Призма оптическая: устройство и спектральный анализ¶
Призма — прозрачное тело, ограниченное плоскими гранями, обычно выполненное в форме треугольной призмы (упорной призмы) или цилиндра, применяемое в оптике для отклонения, дисперсии и поляризации света. Наиболее распространённый тип — стеклянная призма с треугольным сечением, у которой два угла между гранями составляют 45° или 60°. Внешне призма выглядит как многогранник из прозрачного материала (стекло, кварц, фторид кальция), грани которого отполированы до оптической чистоты.
¶Внешний вид и конструкция
¶Форма и размеры
Классическая оптическая призма имеет форму треугольной призмы: два основания — равносторонние треугольники, соединённые тремя прямоугольными гранями. Угол между двумя боковыми гранями называется углом призмы (углом преломления) и обычно составляет 30°, 45°, 60° или 90°. Длина призмы (расстояние между основаниями) варьируется от нескольких миллиметров до десятков сантиметров в зависимости от назначения.
Внешний вид призмы характеризуется:
- Прозрачностью — материал пропускает видимый свет, хотя в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра прозрачность ограничена свойствами материала.
- Полированностью граней — грани обрабатываются с точностью до долей микрометра, что обеспечивает чистое отражение и преломление без рассеяния.
- Геометрической точностью — углы выдерживаются с точностью до угловых секунд.
¶Материалы
| Материал | Прозрачная область | Применение |
|---|---|---|
| Оптическое стекло (К8, БК7) | Видимый, ближний ИК | Общее оптическое приборостроение |
| Кварц (SiO₂) | УФ, видимый, ИК | Спектральные призмы, УФ-оптика |
| Фторид кальция (CaF₂) | УФ, видимый, ИК | Широкополосная спектроскопия |
| Флюорит | УФ, ИК | Спектральные приборы |
| Свинцовое стекло (флинт) | Видимый | Призмы с высокой дисперсией |
¶Оптические свойства
¶Преломление света
При попадании света на грань призмы происходит преломление по закону Снеллиуса: n₁ sin α = n₂ sin β, где n₁ и n₂ — показатели преломления сред, α — угол падения, β — угол преломления. Свет, проходя через призму, отклоняется от первоначального направления на угол δ, который зависит от угла призмы A и показателя преломления материала.
¶Дисперсия
Наиболее важное свойство призмы — дисперсия, то есть зависимость показателя преломления от длины волны. Синий свет преломляется сильнее красного, поэтому белый свет, проходящий через призму, раскладывается в спектр — полосу цветов от фиолетового (λ ≈ 380 нм) до красного (λ ≈ 760 нм). Явление было впервые детально описано Исааком Ньютоном в 1666 году, хотя качественно его наблюдал и Роберт Бойль.
Показатель преломления описывается формулой Коши:
n(λ) = A + B/λ² + C/λ⁴
где A, B, C — коэффициенты, характеризующие материал.
¶Поляризация
При определённом угле падения (угле Брюстера) отражённый от грани призмы свет становится полностью линейно поляризованным. Призмы, использующие это свойство, применяются в поляризационных приборах.
¶Типы призм
- Упорные призмы — отклоняют свет на угол, кратный 90° или 180° (призмы Пелле, призмы-отражатели).
- Дисперсионные призмы — предназначены для разложения света в спектр (призмы с углом 60° из флинтового стекла).
- Поляризационные призмы — призмы Николя, Глана-Томпсона, Волласта, состоящие из двух склеенных кристаллов с разными показателями преломления.
- Призмы Тотта — комбинация из трёх призм, обеспечивающая отклонение света на 90° без изменения поляризации.
- Анаморфотные призмы — применяются в объективах для коррекции искажений.
- Спектральные призмы — изготавливаются из материалов с высокой дисперсией для спектральных приборов.
¶Применение
Призмы используются в спектрометрах и спектрографах для разложения света, в подзорных трубах и биноклях (призмы Порро) для переворота изображения, в лазерной технике (призмы Тёрнера, призмы с полным внутренним отражением) для управления лучом, в поляризационных микроскопах, в гиротехнике и навигационных приборах. Призматические системы широко применяются в фото- и кинотехнике, телескопах, спектрофотометрах.
¶Интересные факты
- Призма Ньютона, выставленная в Королевском обществе Лондона, считается одним из самых знаменитых экспонатов в истории науки.
- В 1814 году Йозеф Фраунгофер использовал призму для обнаружения тёмных линий в солнечном спектре (линии Фраунгофера), что заложило основы астрофизики.
- Современные призмы для лазеров изготавливаются с точностью углов до 1 угловой секунды.
Источники:
- Борн М., Вольф Э. «Основы оптики»
- Сивухин Д. В. «Оптика»
- Ландсберг Г. С. «Оптика»
- Гурьев Д. А. «Курс общей физики», т. 3