniu, który opiera się na trójkącie o kątach 30 °, 60 ° i 90 °.
  • Pryzmat Amichi to refrakcyjny pryzmat sklejony z trzech trójkątnych pryzmatów, z których dwa wykonane są z wysokodyspersyjnego szkła koronowego, a środkowy ze szkła ołowiowego o niskiej dyspersji.
  • Pryzmat Littrow - pryzmaty o kącie załamania 30 °, których tylna powierzchnia pokryta jest odblaskową warstwą srebra, dzięki czemu promienie przecinają pryzmat dwukrotnie w przeciwnych kierunkach.
  • Pryzmat Cornu to pryzmat będący połączeniem na styku optycznym dwóch prostokątnych pryzmatów wyciętych z lewoskrętnego i prawoskrętnego kwarcu.
  • Pryzmat Pellina-Broca to rodzaj pryzmatu dyspersyjnego, składającego się z czworobocznej bryły szkła w postaci pryzmatu prawoskrętnego o kątach 90°, 75°, 135° i 60° na końcach.

Pryzmaty odblaskowe

Pryzmaty refleksyjne służą do zmiany toru wiązek, zmiany kierunku osi optycznej, zmiany kierunku linii widzenia, w celu zmniejszenia gabarytów urządzeń. Pryzmaty odblaskowe są klasyfikowane według kilku kryteriów:

  • liczba odbić w pryzmacie
  • obecność lub brak „dachu”
  • charakter projektu pryzmatu
  • kąt zagięcia osi optycznej

Również szczególną niszę wśród pryzmatów refleksyjnych zajmują pryzmaty kompozytowe - składające się z kilku części oddzielonych szczelinami powietrznymi. Niektóre z szeroko rozpowszechnionych pryzmatów mają swoje własne nazwy.

Nazwa pryzmatu jest oznaczona dwiema lub trzema literami i cyfrą z łącznikiem. Pierwsza litera oznacza liczbę odbijających twarzy (odbić) w pryzmacie. („A” - jeden, „B” - dwa, „C” - trzy itd.). "Dach" umownie jest uważany za jedną stronę i dla jego oznaczenia umieszcza się indeks "k" po pierwszej literze. (np. Ak, Bk) Pozostała litera wskazuje na charakter struktury. („R” - równoramienny, „P” - pryzmat pentagonalny, „U” - półpryzmat pentagonalny, „S” - rombowy, „M” - typ dalmierza, „L” - pryzmat Lehmanna). Liczby pisane myślnikiem wskazują kąt zagięcia osi optycznej. (0°, 90°, 180°). Na przykład „VkR-45°” to pryzmat równoramienny z trzema odblaskowymi krawędziami i dachem, z zagięciem w osi 45°.

Pryzmaty kompozytowe są oznaczone nazwami własnymi i kątami zagięcia osi. Na przykład „A-0°” to pryzmat Abbego, „Bk-90°” to pryzmat buta z daszkiem, „K-0°” to pryzmat sześcienny.

Pryzmaty polaryzacyjne

Pryzmaty odchylające

Pryzmaty w kształcie klina służą do odchylania wiązki światła pod stałym kątem. Para takich pryzmatów może służyć do sterowania wiązką ; obracając pryzmaty, wiązkę można odchylić pod dowolnym kątem w stożkowym „polu widzenia”. Najczęściej spotykana jest para pryzmatów Risleya [7] . Dwa pryzmaty klinowe mogą być również użyte jako para anamorficzna do zmiany kształtu wiązki. Wykorzystywany jest do wytworzenia okrągłej wiązki z eliptycznej na wyjściu diody laserowej .

Pryzmaty diamentowe służą do przesuwania wiązki światła na boki bez odwracania obrazu.

Pryzmaty pokładowe były używane na żaglowcach, aby zapewnić światło dzienne pod pokładem [8], ponieważ świece i lampy naftowe mogą być łatwopalne na drewnianych statkach.

Historia

Trójkątny pryzmat rozpraszający światło

Podobnie jak wiele podstawowych terminów geometrycznych, słowo pryzmat ma pochodzenie greckie ( greckie πρίσμα ). Termin ten został po raz pierwszy użyty w Początku Euklidesa. Euklides zdefiniował ten termin w księdze XI jako „stała bryła ograniczona dwiema przeciwległymi, równymi i równoległymi płaszczyznami, podczas gdy reszta to równoległoboki”, jednak dziewięć kolejnych stwierdzeń używających tego terminu zawierało przykłady graniastosłupów o trójkątnej podstawie (tj. z bokami, które nie były równoległobokami) [9] . Ta rozbieżność spowodowała zamieszanie wśród późniejszych geometrów [10] [11] .

René Descartes widział światło podzielone na kolory tęczy przez szkło lub wodę [12] , chociaż pochodzenie koloru było nieznane. Eksperyment Isaaca Newtona z 1666 roku polegający na przepuszczaniu białego światła przez pryzmat wykazał, że wszystkie kolory już istnieją w świetle, z wielokolorowymi „ cząsteczkami ” rozchodzącymi się i poruszającymi się z różnymi prędkościami przez pryzmat. Dopiero później Yang i Fresnel połączyli teorię cząstek Newtona z teorią fal Huygensa, aby wyjaśnić, w jaki sposób kolor powstaje w widmie światła.

Newton doszedł do wniosku, przepuszczając czerwony kolor z jednego pryzmatu przez drugi i stwierdził, że kolor się nie zmienił. Na tej podstawie wywnioskował, że kolory muszą już być obecne w padającym świetle - pryzmat nie tworzył więc kolorów, ale po prostu oddzielał kolory, które już tam były. Użył również soczewki i drugiego pryzmatu, aby przekonwertować widmo z powrotem na światło białe. Eksperyment ten stał się klasycznym przykładem metodologii wprowadzonej podczas rewolucji naukowej .

Newton szczegółowo zbadał rozproszenie światła w pryzmacie w swojej książce „ Optyka” [13] . Wprowadził również zastosowanie więcej niż jednego pryzmatu do kontroli dyspersji [14] . Opis Newtona swoich eksperymentów z rozpraszaniem światła przez pryzmaty był jakościowy. Kwantyfikacja dyspersji wielopryzmatycznej nie była wymagana do czasu wprowadzenia wielopryzmatycznych ekspanderów wiązki laserowej w latach 80. [15] .

Zobacz też

Notatki (edytuj)

  1. Fotokino, 1981 , s. 251.
  2. Prochorow AM (redaktor naczelny) Encyklopedia fizyczna. Wydanie referencyjne. - M .: radziecka encyklopedia, 1988-1998
  3. Myakishev G. Ya., Bukhovtsev B. B. Fizyka: Podręcznik. za 10 cl. Środa szk. - 9. ed. - M .: Edukacja , 1987 .-- s. 132 .-- 319 s.
  4. Landsberg G.S. §86. Załamanie w pryzmacie // Podstawowy podręcznik fizyki. - 13. wyd. - M .: Fizmatlit , 2003. - T. 3. Oscylacje i fale. Optyka. Fizyka atomowa i jądrowa. - S. 231-232. - 656 pkt. - ISBN 5922103512 .
  5. Landsberg G.S. §88. Refrakcja w obiektywie. Ogniska obiektywu // Podstawowy podręcznik fizyki. - 13. wyd. - M .: Fizmatlit , 2003. - T. 3. Oscylacje i fale. Optyka. Fizyka atomowa i jądrowa. - S. 236-242. - 656 pkt. - ISBN 5922103512 .
  6. Savchenko N.E. Rozwiązywanie problemów z fizyki. Przewodnik dla kandydatów na uniwersytety. - Mińsk: Szkoła Wyższa, 1977. - S. 208-210. - 240 pkt.
  7. ^ Duncan, BD (2003). „Szerokokątne achromatyczne sterowanie wiązką pryzmatyczną do zastosowań przeciwdziałania podczerwieni” . Optować. inż . 42 (4): 1038-1047. Kod bib : 2003OptEn..42.1038D . DOI : 10.1117 / 1.1556393 .
  8. Loenen, Nick. Budowa drewnianej łodzi: Jak zbudować żaglówkę klasy Dragon . - FriesenPress, luty 2012 .-- ISBN 9781770974067 .
  9. Elementy : księga 11, Def 13 i Prop 28, 29, 39; i tom 12, Prop 3, 4, 5, 7, 8, 10
  10. Thomas Malton. Królewska droga do geometrii: czyli łatwe i znajome wprowadzenie do matematyki. ... Thomasa Maltona. .... - autor i sprzedany, 1774. - s. 360–.
  11. James Elliot. Klucz do pełnego traktatu o geometrii praktycznej i pomiarach: zawierający pełne demonstracje zasad .... - Longman, Brown, Green i Longmans, 1845. - S. 3–.
  12. James Gleick. Izaaka Newtona. - Vintage, 8 czerwca 2004 .-- ISBN 1400032954 .
  13. Optyki . - Towarzystwo Królewskie. - ISBN 0-486-60205-2 .
  14. Kolory dwojakiego rodzaju - Narracja fizyczna . Instytut Fizyki. Data zabiegu: 13 kwietnia 2021 r.
  15. ^ FJ Duarte i JA Piper (1982). „Teoria dyspersji wielopryzmatycznych ekspanderów wiązek do impulsowych laserów barwnikowych”. Optować. Komuna . 43 (5): 303-307. Kod bib : 1982OptCo..43..303D . DOI : 10.1016 / 0030-4018 (82) 90216-4 .

Literatura

  • E. A . Iofis . Fotokino / I. Yu Shebalin. - M.,: „Sowiecka Encyklopedia”, 1981. - S. 251 - 253. - 447 pkt.

Spinki do mankietów