منشور نوری چیست؟ انواع، توابع و کاربردها

آشنایی با منشورهای نوری

یک منشور نوری یک عنصر نوری شفاف با سطوح صاف و صیقلی است که نور را می شکند. اصل اساسی پشت منشور این است که می تواند نور را بر اساس هندسه و خواص انکساری موادش خم کند، منعکس کند یا تقسیم کند. . برخلاف عدسی هایی که از سطوح منحنی استفاده می کنند، منشورها از سطوح مسطح که در زوایای خاصی قرار گرفته اند برای دستکاری مسیرهای نور استفاده می کنند.

بیشتر منشورهای نوری از شیشه یا پلاستیک شفاف با ضریب شکست دقیق ساخته می شوند. قابل تشخیص ترین شکل منشور مثلثی است که نور سفید را به رنگ های طیف تشکیل دهنده اش پراکنده می کند - پدیده ای که برای اولین بار توسط اسحاق نیوتن در سال 1666 به طور سیستماتیک مورد مطالعه قرار گرفت. آنها اجزای ضروری در سیستم‌های نوری متعددی از پریسکوپ‌های ساده تا طیف‌سنج‌های پیشرفته هستند.

ویژگی کلیدی که منشورها را از سایر عناصر نوری متمایز می کند، توانایی آنها در تغییر جهت نور بدون تمرکز بر آن است. ، آنها را برای هدایت پرتو، تصحیح جهت تصویر و کاربردهای جداسازی طول موج ارزشمند می کند.

منشورهای نوری چگونه کار می کنند

عملکرد منشورهای نوری توسط دو اصل نوری اساسی کنترل می شود: شکست و بازتاب داخلی کل.

انکسار در منشورها

وقتی نور با زاویه وارد منشور می شود، طبق قانون اسنل خم می شود. درجه خمش به طول موج نور و ضریب شکست ماده منشور بستگی دارد . برای شیشه های نوری استاندارد (شیشه تاج)، ضریب شکست تقریباً 1.52 است، به این معنی که نور در شیشه 1.52 برابر کندتر از هوا حرکت می کند.

این شکست وابسته به طول موج توضیح می‌دهد که چرا منشورها می‌توانند نور سفید را به رنگ‌ها جدا کنند—نور آبی شدیدتر از نور قرمز خم می‌شود زیرا طول موج کوتاه‌تری دارد. در یک منشور پراکنده معمولی با a زاویه راس 60 درجه ، فاصله زاویه ای بین نور قرمز و بنفش تقریباً است 3 درجه .

بازتاب کل داخلی

بسیاری از منشورها به جای انکسار، از بازتاب کلی درونی بهره می برند. هنگامی که نوری که از یک محیط متراکم تر (مانند شیشه) عبور می کند، به مرز محیطی با چگالی کمتر (مانند هوا) در زاویه ای بیشتر از زاویه بحرانی برخورد می کند. 100٪ نور به محیط متراکم تر منعکس می شود . برای شیشه تاج، این زاویه بحرانی تقریبا است 41.8 درجه .

این پدیده منشورها را قادر می‌سازد تا به‌عنوان آینه‌های بسیار کارآمد و بدون پوشش‌های فلزی عمل کنند، و در بسیاری از کاربردها آنها را نسبت به آینه‌های معمولی برتری می‌دهد، زیرا اتلاف نور در اثر جذب صفر است.

انواع رایج منشورهای نوری

منشورهای نوری بر اساس هندسه و عملکرد اولیه آنها دسته بندی می شوند. هر نوع کاربردهای خاصی در سیستم های نوری دارد.

منشورهای پراکنده

منشور کلاسیک مثلثی در درجه اول نور را پخش می کند. این منشورها با زاویه راس خود (معمولاً بین 30 و 60 درجه ) و برای تجزیه و تحلیل طیف سنجی اساسی هستند. طیف‌سنج‌های مدرن می‌توانند از پراکندگی منشوری برای شناسایی مواد با امضای طیفی خود استفاده کنند وضوح طول موج به 0.1 نانومتر کاهش می یابد .

منشورهای بازتابی

منشورهای منعکس کننده نور را بدون پراکندگی قابل توجه هدایت می کنند. سیستم منشوری Porro که توسط ایگنازیو پوررو در سال 1854 اختراع شد، استاندارد در بسیاری از دوربین های دوچشمی باقی مانده است. یک جفت منشور Porro می تواند یک تصویر معکوس ایجاد کند و در عین حال طول مسیر نوری را نیز افزایش دهد ، امکان طراحی ابزارهای فشرده با بزرگنمایی موثر را فراهم می کند.

منشورهای قطبی

منشورهای تخصصی مانند منشور نیکول یا منشور گلان تامپسون نور را به حالت های قطبش متعامد جدا می کنند. این دستگاه ها به دست می آورند نسبت انقراض بیش از 100000:1 ، آنها را برای پلاریمتری و کاربردهای تحقیقات نوری ضروری می کند.

کاربردهای واقعی منشورهای نوری

منشورهای نوری در فناوری مدرن همه جا وجود دارند و اغلب به صورت نامرئی در دستگاه هایی که روزانه از آنها استفاده می کنیم کار می کنند.

عکاسی و تصویربرداری

دوربین‌های رفلکس تک لنز (SLR) به پنتاپریسم‌ها تکیه می‌کنند تا از طریق منظره یاب، دیدی عمودی و با جهت‌گیری صحیح را برای عکاسان فراهم کنند. پنتاپریسم نور را پنج بار در داخل منعکس می کند تصحیح تصویر معکوس و معکوس تولید شده توسط لنز دوربین بدون نیاز به عناصر نوری اضافی.

پروژکتورهای دیجیتال از مجموعه های منشوری برای ترکیب تصاویر از پنل های LCD جداگانه قرمز، سبز و آبی یا تراشه های DLP استفاده می کنند. سیستم منشور دو رنگ در الف پروژکتور سه تراشه می تواند دقت رنگ را در 2٪ استانداردهای حرفه ای به دست آورد .

ابزار علمی

طیف سنج ها از منشورها برای تجزیه و تحلیل ترکیب مواد استفاده می کنند. برای مثال، طیف‌نگارهای نجومی از پراکندگی منشور برای تعیین ترکیب شیمیایی ستارگان دور استفاده می‌کنند. ابزار طیف‌سنجی تلسکوپ فضایی هابل می‌تواند فراوانی مواد شیمیایی را با آن تشخیص دهد دقت بهتر از 5% در جو های ستاره ای

در آزمایشگاه های شیمی، انکسارسنج های Abbe از منشور برای اندازه گیری ضریب شکست مایعات استفاده می کنند. دقت تا چهار رقم اعشار ، امکان شناسایی دقیق مواد و اندازه گیری غلظت را فراهم می کند.

مخابرات و فناوری لیزر

سیستم های فیبر نوری از منشورها برای مالتی پلکس کردن تقسیم طول موج استفاده می کنند، که در آن جریان های داده های متعدد در طول موج های مختلف از طریق یک فیبر منفرد حرکت می کنند. سیستم های DWDM مدرن می توانند بیش از 80 کانال مجزا را چندگانه کنند ، هر کدام 100 گیگابیت بر ثانیه را با استفاده از جداسازی طول موج مبتنی بر منشور حمل می کنند.

سیستم های هدایت پرتو لیزر از منشورهای دوار یا جفت منشور برای کنترل دقیق جهت پرتو بدون حرکت خود منبع لیزر استفاده می کنند. دقت موقعیت یابی در میکرورادیان ها .

اپتیک مصرف کننده

دوربین های دوچشمی از منشورهای Porro یا سقف برای ایجاد یک طراحی فشرده و ارگونومیک و در عین حال ارائه تصاویر بزرگنمایی شده و با جهت گیری صحیح استفاده می کنند. دوربین های دوچشمی با کیفیت بالا از پوشش های تصحیح فاز بر روی منشورهای سقف برای دستیابی به انتقال نور بیش از 90٪ استفاده می کنند. ، رقابت با روشنایی مشاهده مستقیم.

مواد و ساخت

عملکرد یک منشور نوری به شدت به خواص مواد و دقت ساخت آن بستگی دارد.

مواد منشوری رایج

• شیشه BK7: رایج ترین شیشه نوری با ضریب شکست 1.517 که در منشورهای همه منظوره برای طول موج های 380-2100 نانومتر استفاده می شود.
• سیلیس ذوب شده: انتقال استثنایی در محدوده فرابنفش و انبساط حرارتی کم را ارائه می دهد، که برای کاربردهای لیزر پرقدرت حیاتی است.
• شیشه SF11: ضریب شکست بالا (1.785) پراکندگی بیشتری را فراهم می کند که برای سیستم های طیف سنجی فشرده ایده آل است.
• فلوراید کلسیم: انتقال طول موج های مادون قرمز و فرابنفش، ضروری برای طیف سنجی تخصصی با انتقال از 180 نانومتر تا 8000 نانومتر

دقت تولید

منشورهای دقیق نیاز به تحمل‌های ساخت فوق‌العاده دارند. مسطح بودن سطح معمولاً باید بهتر از λ/4 (یک چهارم طول موج نور) باشد. ، که به انحرافات کمتر از 150 نانومتر برای نور مرئی ترجمه می شود. الزامات دقت زاویه به همان اندازه سختگیرانه است که اغلب در داخل مشخص می شود ثانیه قوس (1/3600 درجه) .

پوشش های نوری عملکرد منشور را به طور قابل توجهی افزایش می دهند. پوشش های ضد انعکاس می توانند تلفات انعکاس سطح را از 4% به کاهش دهند کمتر از 0.25٪ در هر سطح . پوشش های فلزی یا دی الکتریک روی سطوح بازتابی کارایی را بهبود می بخشد و بازتاب انتخابی طول موج را امکان پذیر می کند.

مزایا و محدودیت ها

درک زمان استفاده از منشورها در مقابل اجزای نوری جایگزین مستلزم دانستن نقاط قوت و ضعف آنها است.

مزایای کلیدی

• بدون تلفات جذبی: مجموع منشورهای بازتاب داخلی تقریباً 100% راندمان انعکاس را به دست می‌آورند، برتر از آینه‌های فلزی که معمولاً 90-95% منعکس می‌شوند.
• جداسازی طول موج: منشورها بر خلاف توری های پراش که چندین مرتبه تولید می کنند، پراکندگی طول موج پیوسته را ارائه می دهند
• ماندگاری: سطوح بازتاب داخلی از آلودگی محیطی و آسیب های مکانیکی محافظت می شوند
• کنترل پلاریزاسیون: انواع خاصی از منشور می توانند حالت های قطبش را با خلوص استثنایی جدا یا تجزیه و تحلیل کنند

محدودیت های عملی

• اندازه و وزن: منشورهای شیشه ای به طور قابل ملاحظه ای سنگین تر از سیستم های آینه ای معادل هستند و استفاده از آنها را در کاربردهای حساس به وزن محدود می کند.
• هزینه: قیمت منشورهای دقیق با پوشش های باکیفیت 10 تا 50 برابر بیشتر از آینه های ساده است.
• جلوه های کروماتیک: منشورهای پراکنده طول موج ها را از هم جدا می کنند که در برنامه های تصویربرداری که نیاز به عملکرد آکروماتیک دارند نامطلوب است.
• حساسیت به دما: تغییرات ضریب شکست با دما می تواند بر عملکرد منشور در محیط های شدید، با تغییرات معمولی 1-5 قسمت در میلیون در هر درجه سانتیگراد تأثیر بگذارد.

انتخاب منشور مناسب

انتخاب یک منشور مناسب برای یک کاربرد خاص مستلزم در نظر گرفتن چندین عامل به طور سیستماتیک است.

معیارهای انتخاب انتقادی

1. محدوده طول موج: مطابقت مواد منشور با طول موج های عامل. کاربردهای UV به سیلیس ذوب شده نیاز دارند، در حالی که IR ممکن است به مواد تخصصی مانند سلنید روی نیاز داشته باشد
2. الزامات انحراف پرتو: زاویه انحراف لازم (45 درجه، 90 درجه، 180 درجه) و اینکه آیا جهت تصویر باید حفظ شود را تعیین کنید
3. نیازهای پراکندگی: تصمیم بگیرید که آیا جداسازی طول موج برای برنامه مورد نظر است یا مشکل ساز است
4. محدودیت های اندازه: محدودیت های فضای فیزیکی و محدودیت وزن را در نظر بگیرید
5. کنترل قدرت: کاربردهای لیزر پرقدرت معمولاً به موادی با آستانه آسیب بالا نیاز دارند بزرگتر از 10 J/cm² برای سیلیس ذوب شده

ملاحظات پوشش

انتخاب پوشش های نوری به طور چشمگیری بر عملکرد منشور تأثیر می گذارد. پوشش های استاندارد ضد انعکاس ارائه می کنند انعکاس زیر 0.5 درصد در هر سطح در طول موج های قابل مشاهده، در حالی که پوشش های باند پهن این عملکرد را از 400 تا 700 نانومتر افزایش می دهند. برای کاربردهای حیاتی، پوشش‌های چند لایه سفارشی می‌توانند محقق شوند بازتاب کمتر از 0.1% در طول موج های خاص

پوشش‌های فلزی (آلومینیوم یا نقره) روی سطوح بازتابی، استفاده فراتر از زاویه بحرانی را امکان‌پذیر می‌سازد، هرچند به قیمت تمام شده 3-10٪ از دست دادن بازتاب . پوشش‌های نقره‌ای محافظت‌شده بازتابی عالی در مادون قرمز ارائه می‌کنند و در عین حال عملکرد قابل مشاهده کافی را حفظ می‌کنند.

تحولات آتی در فناوری منشور

پیشرفت در علم مواد و تولید در حال گسترش قابلیت ها و کاربردهای منشور است.

منشورهای متامتریال

محققان در حال توسعه منشورها با استفاده از فرامواد - مواد با ساختار مصنوعی با خواص نوری هستند که در طبیعت یافت نمی شوند. این منشورهای فراماده می توانند به دست آورند شکست منفی یا فوق پراکندگی ، سیستم های طیف سنجی فوق فشرده و دستگاه های تصویربرداری جدید را فعال می کند. نمونه های اولیه نشان می دهد ضرایب پراکندگی 10 برابر بیشتر است نسبت به شیشه های معمولی

منشورهای تطبیقی

کریستال مایع و مواد الکترواپتیکی منشورهای قابل تنظیم الکتریکی را فعال می کنند که می توانند به صورت دینامیکی خواص نوری خود را تنظیم کنند. این دستگاه ها می توانند انقلابی در فرمان پرتو و انتخاب طول موج ایجاد کنند زمان تعویض زیر 1 میلی ثانیه و بدون قطعات متحرک

کوچک سازی

آرایه‌های میکرو منشوری که با استفاده از تکنیک‌های ساخت نیمه‌رسانا ساخته شده‌اند، دستگاه‌های فوتونیک یکپارچه را قادر می‌سازند. این منشورهای میکروسکوپی، با ابعاد اندازه‌گیری شده در میکرومتر، اجزای حیاتی در دستگاه‌های MEMS نوری و دوربین‌های گوشی‌های هوشمند هستند. آرایه های منشوری تثبیت کننده تصویر نوری را ارائه می دهند در بسته های کوچکتر از 5 میلی متر عرض.