Prisma (optică)

O prismă este un bloc de sticlă tăiată, compus în mod convențional din trei fețe pe o bază triunghiulară, dar aceasta poate adopta forme mai complexe și departe de prisma obișnuită pe bază de triunghi. Este un instrument optic folosit pentru a refracta lumina, a o reflecta sau a o imprastia. Prisme speciale pot fi, de asemenea, folosite pentru a difracta lumina, a o polariza sau a separa polarizările sau chiar a crea interferențe.

Utilizat în antichitate pentru latura sa decorativă, sub formă de perle sau pentru a sparge lumina, prisma a cunoscut prima sa dezvoltare ca instrument științific în Evul Mediu târziu . A permis mari progrese în înțelegerea compoziției luminii prin experimentele lui Isaac Newton din secolul  al XVIII- lea . De atunci, prismele au fost utilizate în principal în spectroscopie și în orice aplicație care necesită abateri sau divizări ale fasciculului. Considerat un instrument rudimentar încă din epoca sa de aur în spectroscopie, prismele rămân omniprezente în optică în aplicații multiple, cum ar fi separarea armonică.

Istorie

Numită vitrum trigonum în Roma antică , o poveste a lui Pliniu cel Bătrân ar menționa existența sa într-un pasaj care tratează un cristal tăiat în prismă capabil să transforme lumina soarelui într-un curcubeu . Fabricarea în acest moment a mărgelelor de sticlă cu formă prismatică a fost atestată în special la locul Ban Don Ta Phet ( thailandez  : บ้าน ดอน ตา เพชร ), un sit arheologic din epoca fierului din Amphoe Phanom Thuan din Thailanda . Aceste perle, transparente sau translucide, sunt tăiate în mod deliberat sub formă de prisme asemănătoare cristalelor naturale cu o bază triunghiulară sau hexagonală, de exemplu. Existența prismelor sau a elementelor similare este atestată și de Seneca, care menționează în Questiones naturæ tije de sticlă care servesc la transformarea luminii într-un curcubeu, prisme care ar fi fost utilizate pe scară largă în timpul său. Totuși, Seneca atribuie culorile curcubeului unor culori false fugitive în acest moment, cum ar fi reflexele irizate ale penelor de porumbel. În 1275, Vitellion a reprodus acest fenomen prin umplerea cu apă a unei prisme de bază hexagonale, prin trecerea luminii, lumina este descompusă.

Dacă obiectivul a fost cunoscut de mult, „transformarea” luminii solare în mai multe culori nu este încă explicată și culorile sunt considerate în secolul  al XVII- lea ca amestecuri de lumină și umbră sau un amestec similar de particule de pe suprafața obiectelor cu particule de ușoară. Trebuie să așteptăm experimentele lui Isaac Newton, care caută să înțeleagă deformarea fasciculului la ieșirea prismei, mai degrabă decât să fie interesați de culori, astfel încât descompunerea spectrului să fie înțeleasă. Fasciculul, oval, este deformat, ceea ce intră în conflict cu legile refracției cunoscute atunci: indicele de refracție a fost considerat unic și specific mediului care a modificat lumina. Newton arată prin experimentele sale că nu prisma modifică lumina, ci proprietățile materialului care sunt diferite pentru culori.

Utilizarea crescândă a prismelor este concomitentă cu descoperirea fenomenului de împrăștiere a luminii albe și înțelegerea faptului că acesta este compus dintr-un continuu de culori. De asemenea, datorită acestei experiențe a prismelor am înțeles inevitabilitatea aberațiilor cromatice în telescoape. De la începutul XIX E  secol , cercetarea în eter devine tot mai numeroase, iar experimentele cu scopul de a demonstra existența multiplica. În 1810, François Arago a căutat să observe diferența de viteză a undelor de lumină în eter datorită devierii razelor stelare într-o prismă în diferite momente ale zilei. Această experiență este reinterpretată de Augustin Fresnel, care deduce din ea că eterul suferă o antrenare parțială în medii refractive, cum ar fi cea a prismei. În orice caz, un secol de cercetare s-a încheiat cu abandonarea teoriei eterului.

Realizarea prismelor

Prismele utilizate în optică, datorită utilizării lor în aplicații de precizie, sunt blocuri de material transparent, omogen și izotrop. Aceasta implică o calitate foarte importantă a sticlei. Unele prisme, prisme lichide , sunt pereți care formează un unghi în care curge un lichid, cum ar fi apa.

Există puține mașini pentru prelucrarea în linie a prismelor optice de precizie datorită varietății largi de formă, dimensiune și calitate a prismelor. Utilizarea lor finală determină precizia cu care sunt prelucrate. Găsim printre producătorii de componente optice, precizia variind de la arcminute la secunda de arc pentru unghiul din partea de sus și calități de lustruire de până la 20/10 în zgârieturi și săpături, care reprezintă calitatea cerută de obicei în aplicațiile cu laser pulsat.

Procesul de prelucrare este similar cu cel al altor componente de sticlă optică, cum ar fi lentilele: se efectuează o etapă de degroșare pe blocul de sticlă, apoi o prelucrare mai fină înainte de lustruire până se atinge calitatea optică dorită. La fiecare pas, unghiul este controlat manual. Fabricarea unei prisme este destul de lungă, iar cele mai complexe prisme, cu multe suprafețe, cum ar fi prisme de acoperiș, nu fac decât să prelungească timpul de prelucrare și să înmulțească verificările optice necesare.

După acești trei pași, marginile neutilizate ale unor prisme pot fi teșite. Apoi, prisma este tratată anti-reflex, dacă este necesar.

Geometrie

O prismă optică este definită de „unghiul de deschidere”: o prismă de 30 ° are un astfel de unghi de vârf. Acest vârf este marginea principală a prismei, este format de intersecția a două dintre fețele prismei. Într-o prismă bazată pe triunghi, a treia față este numită „bază” și intră în joc numai în cazul prismelor de reflexie totală.

Prisme de acoperiș

Prismele acoperișului sunt prisme ale căror fețe nu mai sunt plate, ci tăiate într-un „acoperiș”, adică într-un colț în unghi drept. Ele pot fi folosite pentru a inversa imaginea formată de prismă, această nouă margine fiind orientată de-a lungul axei de simetrie dorite pentru inversarea imaginii.

Pentaprism

Pentaprismul este o prismă complexă. Este utilizat în principal în fotografie în camerele reflexe cu vizor optic pentru a răsturna imaginea înainte de a o transmite vizorului optic. Primul producător care l-a folosit în 1957 a fost Pentax .

Asocierea prismelor

Prismele optice pot fi utilizate în perechi, separate spațial sau lipite fie prin lipici, fie prin contact optic .

Utilizări

Devierea fasciculului

Prismele de reflexie totală sunt folosite pentru a devia lumina fără pierderi în sistemele optice precum binoclul sau camerele; sunt o alternativă la oglinzi . O prismă retroreflectivă are astfel un interes major în comparație cu oglinzile, dat fiind că, indiferent de orientarea prismei, fasciculul va fi returnat în direcția opusă fasciculului incident, în paralel atât timp cât fețele prismei formează într-adevăr unghi de 90 ° unul față de celălalt: acest sistem este mai ușor de aliniat decât un sistem de oglindă unde unghiul de incidență al fasciculului are o importanță mult mai mare. Prismele  din colțul cubului  au, de asemenea, această particularitate în toate cele trei dimensiuni.

Anamorfozarea fasciculului

Configurația geometrică a unei prisme face posibilă o anamorfoză a fasciculului; adesea efectuată folosind o pereche de prisme, această utilizare se găsește frecvent pentru simetrizarea razelor laser.

Principiul se bazează pe optică geometrică simplă. Este necesară o singură prismă pentru a efectua o anamorfoză, dar fasciculul va fi deviat. O pereche de prisme păstrează direcția luminii în timp ce realizează anamorfoză. Pentru o transmisie mai bună, acest ansamblu se realizează cel mai adesea cu un unghi de incidență aproape sau cu unghi drept de incidență și o priză de prismă cu unghi Brewster, astfel încât polarizarea TM a fasciculului să fie transmisă complet. În cazul simplu al unei singure prisme, anamorfoza - raportul dintre razele fasciculului de ieșire și fasciculul de intrare - va fi, în funcție de orientarea prismei, de un factor egal cu indicele de refracție al prismei sau cu inversul indexului.

Atunci când se utilizează o pereche de prisme identice pentru a obține anamorfoză, factorul crește la indexul pătrat sau inversul său pătrat. De asemenea, va rămâne un decalaj al fasciculului de ieșire care, deși paralel cu fasciculul de intrare, a fost compensat de refracțiile prismelor. Pentru a anula compensarea, setarea ar trebui să conțină patru prisme în total.

Principalele limitări ale acestui ansamblu sunt sensibilitatea sa la lungimea de undă, deoarece lucrăm în transmisie, nu este posibil să ne îndepărtăm de dispersia cromatică. Mai mult, diodele laser, care emit fascicule astigmatice, nu pot fi anamorfozate de aceste sisteme, deoarece prismele nu pot focaliza taliile compensate ale fasciculului.

Prisme dispersive

Prismele dispersive au fost folosite mult în instrumentele de spectroscopie numite prismă spectroscopică și prisma spectrofotometrelor . Primul spectroscop prismatic a fost inventat în jurul anului 1860 de Gustav Kirchhoff și Robert Bunsen . Deși sunt încă utilizate pe scară largă în acest domeniu, grătarele de difracție au înlocuit treptat prismele atât din motive economice, cât și pentru puterea lor de rezolvare mai mare.

În plus față de această utilizare, prisme dispersive sunt, de asemenea, utilizate cu lasere , pentru a purifica un fascicul care a suferit dublarea frecvenței, de exemplu, sau pentru a recombina două fascicule cu lungimi de undă diferite. Dispersia creată de o prismă poate face posibilă, atunci când este introdusă într-o cavitate laser, reglarea fină a lungimii de undă a emisiilor.

În cazul blocării modului laserelor ( blocare în mod englezesc ), două prisme dispersive potrivite pentru a controla dispersia frecvenței datorită faptului că calea optică devine dependentă de lungimea de undă, dispersia introdusă poate deveni anormală, dar pierderile vor fi limitate de îndată ce grinzile sunt incidente la unghiul Brewster .

Prima prismă va împrăștia pur și simplu lumina la lungimi de undă, iar a doua prismă, cu capul în jos până la prima, refractează fasciculul paralel cu fasciculul de intrare, dar fiecare lungime de undă va ieși într-un punct diferit. Al feței de ieșire a celei de-a doua prisme, aceste puncte fiind dependente de lungimea de undă: în acest caz vorbim de „  ciripit spațial”

Corectarea ametropiei

În oftalmologie , prismele sunt folosite atunci când este necesar să se corecteze strabismul. Corecțiile strabismului folosind o prismă se numesc corecție prismatică. Este posibil să supra-corectăm, vorbim de hipercorecție prismatică, sau să ne corectăm, vorbim de hipocorecție prismatică, acest strabism din diferite motive: activarea zonelor retiniene neutilizate, aclimatizarea treptată la corecția totală ulterioară etc.

Polarizare

Uneori este util să separați polarizările sau să filtrați polarizările unui fascicul de lumină. Pentru a face acest lucru, printre multiplele polarizatoare posibile există ansambluri de prisme. Compus din materiale birefringente, cel mai clasic ansamblu include două prisme, ale căror axe de polarizare a luminii sunt orientate diferit, unite de fața mare și formând astfel un cub.

Aceste cuburi despărțitoare au avantajul că pot rezista la puteri mari, deoarece utilizarea lor constă în separarea unei grinzi și neabsorbția unei părți a acesteia.

Prismele de polarizare sunt încă utilizate pe scară largă, deși concurează cu alte dispozitive de polarizare. Foarte practic în ultraviolete, dar limitat de proprietățile materialului din care sunt fabricate și / sau lipiciul care unește cele două prisme, găsim prisme polarizante de tip Rochon sau Wollaston pentru aplicații de la aproape UV la VUV, cu prisme tăiate. din calcit sau fluorură de magneziu.

Proprietățile unei prisme triunghiulare

În contextul următoarelor secțiuni, sunt elaborate mai multe calcule cu următoarele adnotări:

Stigmatism

Riguros stigmatism a unei prisme are loc numai în două cazuri:

  1. pentru punctele aparținând muchiilor, un caz banal fără dobândă;
  2. pentru punctele situate la infinit.

Condiții de apariție

Datorită fenomenului de reflexie totală, în funcție de configurația geometrică a sistemului și de unghiul de incidență, raza poate să nu poată ieși. Condițiile de apariție sunt condiții necesare și suficiente pentru a exista un fascicul de ieșire. Pentru fasciculul de intrare și pentru fasciculul de ieșire .

Acest lucru implică mai întâi pentru unghiul din partea de sus a prismei că acolo unde cazul limitativ implică faptul că restul nu poate fi o condiție suficientă pentru apariția unui fascicul, unele raze putând fi refractate spre a doua față și altele total gândite.

Acest lucru implică și unghiul de incidență pe care .

Ocol

Conform legilor lui Snell-Descartes, la prima dioptră și la a doua dioptrie. Deoarece suma unghiurilor unui triunghi este egală cu pi , găsim și .

Dacă unghiurile sunt foarte mici, este posibil, prin dezvoltarea limitată a funcțiilor trigonometrice , să se simplifice sinele prin unghiul care permite să ajungă la .

Unghiurile de incidență sunt rareori suficient de mici pentru a fi plasate în cadrul acestei aproximări, găsim:

Unghiul de deviație astfel găsit are un minim, care poate fi găsit în punctul în care derivata deviației în funcție de incidență este anulată. Putem găsi acest lucru derivând expresiile cu privire la i:

Și întrucât abaterea minimă ar fi la unghiul în care derivatul abaterii dispare, vine:

simplificat în:

Materialele utilizate pentru prisme optice au indici mai mari de 1, ceea ce înseamnă că termenul nul care îndeplinește formula anterioară este . Sinele unghiurilor de incidență și apariție sunt egale, astfel încât sinele celor două unghiuri de refracție sunt egale. Prin urmare cel puțin abaterea

Dispersie

Fenomenul de dispersie care a dat prismei literele sale de nobilime este în special legat de indicele sticlei utilizate. Indicele de refracție al unui material depinde de lungimea de undă a luminii. Prin urmare, abaterea nu este aceeași pentru fiecare lungime de undă, ceea ce poate fi demonstrat prin diferențierea formulelor prismei:

Ea vine atunci: , care poate fi simplificată la: . Această expresie arată că abaterea este o funcție în creștere a indicelui. Cu toate acestea, conform lui Cauchy, indicele este o funcție descrescătoare a lungimii de undă, prin urmare, lungimile de undă lungi (roșu), care au cel mai mic indice și, prin urmare, sunt cele mai mici. sunt deviate în direcția opusă: cele mai mari fiind mai deviate.

Materiale de construcție

La începutul utilizării masive a prismelor ca instrument de spectrometrie, materialele utilizate erau în principal cristale naturale precum cuarțul cristalin , fluoritul și cristalul de sare și în special prismele pentru infraroșu mediu sunt tăiate până în anii 1940. în cristale în ciuda dificultăților în găsirea lor de o puritate suficientă: grătarele de difracție erau atunci chiar mai scumpe decât prismele.

Acest avantaj financiar al prismelor asupra rețelelor s-a diminuat după cel de- al doilea război mondial  : cristalele sintetice au făcut posibilă reducerea costului de producție al prismelor, dar metodele de replicare a rețelelor au fost descoperite concomitent.

În cazul prismelor dispersive, materialul este condiționat în esență de banda spectrală de interes și de rezoluția pe care o poate obține prisma.

Materiale clasice pentru prisme dispersive
Material Banda spectrală (µm) Locația celei mai bune rezoluții spectrale (µm)
Numele de familie Formula chimica
Fluorură de litiu LiF 2-5,3 sau 0,120—9 µm 4.3
Fluorit CaF 2 5,3—8,5 sau 0,13—12 µm 8.3
Clorura de sodiu NaCI 8,5—15,4 sau 0,2—26 µm 11.1
Bromură de potasiu KBr 15,4—26 sau 0,25—40 µm 20
Bromură de cesiu CsBr 14—38 sau 0,3—55 µm 28.6
Iodură de cesiu CsI 20—50 sau 0,25—80 µm 40
Materiale birefringente pentru prisme polarizante și cuburi despărțitoare
Numele de familie Formula chimica Utilizare
Cuarţ SiO 2
Calcit CaCO 3 Calcita este potrivită în mod ideal pentru dispozitivul Glan-Taylor și este unul dintre materialele utilizate pentru cea mai lungă perioadă de timp pentru polarizarea prismelor, în special cea a lui Nicol și a altor prisme de tip Glan.
Ortovanadat de itriu YVO 4 Atât ortovanadatul, cât și vanadatul de itriu sunt utilizate pentru prismele Rochon , Wollaston și Glan, cele mai potrivite fiind Glan-Taylor. Transmisia sa foarte bună de 3 până la 5 µm îl face potrivit pentru NIR .
Beta-borat de bariu (BBO) β-BaB 2 O 4
Fluorură de magneziu MgF 2 Folosit în VUV, în special în dispozitivele Rochon sau Wollaston.

Note și referințe

  1. Goury 1833 , p.  357
  2. Jomard 1818 , p.  37
  3. Oceanul Indian în Antichitate pe Google Books
  4. Drumurile mătăsii: autostrăzi ale culturii și comerțului pe Google Books
  5. Deville 1871 , p.  59
  6. Libes 1810 , p.  81
  7. Goury 1833 , p.  36
  8. Algarotti 1739 , p.  126
  9. Benson 2009 , p.  134
  10. Darrigol 2012 , p.  79-80
  11. Benson 2009 , p.  132
  12. Balland 2007 , p.  480
  13. Benson 2009 , p.  174
  14. Moatti 2007 , p.  35-37
  15. Balland 2007 , p.  150
  16. Kovarski 2009 , p.  569
  17. Kovarski 2009 , p.  682
  18. Ghidul pentru SLR-urile digitale din 2008: alegerea, reglarea și utilizarea SLR-urilor pe Google Books
  19. Balland 2007 , p.  82
  20. Serway 1992 , p.  168
  21. Serway 1992 , p.  162-163
  22. Benson 2009 , p.  118
  23. Serway 1992 , p.  292
  24. Lanthony 1983 , p.  136
  25. Lanthony 1983 , p.  79
  26. Lanthony 1983 , p.  81
  27. Ghodssi și Lin 2011 , p.  974
  28. Balland 2007 , p.  164
  29. Balland 2007 , p.  154-155
  30. Balland 2007 , p.  153
  31. Balland 2007 , p.  160-161
  32. Balland 2007 , p.  158
  33. Williams 1976 , p.  15-16
  34. Williams 1976 , p.  17-18
  35. (en) Larry G. DeShazer, „  polarizatoare midinfrared îmbunătățită folosind ytriu vanadat  “ , proceduri SPIE , SPIE , polarizarea Analiza și măsurare IV, vol.  4481, nr .  10,29 iulie 2001( DOI  10.1117 / 12.452881 , citiți online )
  36. (în) Dennis A. Vanderwerf , Optică prismatică și reflexivă aplicată , Bellingham, SPIE ,2010, 296  p. ( ISBN  978-0-8194-8332-4 , DOI  10.1117 / 3.867634 , citit online ) , p.  61
  37. (în) Johnson, Curtis W., Jr., „  Prismă de polarizare a fluorurii de magneziu pentru ultravioletul de vid  ” , Review of Scientific Instruments , vol.  35, n o  10,Octombrie 1964, p.  1375–1376 ( ISSN  0034-6748 , DOI  10.1063 / 1.1718763 , citit online , accesat la 30 august 2020 ).
  38. http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=4978162&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D4978162
  39. http://scitation.aip.org/content/aip/journal/rsi/35/10/10.1063/1.1718763

Site-uri web:

  1. (ro) „  Introducere în prisme optice  ” , despre optica Edmund
  2. (ro) „  Prisme  ” [PDF] , pe Schott AG ,Mai 2013
  3. (ro) „  Prisme  ” , Enciclopedia Fizicii și Tehnologiei Laserului , despre RP Photonics
  4. (în) „  colegii prisma anamorfică  ” , Enciclopedia fizicii și tehnologiei laserului , despre RP Photonics
  5. (în) „  Prism peers  ” , Enciclopedia Fizicii și Tehnologiei Laserului , despre RP Photonics
  6. (în) „  polarizatori  ” , Enciclopedia Fizicii și Tehnologiei Laserului , despre RP Photonics

Vezi și tu

Bibliografie

Cărți utilizate la redactarea articolului:

linkuri externe

Articole similare

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">