Спектральная призма

Спектральная призма — оптическая призма, предназначенная для пространственного разделения оптического излучения на монохроматические составляющие.

Иногда спектральные призмы называют дисперсионными.

Отличительные особенности

Рис. 1. Ход лучей в треугольной призме

Cпектральной призмой может служить объёмное тело, многогранник, изготовленный из оптически прозрачного вещества, обладающего высоким значением дисперсии показателя преломления $n$: ${dn \over d\lambda }$, где $\lambda$ — длина волны света, проходящего сквозь спектральную призму.

Спектральные призмы должны обладать высокой степенью пропускания, высокой дисперсией материала, из которого она изготовлена, высокой оптической однородностью и изотропностью. Важно, чтобы спектральная призма осуществляла только один порядок спектра (то есть наложения спектров бы отсутствовали).

В физических установках и устройства, а также во многих прикладных оптических приборах используют повороты спектральных призм для сканирования входящего в них излучения по спектру. Для этих целей были разработаны спектральные призмы постоянного отклонения, в частности, призма Аббе, призма Литтрова, призма Амичи. Использование таких призм позволяет сделать приборы более компактными и удобными в использовании.

Технология производства

Рис. 2. Дисперсия света в призме

Технологии производства спектральных призм мало отличаются от тех, которые применяются для изготовления отражательных призм. Существенным отличием является то, что в спектральных (дисперсионных) призмах, как правило, не применяют нанесение зеркальных покрытий для отражения излучения в нужном спектральном диапазоне (за исключением некоторых конструкций, например, призма Литтрова), а также антибликовых покрытий для увеличения коэффициента пропускания, поскольку предназначение и принцип действия дисперсионных призм другие.

Спектральные (дисперсионные) призмы изготавливаются с высокой точностью методами формовки и последующей полировки для достижения проектной формы и качества поверхности. С помощью специального прецизионного оборудования осуществляют обработку, шлифовку и полировку всей поверхности призмы. Прецизионная обработка производится станками с ЧПУ; применяются технологии алмазного точения, фрезерования, шлифовка и полировка до получения оптически ровных поверхностей граней призмы.

Контроль качества изготавливаемых призм производится различными метрологическими методами, такими как интерферометрия, профилометрия; проводятся экологические испытания — измерение диапазона рабочих температур, влажности, при которых отражательные призмы сохраняют свои параметры; оценивается также механическая прочность, осуществляются размерные измерения, проверяются геометрическая точность и допуски на выравнивание.

Спектральные (дисперсионные призмы), как правило, изготавливаются из стёкол марки крон и флинт.

Принцип действия

Рис. 3. Компьютерное моделирование прохождения света сквозь спектральную призму

Принцип действия спектральных (дисперсионных) призм основан на явлении дисперсии. Свет, попадая на входную поверхность спектральной призмы, преломляется, и, проходя сквозь неё, диспергирует. На выходе спектральной призмы образуется набор световых волн с разной длиной волны. На рисунке 1 показана схема хода лучей в треугольной спектральной призме; наглядной иллюстрацией этой схемы является фотографии на рисунках 2 и 4. Компьютерная симуляция дисперсии света представлена на рисунке 3.

Различные конструкции спектральных (дисперсионных) призм, как правило, носят имена их создателей:

• Простая трёхгранная призма — призма с преломляющим углом = 60°.
• Призма Броунинга — Резерфорда — призма, состоящая из двух одинаковых вспомогательных призм с небольшим преломляющим углом, изготовленных из крона, и одной основной призмы из флинта.
• Призма Аббе — один из типов дисперсионных призм постоянного отклонения, в основе которых находится треугольник с углами 30°, 60° и 90°.
• Призма Амичи — преломляющая призма, склеенная из трёх треугольных призм, две крайние из которых изготавливаются из стекла кронгласс с большой дисперсией, а средняя из стекла флинтглас с малой дисперсией.
• Призма Литтрова — призмы с преломляющим углом 30°, заднюю поверхность которой покрывают отражающим слоем серебра, так что лучи пересекают призму дважды в противоположных направлениях.
• Призма Корню — призма, представляющая собой соединение на оптическом контакте двух прямоугольных призм, вырезанных из лево- и правовращающего кварца.
• Призма Пеллин — Брока — разновидность дисперсионной призмы, состоящая из четырёхстороннего блока стекла в виде правой призмы с углами 90°, 75°, 135° и 60° на торцах.

Применение

Рис. 4. Дисперсия света

Явление дисперсии света показано на рисунке 4. Видно, что свет, проходя сквозь спектральную (дисперсионную) призму, диспергирует на свои спектральные составляющие с разными длинами волн, что представляется человеческому зрению как разноцветные лучи (на рисунке 2 показана реальная фотография дисперсии в треугольной призме, а на рисунке 3 — компьютерная симуляция прохождения света сквозь спектральную (дисперсионную) призму.

Впервые свет разложил на составляющие Исаак Ньютон в опыте, получившем название (опыт Ньютона) в честь его имени.

Спектральные (дисперсионные) призмы используют в спектральных приборах для пространственного разделения излучений различных длин волн. Они применяются в оптических приборах, измерительных комплексах, медицинском оборудовании, системах визуализации и научных исследованиях, телекоммуникации и связи, физической и астрономической аппаратуре, промышленности и производстве, фотонике, квантовой оптике и прецизионной технике.

В спектральном анализе применяются монохроматоры — приборы для выделения узких спектральных линий из входящего излучения.

См.также

• Спектр
• Призма

Литература

• Яворский Б. М. Детлаф, А. А. Курс физики. Том III. Волновые процессы, оптика, атомная и ядерная физика. — М. : Высшая школа, 1972.
• Апенко М. И., Дубовик А. С. Прикладная оптика. — М. : Наука, 1982.
• Бутиков Е. И. Оптика : учебное пособие для вузов. — СПб. : БХВ-Петербург : Невский ДиалектЪ, 2003.
• Заказнов Н. П., Кирюшин С. И., Кузичев В. И. Теория оптических систем : учебное пособие для студентов вузов. — СПб., : Лань, 2008.
• Запрягаева Л. А. Прикладная оптика. Ч. 1. Введение в теорию оптических систем. — М. : Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъёмки и картографии, 2017.
• Ландсберг Г. С. Оптика : учебное пособие для вузов. — М. : Физматлит, 2003.
• Михеенко А. В. Геометрическая оптика : учебное пособие. — Хабаровск : Издательство Тихоокеанского государственного университета, 2018.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 4. Оптика. — М. : Физматлит, 2014.

Ссылки

• Дисперсия света // bigenc.ru
• Оптические призмы // bigenc.ru

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Призмы спектральные», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Призмы_спектральные» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».